Sviluppo di un MODello sostenibile di sistema serra a

ATS INNOVA
C.S.A. sas Capofila ATS INNOVA
Responsabile scientifico Carlo Alberto Campiotti-ENEA
Progetto: Trasferimento di innovazioni tecnologiche e colturali nel processo di produzione del
sistema serra per il miglioramento economico, la sostenibilità ambientale ed energetica della filiera
delle colture protette in Sicilia.
Il fotovoltaico applicato alle serre in Sicilia
INTRODUZIONE
La Sicilia detiene più del 32% degli impianti serricoli italiani, pari a circa 9.000 ha (100.000 serre),
localizzati prevalentemente lungo la fascia costiera meridionale, in primo luogo nella provincia di
Ragusa. Questa, con 5000 ettari di serre e 388.881 tonnellate di prodotti orticoli (pomodoro,
peperone, zucchina e melanzana) occupa nell’insieme circa il 90% della produzione in serra e
produce un quinto di tutti gli ortaggi nazionali rappresentando uno dei distretti serricoli più
importanti in Europa con valori economici della produzione stimati non inferiori a 120.000
Euro/ettaro. Le principali aree serricole nell’isola, dove la produzione di prodotti orticoli in serra
rappresenta una componente tra le più importanti del tessuto socio-economico, ricadono in alcuni
comuni come Ispica, Pachino, Ragusa,Vittoria, Scicli ed Acate. Pertanto, è evidente la necessità di
uno sviluppo di serre dotate di impianti e strutture per consentire una modulazione ottimale dei
parametri microclimatici secondo le esigenze biologiche ed agronomiche delle colture e in relazione
alle diverse fasi di crescita e di sviluppo delle piante durante il ciclo colturale.
Aziende che producono in serra e in pieno campo in Sicilia
COLTIVAZIONI
Numero di aziende
Numero di aziende
Numero di aziende
Numero di aziende
che producono
che producono in pieno
che producono in
che producono in pieno
in serra (anno 2005)
campo (Anno 2005)
serra (Anno 2007)
campo (Anno 2007)
Floricoltura
120
68
22
187
Orticoltura
3510
10865
3314
12778
Pomodoro
2805
3104
1905
3319
Per quanto riguarda in modo specifico le richieste di energia per il riscaldamento delle serre, in
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Italia si passa dai 3÷5 kg/m /anno di gasolio delle aree che ricadono nella fascia costiera
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meridionale della Sicilia, fino ai 40÷50 kg/m /anno di gasolio richiesti per le regioni settentrionali.
Attualmente, la serricoltura siciliana, su una superficie di circa 9000 ettari, presenta una percentuale
di serre non superiore al 2% dotata di impianti di condizionamento termico invernale, utilizzati
soprattutto da aziende florovivaistiche, e costituiti in massima parte dalla installazione di una
semplice caldaia da 120÷150.000 Kcal/h per ogni serra di 1000 m2, con canalizzazione dell’aria
calda erogata. Soltanto eccezionalmente nella serricoltura siciliana si ricorre al condizionamento di
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altri parametri climatici (luminosità-umidificazione-deumidificazione-ventilazione artificiali), se si
esclude la superficie destinata alla coltivazione programmata del crisantemo (circa 40 ettari).
Per contro, se ancora poco è stato fatto per sopperire alle limitate necessità di riscaldamento termico
nel periodo ottobre-marzo, praticamente la serra non viene utilmente utilizzata nei periodi caldi
(maggio-settembre) per la mancanza totale di impianti di climatizzazione per il controllo delle alte
temperature, con una totale penalizzazione dell’attività delle imprese serricole, in quanto la maggior
parte dei serricoltori interrompe i cicli colturali piuttosto che sostenere i costi di installazione e
soprattutto di esercizio di impianti di raffrescamento.
ANALISI DELLA DISPONIBILITA’ ENERGETICA
Per l’Italia, geograficamente compresa tra le latitudini 35° e 45° Nord, la radiazione solare media
incidente ha un valore globale pari a 1000-1100 kWh/m2*anno per le regioni settentrionali e di
1300-1350 kWh/m2*anno, equivalenti all’energia contenuta in 90÷120 kg di gasolio, con rapporti
tra radiazione estiva e invernale di 6÷7 al Nord e di 3,5÷4,5 al Sud, con punte di irraggiamento
medio annuo fino a 1600÷1800 kWh/m2 per alcune aree specifiche della Sicilia quali: la piana di
Gela, le zone di Mazara del Vallo, Marsala, Vittoria e la piana di Catania e la zona pianeggiante di
Trapani Birgi (ENEA, 2000).
