Produzione elettrica netta oraria per fonte in Italia (2015-2020)

Abbiamo già visto i dati della produzione annuale delle varie fonti in Italia, ma come sono distribuiti questi valori sulle ore della giornata?


(26/06/2022 – integrato il testo e aggiornato il grafico 2020 con i dati definitivi)

Avere un’idea di come la produzione delle varie fonti sia distribuita lungo le ore della giornata, oltre a fornire una nuova dimensione più dettagliata del fenomeno, è fondamentale per comprendere tutte le questioni relative alla gestione in sicurezza del sistema elettrico.

La corrente elettrica che tutti noi usiamo deve essere fornita con determinati valori di tensione e frequenza, altrimenti non può essere utilizzata e potrebbe addirittura danneggiare gli apparecchi elettrici. Tali caratteristiche riescono ad essere mantenute solo ed esclusivamente se l’energia prodotta dall’insieme degli apparati di generazione e quella assorbita dai centri di consumo, collegati insieme dalla rete elettrica, sono in equilibrio durante ogni singolo momento della giornata. In sostanza, chi produce energia elettrica deve seguire costantemente le richieste di consumo che provengono dalla rete fornendo sul momento l’energia necessaria.

Considerando l’ampiezza della rete elettrica e il gran numero di soggetti coinvolti, si capisce che mantenere tutto in constante equilibrio non è una cosa da poco. Per questo motivo è evidente che l’attività degli apparati di produzione deve necessariamente essere programmata in anticipo in modo da ottenere, nel loro insieme, il risultato voluto. La programmazione è fondamentale e le varie produzioni vengono organizzate in base ad una stima dei consumi. Partendo da questa poi, durante la giornata, vengono fatti tutti gli eventuali aggiustamenti per compensare gli scostamenti tra la previsione e il consuntivo.

L’andamento quotidiano dei consumi effettivi e quello dei consumi previsti può essere osservato sull’apposita pagina web Terna dedicata ai carichi.

Come detto, mantenere in equilibrio un sistema elettrico non è semplice, ma c’è un aspetto che tende a complicare ulteriormente le cose: non tutte le fonti di produzione sono programmabili, ovvero, non tutte possono essere modulate per seguire esattamente le richieste di consumo. Si tratta, appunto, delle cosiddette fonti non programmabili. Tale carattere deriva da questione tecniche, per cui in sostanza la risorsa utilizzata per produrre energia non è controllabile (esempio tipico: il sole, il vento e il calore della terra).

Il problema è che lo sviluppo di nuove fonti di energia rinnovabile negli ultimi anni è basato proprio su fonti non programmabili come fotovoltaico ed eolico, mentre le bioenergie risultano, almeno in parte, programmabili.

Se non bastasse, fotovoltaico ed eolico oltre a non essere programmabili sono anche caratterizzati da intermittenza, ovvero possono variare la loro produzione in modo considerevole in tempi brevi.

E’ evidente, quindi, che non programmabilità e intermittenza sono due caratteristiche che contrastano con la necessità di mantenere in equilibrio il sistema elettrico. In pratica la presenza di fonti di questo tipo richiede di effettuare molti più aggiustamenti per riuscire a far coincidere la produzione con i consumi. Tale onere ulteriore spetta alle fonti programmabili, che oltre ad adattarsi alle normali fluttuazioni dei consumi devono adattarsi anche alla produzione delle fonti non programmabili e intermittenti.

Dopo questa premessa, andiamo quindi a vedere tutti i grafici con i valori orari medi relativi ad un intero anno:

Produzione elettrica netta oraria per fonte in Italia nel 2015 - valori medi annualiProduzione elettrica netta oraria per fonte in Italia nel 2016 - valori medi annualiProduzione elettrica netta oraria per fonte in Italia nel 2017 - valori medi annualiProduzione elettrica netta oraria per fonte in Italia nel 2018 - valori medi annualiProduzione elettrica netta oraria per fonte in Italia nel 2019 - valori medi annualiProduzione elettrica netta oraria per fonte in Italia nel 2020 - valori medi annualiUtilizzare dei valori medi annuali ha il vantaggio della sintesi ma ovviamente riduce la possibilità di rappresentare in maniera dettagliata il contesto. Ad esempio, la variabilità di una fonte come l’eolico nei valori medi annuali risulta poco evidente, come pure la notevole potenza di picco raggiunta dal fotovoltaico.

