Eclissi e radiazione solare

Evidenze sperimentali in Casaccia

A causa dell’eclissi solare di venerdì mattina 20 marzo 2015, parziale sull’Italia, il gestore nazionale della rete elettrica Terna ha chiesto ai produttori di energia da fonte solare (e anche eolica) di staccare dalla rete gli impianti con taglia (potenza) uguale o superiore a 100 kW (chilowatt): è stata una precauzione ragionevole o eccessiva?

Gli impianti solari (per la quasi totalità fotovoltaici) utilizzano la potenza trasportata dai raggi per produrre energia elettrica o aumentare il contenuto energetico di un termovettore (acqua calda, ad esempio). Durante un’eclissi di Sole, per qualche ora, la Luna s’interpone gradualmente fra il Sole e la Terra, impedendo ai raggi solari di raggiungere il nostro pianeta, pertanto una decisa – seppur prevista – riduzione della potenza e il successivo altrettanto rapido aumento nella fase terminale del fenomeno astronomico, determina uno squilibrio sulla rete elettrica fra l’offerta di energia (da parte dei produttori) e la richiesta (degli utenti).
Tutto ciò può causare oscillazioni (più tecnicamente: transitori) difficili da controllare, fino al possibile prodursi di blackout.

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Figura 1 - Centro Ricerche Casaccia (ENEA) - Stazione di acquisizione solarimetrica

Presso il Centro Ricerche della Casaccia, nell’agro romano, a poca distanza dal lago di Bracciano, l’ENEA misura la radiazione solare minuto per minuto. L’attività è condotta ormai da molti anni e ha lo scopo di allestire archivi (database) di dati solari in Italia, nonché servire alla messa a punto dei modelli di comportamento della radiazione solare nell’attraversare l’atmosfera.

È stato, pertanto, possibile confrontare i valori della radiazione solare che è giunta al suolo per tutto il tempo in cui l’eclissi s’è protratta, con quelli misurati nei giorni precedenti, alla stessa ora e nelle medesime condizioni meteorologiche. Il risultato del confronto è mostrato nel grafico di figura 2.

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Figura 2 - Radiazione misurata presso il Centro della Casaccia dell’ENEA, nei giorni 19 e 20 marzo 2015

Nel grafico sono riprodotti gli andamenti della radiazione solare misurata sia nel giorno dell’eclissi (20 marzo, in colore arancione) sia in quello precedente (in verde). Nella giornata del 19 marzo il tempo meteorologico è stato sereno; di conseguenza, l’andamento della radiazione mostra la forma quasi perfetta della curva a campana, che ben si presta ai fini del confronto. Al contrario, nella mattina del 20 marzo è comparso qualche annuvolamento che si è dissolto prima che l’eclissi cominciasse. Poiché le nubi fermano con grande efficacia la radiazione proveniente dal Sole, attenuando l’intensità di quella che riesce a raggiungere il suolo, il loro passaggio davanti al disco solare è ben segnalato sul grafico mediante la presenza di tratti a saliscendi, dall’aspetto tanto più irregolari quanto più variabile è l’evento nuvoloso in atto.

Al contrario il fenomeno dell’eclissi solare si presenta in maniera nettamente più regolare, con le due fasi consecutive di oscuramento e scoprimento del disco solare da parte del corpo lunare, che si succedono con gradualità.

Nel grafico di figura 2 l’effetto sulla radiazione misurata al suolo in Casaccia è ben evidente: l’eclissi inizia alle 9:24 circa (ora CET), quando l’irradianza globale sul piano orizzontale ha raggiunto il valore di 509 W/m2 (watt a metro quadro); negli istanti successivi, con la Luna che si parava sempre più davanti al Sole, tale valore è progressivamente diminuito fino al minimo di 263 W/m2, registrato alle 10:28. Superato il culmine, la Luna ha cominciato a scostarsi progressivamente e i valori d’irradianza hanno ripreso a salire. Alle 11:41, quando il fenomeno è terminato, l’irradianza è risalita al valore di 726 W/m2, in linea con quello atteso allo stesso istante di una giornata serena (qui è utile il confronto con l’andamento del 19 marzo).

Nella seconda parte della giornata il cielo della Casaccia è stato abbastanza sereno, infatti gli andamenti dei due giorni messi a confronto sono sufficientemente sovrapponibili. Si nota comunque la comparsa di ulteriori episodi nuvolosi, di lieve entità, che hanno attenuato la radiazione in misura non significativa.