Tali valori indicano che la risorsa solare disponibile se razionalmente sfruttata con moduli solari
fotovoltaici, integrati da sistemi e tecniche adeguate di stoccaggio e distribuzione dell’energia
prodotta, sarebbe in grado di garantire una una produzione di energia elettrica sufficiente per le
utenze energetiche delle serre (ventilazione e/o raffrescamento) durante i periodi di caldo intenso,
oltre alle richieste annuali di pompaggio di acqua e di motorizzazioni per la serra.
Purtroppo, uno studio sistematico ed esauriente sulla struttura tecnica e tecnologica di sistemi serra
innovativi in grado di utilizzare la risorsa solare per la climatizzazione sia estiva sia invernale, con
le specifiche sugli aspetti funzionali e tipologici di ordine costruttivo in relazione agli aspetti
climatici, colturali e produttivi di specifiche aree serricole, non è ancora compiutamente e
praticamente disponibile per le imprese del comparto delle Colture Protette.
Il Progetto INNOVA ha proposto agli agricoltori lo sviluppo di un sistema serra provvisto di moduli
solari FV per la produzione di energia elettrica, da installare adiacenti o integrati alla struttura della
serra (sopra i corridoi interni e in adiacenza ai laterali esterni della serra). In questo modo, l’energia
elettrica fotovoltaica prodotta soprattutto durante le stagioni primavera-estate sarebbe sufficiente
per evitare mediante l’attivazione di sistemi di ventilazione o raffrescamento (sistemi cooling) le
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forti escursioni termiche nei mesi di transizione stagionale, che spesso condizionano negativamente
i parametri che si riferiscono alla qualità delle produzioni (per il pomodoro: vitamina C, contenuto
di zuccheri, acidità titolabile e la loro interazione ai fini del gusto del frutto).
LA RISORSA SOLARE PER LA CLIMATIZZAZIONE SOSTENIBILE DELLE SERRE
I problemi connessi con l’utilizzazione della risorsa solare per la climatizzazione delle serre sono
riconducibili alla discontinuità dell’energia solare durante l’anno e di conseguenza allo sviluppo di
idonei sistemi e processi sia per accumulare l’energia prodotta sia per distribuirla nella forma più
compatibile con i limiti di rendimento dei pannelli captatori e delle modalità di distribuzione alle
piante.
Facendo riferimento alla quantità teorica di energia che sarebbe possibile produrre con un impianto
fotovoltaico per le richieste energetiche della serra, possiamo dire che in una tipica zona del
Meridione un metro quadrato di moduli fotovoltaici produce un’energia media giornaliera pari a
0,3÷0,4 kWhel nel periodo invernale, e a 0,6÷0,8 kWhel in quello estivo. Le figure che seguono
mostrano l’energia solare disponibile per la penisola italiana.
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Isoradiative a gennaio (kWh/m2)
Isoradiative a giugno (kWh/m2)
L’installazione con sistemi PV genera per l’impresa agricola sia l’autonomia energetica e sia la
produzione di energia elettrica in surplus per la vendita sul mercato dell’energia, tuttavia la
tecnologia della serra fotovoltaica sebbene ormai matura sotto l’aspetto commerciale presenta
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ancora problemi che si riferiscono alla necessità di maggiori dati sulla riduzione di luce all’interno
della serra. Un ulteriore elemento di studio che richiede maggiori approfondimenti è rappresentato
dalla necessità di definire tipologie di serra fotovoltaica capaci di integrarsi in modo virtuoso con le
economie agricole locali, i contesti territoriali e i vincoli paesaggistici (1 MW fotovoltaico richiede
fino a 3 ha di terreno se consideriamo la necessità di servizi e strutture di supporto). Purtroppo,
l’attuale legislazione comporta un puzzle di norme e di criteri che spesso indirettamente favoriscono
la proliferazione di impianti non agricoli. Una particolare applicazione della serra fotovoltaica
prevede l’accoppiamento con sistemi serra semi-chiusi e controllati. Infatti, questa tipologia di serra
avanzata consente sia di massimizzare la produttività e la qualità delle colture vegetali e sia di
favorire significativi risparmi di energia, di acqua e di emissioni di CO2.