Si possono comunque fare diverse considerazioni.

Innanzitutto la disposizione delle fonti nel grafico non è casuale: le prime tre fonti in basso (geotermica, eolica e fotovoltaica) sono quelle non programmabili. Quindi tutto ciò che sta sopra deve adattarsi per far coincidere la produzione con la curva dell’energia richiesta.

Aggiungendo alle precedenti le altre due fonti superiori (idrica e termica bio) otteniamo l’insieme delle fonti rinnovabili, la cui incidenza può quindi essere osservata e valutata.

Ancora al di sopra abbiamo quindi la principale fonte non rinnovabile, la termica fossile.

Infine abbiamo due sistemi che hanno come caratteristica quella di poter funzionare sia in produzione che in assorbimento di energia e per questo risultano molto utili per seguire il carico dei consumi. Il Saldo estero consente di importare o esportare energia dai paesi vicini. In condizioni normali in Italia importiamo energia; se la esportassimo il valore nel grafico sarebbe negativo. I pompaggi idrici sono un vero e proprio accumulo di energia: la assorbono quando l’acqua viene pompata dai bacini inferiori a quelli superiori; la restituiscono nel caso contrario. Nel grafico risulta evidente solo la prima fase, mentre la seconda è “nascosta” dentro la normale produzione idrica.

Detto ciò, la prima osservazione da fare è che l’andamento dei consumi ha delle discrete variazioni durante la giornata: da tarda notte fino alle prime ore della mattina i consumi sono più bassi (carico di base), mentre per il resto delle ore centrali sono più elevati (carico di picco). Si può notare poi una piccola “valle” a metà giornata che tende a creare due picchi: uno la tarda mattina, l’altro la sera. Nei singoli valori giornalieri le differenze tra questi due picchi possono essere più evidenti. In genere il picco serale è più elevato durante l’inverno, mentre quello mattutino è più elevato l’estate.

Da notare che il profilo dell’energia richiesta per i consumi è quello determinato sottraendo eventuali pompaggi ed esportazioni di energia del saldo estero (è la linea nera più bassa). Nei grafici medi annuali si notano solo dei leggeri pompaggi durante la notte, quando i bassi consumi tendono ad incrementare l’incidenza delle fonti non programmabili, e ancora più leggeri a metà giornata, a causa della maggiore incidenza della produzione fotovoltaica.

In pratica la regola generale è che le fonti programmabili devono adattarsi alla produzione delle fonti non programmabili (le tre in basso) per riuscire a stare dentro alla curva dei consumi richiesti.

Si può notare subito come la fonte che svolge maggiormente questo ruolo è quella idrica, che riesce a variare la propria produzione di quasi tre volte (e ricordate che si tratta di valori medi annuali). Nel dettaglio si può osservare come la produzione cresca durante il primo picco della mattina, si riduca poi leggermente per adattarsi al picco di produzione fotovoltaica e infine si incrementi ancora in maniera più consistente nel picco serale (quando il fotovoltaico è completamente assente o quasi).

E’ evidente, quindi, che la produzione fotovoltaica, pur non essendo programmabile, riesce con il suo andamento “a collina” ad incastrarsi abbastanza bene con il primo picco dei consumi (quello mattutino), mentre manca quasi completamente quello serale, tanto che è necessaria una maggiore produzione idrica per compensare. Oltretutto la produzione fotovoltaica in questa fase va in controtendenza, ovvero tende a calare mentre la curva dei consumi tende a crescere, creando quindi una maggiore necessità di essere sostituita da altre fonti in tempi brevi (situazione sempre critica nel sistema elettrico).

Come si vede in ambito rinnovabile anche la fonte termica bio ha una certa programmabilità, ma in termini assoluti la fonte che rende disponibili più GW per compensare le fonti non programmabili e seguire i consumi è la fonte termica fossile. Il principio di distribuzione della produzione sui due picchi è lo stesso descritto per la fonte idrica.