Un calcolo di prima approssimazione dà l’idea della rapidità con cui è variata l’irradianza durante l’eclissi:

Prima fase:

Durata, dalle 9:24 alle 10:28 = 1,07 ore

Entità della variazione dell’irradianza, in termini percentuali della potenza:

= [(263-509)/509]x100 = -48%

(il segno – segnala che si tratta di una diminuzione)

Rapidità del calo:

= -48% / 1,07 = -45% l’ora

Seconda fase:

Durata, dalle 10:28 alle 11:41 = 1,22 ore

Entità della variazione dell’irradianza, sempre in termini percentuali:

= [(726-263)/263]x100 = +176%

Rapidità dell’aumento:

= +176% / 1,22 = +144% l’ora.

Come si è accennato, sull’Italia l’eclissi è stata parziale: anche nel momento culminante, la Luna ha coperto solo una frazione del disco solare (vedi, ad esempio, la figura 3). In Casaccia, che è una località dell’Italia centrale, la percentuale di massimo oscuramento del Sole è stata del 54%. A latitudini maggiori, sempre sul suolo italiano questa percentuale è stata anche del 66% (ad esempio, in Val d’Aosta): è ragionevole supporre che, dove il cielo sia stato sereno, anche la variazione dell’irradianza dovuta all’eclissi sia stata ancor più accentuata rispetto a Casaccia.

Un calo così consistente e rapido, seguito da un aumento altrettanto ‘estremo’, porrebbe seri problemi di funzionamento alla rete elettrica, qualora gli impianti fotovoltaici connessi fossero numerosi. Va detto che in Italia la produzione di energia elettrica attinge da più fonti (combustibili fossili, idroelettrico ecc.) e quella fotovoltaica vi incide (solo) per il 10-12% in termini di potenza, anche se in certi momenti può arrivare fino al 30%. Ma nonostante il fotovoltaico non sia l’unica fonte, la sua attuale penetrazione fa sì che variazioni di tali entità e velocità comportino l’insorgenza di problemi da non sottovalutare.

 

Figura 3 - Le fasi di oscuramento e scoprimento del disco solare da parte della Luna durante l’eclissi del 20 marzo 2015 a Pescara

(immagine ripresa da: http://aliveuniverseimages.com/rubriche/angolo-degli-astrofili/1243-eclisse-del-20-3-2015)

 

È vero che il passaggio di nubi davanti al Sole può essere, come si è visto, ancora più repentino, intenso e irregolare: perché allora i responsabili della rete elettrica non se ne preoccupano? In realtà, la variabilità associata alle nubi è casuale, e la stessa formazione degli strati nuvolosi ha caratteristiche per lo più locali. Sulla rete tutte queste perturbazioni di segno e intensità differenti si compensano e la produzione complessiva di energia varia con sufficiente gradualità. Per converso, l’eclissi comporta una riduzione e poi un aumento della potenza solare radiativa disponibile al suolo, che avvengono all’unisono e interessano un vasto territorio, nel nostro caso: l’intera regione italiana. È allora ovvio che le ripercussioni sulla rete siano più accentuate.

Come già detto, per prevenire eventi difficilmente gestibili sulla rete nazionale, i tecnici di Terna hanno imposto il distacco preventivo degli impianti fotovoltaici di grossa taglia. Dai dati pubblicati, nella mattina del 20 marzo si è avuto prima un calo di potenza immessa in rete di 3 GW (gigawatt = un miliardo di watt), a cui è seguito, a fenomeno astronomico terminato, un aumento di 5 GW. Come termine di confronto, il totale della potenza elettrica installata in Italia, che utilizza il fotovoltaico, è poco più di 18 GW. In conclusione, forse il distacco degli impianti dalla rete poteva essere evitato: nessun altro paese europeo l’ha imposto. Però l’operazione è stata gestita con successo e nessun disservizio è stato denunciato dagli utilizzatori. L’eclissi ha rappresentato un banco di prova ‘naturale’ per migliorare le procedure da attuare in presenza di rapide e/o ampie variazioni di potenza sulla rete elettrica nazionale.

 

 

A cura di Francesco Spinelli, 24 marzo 2015