La tipologia definita serra building, infatti, consente di ottenere numerosi vantaggi nei confronti
delle serre tradizionali, tra i quali i più importanti sono: (a) uso di energia rinnovabile, (b)
applicazione di protocolli di sicurezza alimentare e certificazioni ambientali, (c) massimizzazione
dei sesti d’impianto per le piante mediante bancali idroponici multi-livello che consentono lo
sfruttamento ottimale del volume dell’ambiente protetto, (d) riciclo dell’acqua e dei nutrienti, (e)
minimizzazione degli impatti visivi ed ambientali sul territorio, (f) coefficienti di trasmissione del
calore pari a 1/10 di quello di una serra tradizionale (mediamente pari a 5-6 Wm-2K-1). Nel caso di
colture vegetali con basse esigenze luminose si possono utilizzare sistemi luminosi di tipo LED
(Light Emitting Diodes) per integrare la luce naturale mediante l’impiego di moduli fotovoltaici per
produrre l’energia elettrica necessaria.
IL SISTEMA FOTOVOLTAICO
Un impianto fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici
che captano l’energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile
all’utilizzazione da parte dell’utenza.
I sistemi fotovoltaici sono classificabili rispetto alla loro eventuale connessione alla rete elettrica:
- gli impianti senza accumulo e collegati alla rete elettrica (grid connected)
- gli impianti con accumulo (stand alone).
Questi ultimi sono provvisti di accumulatori per accumulare durante il giorno, nelle ore di sole,
l'energia elettrica da utilizzare poi durante la notte o quando il sole è coperto.
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I moduli fotovoltaici sono caratterizzati da disposizioni in serie/parallelo di celle, al fine di produrre
una certa Potenza di picco, sotto una data Tensione. (Fig. 1), entrambe funzione dell’irraggiamento
solare istantaneo.
Fig. 1. (Tratto da Castello S.- Aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. – ENEA)
La caratteristica di variabilità di tensione e corrente in uscita dal generatore fotovoltaico al variare
dell’irraggiamento solare mal si adatta alle specifiche dell’utenza, che spesso richiede corrente in
alternata, per alimentare direttamente il carico o per il collegamento alla rete elettrica di
distribuzione, nonché un valore costante per la tensione in uscita dal generatore. Per ovviare a
questo problema si inseriscono due apparecchi elettronici: il primo è un sistema di condizionamento
della potenza, mentre il secondo è un sistema di conversione da corrente continua ad alternata, detto
‘inverter’(Fig. 2).
Il condizionamento della potenza, DC/DC converter, serve anche per l’inseguimento del punto di
massima potenza del generatore fotovoltaico.
Le caratteristiche di uscita dell’inverter riguardano invece il valore della tensione e della frequenza
di uscita, la distorsione armonica, il controllo del fattore di potenza e la presenza o meno delle
protezioni di massima e minima tensione e frequenza.
Finalità del condizionamento di potenza
– Impianti isolati
• Adatta le caratteristiche del generatore PV all’utenza
• Gestisce l’accumulo (continuità dell’alimentazione in assenza di sole)
– Impianti collegati alla rete
• Converte la corrente continua in alternata
• Adatta il generatore PV alla rete (MPPT)
• Controlla la qualità della potenza immessa in rete (distorsione e rifasamento)
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Fig. 2. (Tratto da Castello S.- Aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. – ENEA)
L’impianto fotovoltaico dotato di accumulatore permette di poter aumentare l’autonomia energetica
accumulando l’energia prodotta in eccesso in eventuali fasi di surplus per poi rilasciarla in periodi
di deficit energetico.
Nei sistemi fotovoltaici il generatore è quindi collegato a seconda dei casi, alla batteria, agli
apparecchi utilizzatori o alla rete, tramite un sistema di controllo e condizionamento della potenza.
Nei sistemi isolati il sistema di condizionamento della potenza adatta le caratteristiche del
generatore fotovoltaici a quelle dell’utenza e gestisce il sistema di accumulo attraverso il regolatore
di carica.
In particolare il regolatore di carica serve sostanzialmente a preservare gli accumulatori da un
eccesso di carica ad opera del generatore fotovoltaico e da un eccesso di scarica dovuto
all’utilizzazione, entrambe condizioni nocive alla salute e alla durata degli accumulatori.
Ovviamente, essendo la captazione dell’energia legata alla radiazione solare, l’angolo di azimuth e
di ‘tilt’ del pannello solare PV determinerà il valore di tale energia captata e convertita in energia
elettrica. I grafici sottostanti mostrano l’andamento della variazione in funzione dei due parametri e
della stagione per un pannello orientato a Sud (Fig. 3).