Anche il saldo estero ha un comportamento simile e, come detto, in caso di bisogno, per compensare un eccesso di produzione non programmabile rispetto ai consumi richiesti, può far segnare valori negativi (esportazione di energia). Stesso discorso per i pompaggi, che sono un vero e proprio sistema di accumulo dell’energia.

L’utilizzo di queste due ultime soluzioni a volte è necessario perché le fonti di produzione programmabili possono ridurre la propria produzione ma non possono scendere sotto certi limiti, per questioni tecniche relative al loro funzionamento e perché devono comunque essere presenti e attive per poter svolgere la loro funzione di compensazione. In sostanza, soprattutto le centrali termiche, è ovvio che non possono essere fermate tutte completamente perché un’eventuale ripartenza richiede tempo (con valori diversi a secondo del tipo di centrale).

A parte tutte queste dinamiche, ovviamente i cambiamenti dei valori orari di una fonte da un anno all’altro dipendono anche dal variare delle produzioni annuali. Anche in questo caso le fonti non programmabili sono quelle che fanno da riferimento; se crescono le altre tenderanno a ridursi per compensare, a meno che i consumi non siano cresciuti. Da dire che anche la fonte idrica, pur essendo programmabile, rientra tra quelle che hanno una naturale ed inevitabile variabilità di produzione da anno ad anno.

Da tutto quanto detto finora risulta ovvio che la possibilità di espandere la produzione da fonti rinnovabili intermittenti non programmabili passa dall’utilizzo di queste soluzioni:

#1. Una certa presenza di impianti di produzione di energia flessibili e programmabili che siano in grado di compensare la variabilità delle fonti rinnovabili non programmabili (la cosiddetta funzione di backup). Come visto tale funzione può essere svolta molto bene sia da fonti rinnovabili come l’idroelettrico (e in parte minore dalle bioenergie), sia da fonti fossili (con alcune differenze in base alla tecnologia e al combustibile utilizzati). Risultano invece poco utili, se non addirittura dannose, le fonti di produzione caratterizzate da elevata continuità e rigidità di produzione, come ad esempio la nucleare (vedi quanto scritto qui).

#2. Sistemi di accumulo dell’energia prodotta durante i picchi di produzione delle fonti rinnovabili non programmabili, per utilizzarla poi quando serve. Si possono distinguere sistemi di accumulo specializzati nel gestire cicli di carica e scarica di breve-medio termine (ore, giorni) e di medio-lungo termine (mesi, stagioni). Tale distinzione non è di poca importanza perché definisce le caratteristiche degli accumuli stessi.

Quelli di breve-medio termine devono offrire adeguate potenze ma non necessitano di grandi capacità di accumulo perché vengono fatti “ruotare” spesso. Ad esempio, un accumulo da 100 MW della durata di 4 ore (400 MWh di capacità) sembra insignificante rispetto ai consumi che abbiamo in Italia, ma in realtà se viene usato su un ciclo di carica e scarica giornaliero l’energia accumulata nel corso di un anno arriva a ben 146 GWh (400*365). E’ evidente che in questo ambito bastano quindi pochi GW per accumulare diversi TWh di energia. In Italia abbiamo già 3.975 MW di impianti a pompaggio puro e altri 3.353 MW di impianti misti (che utilizzano anche apporti naturali) e nel complesso sono riusciti ad accumulare in un anno quasi 8 TWh come massimo storico. Per i dati vedere il documento “Impianti di generazione” e “Produzione” nella pagina delle statistiche Terna.

Di questi impianti ne possono essere costruiti degli altri, ma attualmente in questo ambito stanno prendendo sempre più piede gli accumuli elettrochimici (batterie) che hanno il vantaggio di poter essere realizzati facilmente in ogni luogo. Considerando sia gli accumuli diffusi al servizio di piccoli e medi impianti in autoconsumo che quelli più grandi al servizio di impianti di produzione di grande scala o della rete elettrica, ormai in Italia tra installazioni e progetti sono previsti già diversi GW di batterie (secondo queste statistiche nel primo trimestre 2022 in Italia siamo a 527 MW per 977 MWh di capacità, ma con una tendenza ad accelerare. Solo Enel ha in corso diversi progetti di grandi impianti a batteria.

