Come proteggere gli animali dai fulmini nell’agrivoltaico

I ricercatori della Technische Universität Ilmenau hanno valutato i rischi legati ai fulmini nei sistemi agrivoltaici integrati con allevamenti di bestiame e hanno proposto una serie di strategie di mitigazione e misure di protezione per ridurre i rischi per gli animali.

“Gli sviluppatori di progetti sono generalmente consapevoli che i fulmini possono rappresentare un rischio per il bestiame, soprattutto perché misure di protezione contro i fulmini sono già implementate in strutture agricole come le stalle”, ha dichiarato a pv magazine l’autrice corrispondente della ricerca, Kamila Costa. “Tuttavia, nei sistemi agrivoltaici la situazione è più specifica. Sebbene non si preveda che gli impianti fotovoltaici aumentino la probabilità di fulmini rispetto ai campi aperti, le loro strutture di montaggio conduttive possono modificare la distribuzione del potenziale di terra durante un fulmine. Di conseguenza, possono verificarsi pericolose tensioni di passo e di contatto in luoghi che altrimenti rimarrebbero inalterati in uno scenario di campo aperto”.

Costa ha spiegato che la valutazione della sicurezza dei fulmini per il bestiame rimane complessa, poiché i dati scientifici sulla tolleranza degli animali alle correnti impulsive e alle tensioni di passo e di contatto legate ai fulmini sono limitati e attualmente non sono disponibili valori standardizzati. “Nel nostro lavoro, proponiamo valori di riferimento per il bestiame in condizioni di fulmini; tuttavia, questi limiti non sono standardizzati, il che rende più difficile un approccio sistematico alla progettazione”, ha aggiunto.

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Ha anche affermato che, ad oggi, non sono stati segnalati incidenti causati da fulmini che hanno coinvolto il bestiame negli impianti agrivoltaici. “L’agrivoltaico è ancora un concetto emergente in molti paesi e i progetti su larga scala che integrano l’allevamento del bestiame sono relativamente recenti”, ha continuato. “Il nostro intento è preventivo: identificare e quantificare i potenziali rischi prima che si verifichino incidenti. Un grave evento, un fulmine forte, che colpisce il bestiame raggruppato potrebbe causare perdite economiche significative per gli agricoltori e potenzialmente minare l’accettazione pubblica dei concetti agrivoltaici. Una valutazione tempestiva della sicurezza contro i fulmini contribuisce a rafforzare l’affidabilità e la redditività a lungo termine”.

L’impatto sui costi delle misure aggiuntive volte a ridurre i rischi di fulmini per gli animali dipenderebbe dalla valutazione dei rischi specifica del progetto e dalla progettazione iniziale. “Misure di protezione dai fulmini su misura, come sistemi di messa a terra ottimizzati o l’uso selettivo di misure isolanti o di strati superficiali locali in aree critiche, possono aumentare il costo del sistema di protezione dai fulmini stesso”, ha affermato Costa. “Tuttavia, con una progettazione ottimizzata e specifica per il sito, l’impatto sul costo livellato dell’energia (LCOE) complessivo dovrebbe essere limitato. Uno degli obiettivi della nostra ricerca è proprio quello di sostenere soluzioni tecnicamente efficaci ed economicamente proporzionate, garantendo la sicurezza senza imporre costi inutili”.

Nello studio “Protezione contro i fulmini nei sistemi agrivoltaici: valutazione delle tensioni di passo e di contatto su misura per il bestiame”, pubblicato su Electric Power System Research, Costa e i suoi colleghi hanno identificato i principali meccanismi di lesione da fulmini che colpiscono il bestiame, stabilito limiti di sicurezza per la tensione di passo e di contatto in condizioni di fulmini rappresentative e valutato i progetti dei sistemi di messa a terra (ETS) per ridurre le tensioni pericolose negli impianti agrivoltaici.