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Fig. 3. (Tratto da Castello S.- Aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. – ENEA)
Lungo le coste dell’Italia Meridionale ed Insulare domina un clima a grande scala di tipo
mediterraneo, con livelli di irraggiamento medio annuo che, sebbene inferiori a quelli dei climi
desertici a pari latitudine (es. California e Nevada), sono del tutto accettabili per applicazioni
pratiche (1700÷1900 kWh/m2/anno in specifiche aree della Sicilia, della Sardegna e della Puglia.)
Nelle tabelle seguono si riportano dati riferiti alla produzione di energia elettrica con sistemi FV.
ELETTRICITA’ FOTOVOLTAICA PER I SISTEMI SERRA
Radiazione su piano orizzontale
Radiazione
Dicembre
Luglio
2
(kWh/m /giorno)
Medio
annuo
o ore eq.
Milano
1.2
6.3
3.8
Roma
1.6
6.6
4.1
Palermo
2.0
6.8
4.4
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Radiazione su piano inclinato
(con angolo pari alla latitudine)
Radiazione
Dicembre
Luglio
Medio
(kWh/m2/giorno)
annuo
o ore eq.
Milano
2.6
5.6
4.4
Roma
3.1
5.8
4.7
Palermo
3.5
5.9
5.0
NOTA: le ore-equivalenti rappresentano il numero di ore di insolazione nell'arco dell'anno riportate alla condizione
di irraggiamento nominale (1000 W/m²). Nota la potenza nominale dell'impianto, è possibile calcolare immediatamente
l'energia associata (nella pratica tuttavia la potenza è l’85% di quella nominale).
Le tabelle che seguono mostrano la capacità produttiva degli impianti fotovoltaici in Italia.
Capacità produttiva di un impianto fotovoltaico con moduli FV differenti
Località geografica
Moduli in silicio
Moduli in silicio
Energia utile
cristallino
policristallino
per
1kWp installato
kWh/(m2 x anno)
kWh/(m2 x anno)
kWh/(m2 x anno)
Nord Italia
150
130
1.080
Centro Italia
190
160
1.350
Sud Italia
210
180
1.500
Fonte: ENEA, 2005
Capacità produttiva di un impianto fotovoltaico a differenti latitudini
Località geografica
Radiazione solare
Elettricità prodotta (in corrente alternata)
(kWh/(m2x anno)
da un sistema di 1 kWp
(moduli fotovoltaici in silicio cristallino)
Nord Italia
1400 - 1500
1000 - 1100
Centro Italia
1700 - 1800
1300 - 1400
Sud Italia
1950 - 2050
1450 - 1600
Fonte: da fonti differenti (ENEA, ENEL, GRTN)
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CONCLUSIONI
Per le utenze elettriche dei sistemi serra si prospetta una potenzialità concreta per la copertura
integrale mediante il fotovoltaico delle utenze che richiedono energia elettrica.
In particolare, le attività dimostrative in corso sono focalizzate soprattutto sulle seguenti tematiche :

metodologie per la migliore combinazione della superficie necessaria di pannelli fotovoltaici per
coprire i livelli di energia richiesti dalla climatizzazione primavera- estate delle serre;

programmazione della disponibilità di energia fotovoltaica rispetto alle domande energetiche del
sistema serra (sia di minima sia di massima);

ottimizzazione dei periodi di climatizzazione fotovoltaica in relazione al periodo temporale, alle
fasi di sviluppo fisiologico delle piante, alle condizioni climatiche esterne;
BIBLIOGRAFIA
Campiotti, C., Balducchi, R., Dondi, F., Genovese, N., Alonzo, G. and Catanese, V. 2007 a.
Renewable energy for greenhouses. (in Italian). ENEA report RT/2007/32/BAS.
Castello s.- aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica. – ENEA
ENEA and University of Palermo. 2000. Studio di fattibilità e valutazione sull’utilizzo di varie fonti
energetiche per le serre in Sicilia (in Italian).
European Commission. Green Paper - A European Strategy for Sustainable, Competitive and
Secure Energy (COM(2006) 105 final).
EU energy policy. Integrated energy and climate change package (COM(2007)1 final) (8/9 March
2007).
Rocamora, M.C. and Tripanagnostopoulos, Y. 2006. Aspects of PV/T solar system application for
ventilation needs in greenhouses. Acta hort. 719.
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