Gli stoccaggi di medio-lungo termine devono invece offrire grandi capacità di accumulo e senza avere perdite nel tempo. Tali accumuli sono necessari per spostare l’energia su periodi più lunghi, ad esempio, dall’estate all’inverno. Allo stato attuale della tecnologia in questo ambito l’unica soluzione di accumulo praticabile sembra essere quella “chimica”, ovvero la produzione di idrogeno e derivati attraverso l’elettrolisi. Il principale vantaggio di tale sistema è che le capacità di accumulo sono enormi, infatti si tratterebbe di gestire lo stoccaggio di una normale materia prima energetica come già oggi avviene per il gas o i prodotti petroliferi. Basta sapere che in Italia, ad esempio, nel 2022-23 solo gli stoccaggi di gas disponibili ammontano a 16,48 miliardi di metri cubi, pari a 180 TWh di energia termica (vedere i dati qui). E ci sono da considerare poi anche gli stoccaggi petroliferi. Chi dice quindi che le rinnovabili non hanno futuro perché non esistono sistemi di accumulo di grande capacità, sta mentendo.

#3. Oltre a backup e accumuli, come visto un ruolo molto importante nel gestire la variabilità della produzione delle rinnovabili lo giocano gli scambi di energia, sia con l’estero, sia tra zone interne al paese. Poter trasferire altrove gli eccessi di produzione e ricevere energia durante i periodi di scarsità di produzione, risulta fondamentale in un contesto di fonti intermittenti e non programmabili. Già oggi l’Italia riesce ad avere notevoli scambi interni e con l’estero, ma questa capacità può essere sicuramente incrementata e diversi progetti in corso da parte di Terna vanno in questa direzione (vedere una lista qui).

#4. Oltre che gestire il lato offerta dell’energia, volendo può essere gestito anche il lato domanda attraverso una gestione attiva dei consumi. In pratica i consumi possono essere in parte modificati per poter seguire meglio la variabilità di produzione delle rinnovabili. E’ un tipo di attività che può essere facilitata dall’implementazione delle cosiddette “smart grid”.

#5. Infine una possibile soluzione può essere quella di una modulazione degli eccessi di produzione delle fonti rinnovabili non programmabili. Può sembrare una soluzione estrema e dannosa ma in realtà in molti contesti tagliare le punte di produzione in eccesso può risultare più semplice ed economico che trovare sistemi per gestire quell’energia. Va considerato che se i picchi vengono tagliati, la base può comunque continuare ad espandersi e con essa la produzione rinnovabile.

Utilizzare un mix delle soluzioni sopra elencate può tranquillamente portare ad utilizzare percentuali di energia rinnovabile molto elevate e prossime al 100%, con la prospettiva in futuro, se necessario, di avere anche un 100% pieno.

Bisogna sempre considerare che comunque la gran parte dell’energia rinnovabile non programmabile prodotta in un anno è destinata ad essere consumata subito, senza particolari necessità di essere accumulata o trasportata altrove, questo perché, come visto, la produzione solare tende a combaciare abbastanza bene con la curva dei consumi giornalieri. Non solo, anche la variabilità stagionale del fotovoltaico e dell’eolico, che potrebbe creare problemi e richiedere grandi accumuli di medio-lungo termine, è in realtà inferiore a quanto molti pensano, perché si tratta di due fonti che si compensano bene a vicenda. L’eolico infatti produce più d’inverno rispetto all’estate, compensando la minore produzione del solare fotovoltaico. Per verificarlo si possono consultare ad esempio i dati dei rapporti mensili Terna.

Tutto ciò significa che anche in assenza di particolari interventi, un normale sistema elettrico come quello che abbiamo oggi in Italia è già in grado di gestire elevate percentuali di produzione rinnovabile.