I ricercatori hanno osservato che durante i temporali l’accesso degli uomini agli impianti fotovoltaici è limitato, ma il bestiame rimane nei sistemi agrivoltaici e richiede misure di sicurezza dedicate. Sebbene gli impianti fotovoltaici non aumentino la probabilità di fulmini, le loro strutture conduttive possono ridistribuire i potenziali di terra, creando tensioni di passo e di contatto pericolose anche in luoghi distanti dal punto di impatto. Il bestiame è particolarmente vulnerabile a causa delle dimensioni del corpo, della postura e della tendenza a raggrupparsi vicino ai supporti metallici. I principali meccanismi di lesione includono tensione di passo, tensione di contatto, scariche laterali, fulmini diretti, scariche ascendenti ed effetti di fulmini vicini.

Valutare la sicurezza dei fulmini per il bestiame è difficile perché i dati sulla tolleranza degli animali alle tensioni di passo e di contatto sono limitati. Per ovviare a questo problema, il team ha ricavato valori di riferimento dagli standard IEC e IEEE. Ha valutato tre forme d’onda di fulmini rappresentative, stimato le correnti tollerabili sulla base di dati sperimentali relativi ai vitelli e applicato valori conservativi di impedenza corporea. Da questi calcoli, ha determinato le tensioni di passo e di contatto effettive ammissibili per diversi percorsi di corrente. I limiti di tensione prospettici sono stati quindi ricavati tenendo conto della resistenza di messa a terra degli zoccoli, dimostrando che una maggiore resistività del suolo aumenta significativamente le tensioni di sorgente ammissibili.

Il gruppo ha anche verificato se un ETS fotovoltaico convenzionale può proteggere il bestiame in un impianto agrivoltaico con bovini al pascolo. È stato modellato un sito reale per valutare le tensioni di passo e di contatto ed esplorare potenziali miglioramenti della sicurezza. Le simulazioni hanno utilizzato XGSLab con moduli di frequenza e dominio temporale basati sul metodo PEEC per calcolare l’aumento del potenziale di terra e le risposte transitorie. Le strutture di montaggio fotovoltaico, la griglia ETS e le recinzioni sono state modellate con geometrie definite, configurazioni di collegamento e forme d’onda di fulmini LPL III. Sono state prese in considerazione due condizioni di terreno omogenee, umido e asciutto, compreso il comportamento dipendente dalla frequenza, per valutare il loro impatto sulla distribuzione della tensione.

Combinando i risultati di XGSLab con un algoritmo basato su Python, il team ha anche calcolato le tensioni di passo e di contatto potenziali, tenendo conto dell’altezza degli animali, della distanza di passo e delle strutture contattabili. Le analisi nel dominio della frequenza e del tempo hanno mostrato che i fulmini che colpiscono vicino ai bordi dei sistemi agrivoltaici producono il più alto aumento del potenziale di terra e le aree pericolose più estese. Le tensioni di contatto hanno presentato rischi maggiori rispetto alle tensioni di passo, specialmente su terreni asciutti e in prossimità di elementi conduttivi come strutture di montaggio e recinzioni.

Lo studio ha anche evidenziato che la resistività del suolo e la messa a terra delle recinzioni influenzano in modo significativo la distribuzione della tensione. I terreni a bassa resistività riducono le tensioni, mentre le recinzioni collegate possono aumentare i rischi di contatto. I risultati nel dominio del tempo corrispondevano strettamente ai modelli nel dominio della frequenza, ma le simulazioni nel dominio della frequenza si sono dimostrate conservative, più veloci ed efficaci per identificare le zone pericolose e guidare le strategie di mitigazione.

“Nel complesso, i progetti ETS convenzionali ottimizzati per la sicurezza umana potrebbero non proteggere adeguatamente il bestiame in ambienti agrivoltaici”, hanno concluso gli scienziati. “I nostri risultati evidenziano la necessità di norme di sicurezza contro i fulmini specifiche per gli animali e di pratiche di progettazione di messa a terra integrate su misura per i sistemi agrivoltaici”.

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