Per chiarire meglio questo concetto può essere utile mostrare alcuni grafici relativi a singoli giorni “estremi”, ovvero caratterizzati da bassi consumi e/o alta produzione rinnovabile non programmabile. In tali giorni viene registrata un’alta incidenza di fonti rinnovabili non programmabili e rappresentano quindi un anticipo di quello che in futuro potrebbe diventare la normalità.

Ad esempio, il giorno di pasqua 2020 è perfetto, perché oltre ad avere i tipici bassi consumi dei giorni festivi è anche influenzato dalla chiusura delle attività per coronavirus:

Produzione elettrica netta oraria per fonte il 12/04/2020Rispetto ai grafici con i valori medi si nota subito la notevole potenza di picco raggiunta dal solare fotovoltaico, che nelle ore centrali fa ridurre la produzione delle fonti programmabili flessibili (in particolare l’idrica) su valori addirittura inferiori a quelli notturni. Queste compensazioni non bastano, perché come detto le fonti programmabili per vari motivi non possono scendere sotto certi livelli, quindi entrano in gioco gli accumuli dei pompaggi idrici e gli scambi di energia con l’estero (esportazioni) che sottraggono energia al sistema per gran parte della giornata e in particolare nelle ore centrali.

Come già detto, in questa situazione la curva dei consumi richiesti è quella indicata dalla linea nera più in basso (al di sotto dei valori negativi).

Si può notare come in una giornata di questo tipo il sistema elettrico sia in grado di gestire a metà giornata una quota di fonti rinnovabili non programmabili del 59,6% e rinnovabili complessive dell’80% rispetto all’energia richiesta. Questo accade già oggi, utilizzando le soluzioni per gestire la produzione rinnovabile non programmabile attualmente disponibili. In prospettiva, con il rafforzamento di tali soluzioni, si potrà fare anche di meglio.

Vediamo infine un giorno caratterizzato da consumi un po’ più elevati (ma rimane un giorno festivo) e da una notevole produzione rinnovabile:

Produzione elettrica netta oraria per fonte il 21/05/2017E’ finalmente possibile osservare la variabilità della produzione eolica, come pure il fatto che questa volta, nonostante i consumi più elevati, la fonte termica è molto bassa a causa di un saldo estero più presente in importazione (per giustificare tale situazione ci possono essere motivi economici o tecnici).

In questo caso la quota delle fonti rinnovabili non programmabili a metà giornata è addirittura più elevata del caso precedente, raggiungendo un picco del 61,1% e dell’84,6% come rinnovabili complessive.

Per chi è interessato, sono disponibili anche gli specifici grafici sull’incidenza oraria della produzione rinnovabile nel suo complesso durante l’anno.

Volendo dare qualche altro dato statistico, fino al 2020 la produzione massima oraria della fonte fotovoltaica è stata di 13,84 GW (10/04/2020 ore 1:00 PM), mentre quella eolica è stata di 7,44 GW (28/12/2020 ore 2:00 PM).

 


Fonti

I dati delle produzioni orarie sono tratti dal sito “Transparency Report” di Terna sezione “Download center”, scaricando i dati della voce “Renewable generation” (tutte le fonti) ed “Energy balance” (Net foreign exchange, Photovoltaic, Pumping consumption, Self consumption, Thermal).

I vari dati sono stati aggregati ed elaborati per dare una rappresentazione più dettagliata e corretta possibile. In particolare si è cercato di scomporre la voce “Self consumption” nelle effettive fonti di produzione. Una parte è sicuramente data dalla differenza tra la produzione fotovoltaica della sezione “Renewable” con quella “Energy balance”. Osservando le differenze tra i totali dei dati orari e i dati forniti da terna nei suoi rapporti annuali e mensili, si è notato poi un deficit nella produzione termica fossile e bio. Il resto della voce “Self consumption” è stato quindi scomposto in queste due fonti applicando una medesima suddivisione percentuale ai valori orari in modo da far avvicinare i totali con quelli dei rapporti Terna.

I dati orari Terna sono da considerare provvisori fino al rilascio delle statistiche ufficiali annuali del medesimo periodo.

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