Quanta elettricità consuma casa tua
Il bollitore sembra costosissimo e il router sembra gratis. Sono sbagliate entrambe le intuizioni, e l'aritmetica che le risolve richiede dieci secondi, una volta che sai dove guardare.
Che cos'è davvero un kilowattora
Livello Base — linguaggio semplice, senza matematica
La tua bolletta è scritta in kilowattora, e il nome ti dice esattamente che cosa sono: mille watt che funzionano per un'ora. Un bollitore da 2000 W consuma un kilowattora in mezz'ora. Una lampada da 10 W ha bisogno di cento ore per consumarne uno. È tutta qui l'idea: l'energia è potenza moltiplicata per tempo, e contano entrambe le metà.
Ed è per questo che l'intuizione sbaglia così tanto. Il bollitore sembra enormemente costoso perché è rumoroso e caldo e la potenza la senti. Ma lo tieni acceso quattro minuti. Il frigorifero è silenzioso e insignificante e non ci pensi mai, e funziona per ottomilasettecentosessanta ore all'anno. Nell'arco di un anno vince comodamente l'elettrodomestico noioso. La regola per riconoscere i grossi è semplice: tutto ciò che produce calore, e tutto ciò che non si spegne mai.
Poi ci sono i due nuovi arrivati che schiacciano tutto il resto. Scaldare l'acqua elettricamente costa caro perché l'acqua è sorprendentemente difficile da scaldare. E ricaricare un'auto elettrica consuma circa 0,18 kilowattora per ogni chilometro, quindi quaranta chilometri al giorno fanno circa sette kilowattora al giorno, più di quanto un piccolo appartamento consumi per tutto il resto messo insieme. Un'auto elettrica non si aggiunge alla bolletta della luce: la raddoppia più o meno, togliendo però una bolletta del carburante che era ancora più grande.
Gioca con i cursori e guarda quale barra è la più lunga. Poi vai a cercare il tuo numero: è stampato sulla bolletta, esattamente in queste unità. Una casa europea tipica consuma fra i due e i quattromila kilowattora all'anno senza riscaldamento elettrico, e due o tre volte tanto con.
Da sapere
- Le cose lasciate in standby - il router, la TV, i caricabatterie, l'orologio del microonde - aggiungono di solito 150-300 kWh all'anno. È un elettrodomestico che non usi mai, acceso in permanenza.
- Bollire un bollitore pieno costa circa 0,15 kWh. Con la stessa energia potresti tenere accesa una lampadina LED moderna per due giorni interi: la differenza sta tutta nel fatto che scaldare le cose richiede molto e illuminarle pochissimo.
- Un'auto elettrica che fa 15.000 km all'anno consuma circa 2.700 kWh, più o meno quanto un'intera famiglia consuma per tutto il resto. Resta molto più economica al chilometro della benzina, ma è un'aggiunta seria al contatore.
Potenza per tempo, ciclo di lavoro e dove si nascondono le sorprese
Livello Studente — le equazioni principali
L'unica formula che serve è \(E = P\,t\), con la potenza in kilowatt e il tempo in ore. Tutto il resto è contabilità. Ciò che rende controintuitivi i consumi reali è il ciclo di lavoro: la frazione di tempo in cui un apparecchio assorbe davvero la sua potenza nominale. Un frigorifero è dichiarato attorno ai 100 W ma il compressore gira forse un terzo del tempo, quindi consuma come un apparecchio da 35 W, in continuo, per un anno: 300 kWh. Un bollitore da 2 kW usato quattro volte al giorno per quattro minuti fa 0,53 kWh al giorno, cioè 195 kWh all'anno. Due apparecchi che sembrano diversi cento volte stanno in realtà entro un fattore due.
Ordina una casa per energia annua e la classifica è quasi sempre la stessa: prima ciò che produce calore, poi ciò che non si spegne mai, poi tutto il resto. Acqua calda elettrica, riscaldamento elettrico, asciugatrici, forni e lavastoviglie occupano i primi posti perché convertono elettricità in temperatura. L'illuminazione, un tempo il carico dominante, è crollata a un errore di arrotondamento: un LED fa il lavoro di una incandescenza da 60 W con 8 W, quindi una bolletta di illuminazione del 2005 è scesa di circa l'85%.
Poi c'è la differenza fra energia e potenza, ed è lì che ci si fa fregare. La bolletta annua è energia; il tuo contatore, l'allaccio e la fascia tariffaria sono potenza. Una colonnina da 7 kW, uno scaldabagno istantaneo da 9 kW e un forno da 3 kW insieme superano il tipico contratto domestico italiano da 6 kW, e il contatore semplicemente stacca. L'elettrificazione non è quindi solo una questione di kilowattora: è la questione se il cavo che entra in casa sia abbastanza grosso per i kilowatt simultanei.
Infine, misura invece di indovinare. Un misuratore da presa costa pochi euro e un contatore intelligente registra il tuo profilo a intervalli di un quarto d'ora. I due numeri da conoscere sono il totale annuo, dalla bolletta, e il tuo carico di base: la potenza che la casa assorbe alle tre di notte. Quel secondo numero, moltiplicato per 8760, è ciò che paghi per assolutamente niente.
Formule chiave
| Energia | \(E = P\,t\) | kW × ore = kWh |
|---|---|---|
| Con ciclo di lavoro | \(E = P\,t\,\delta\) | δ = frazione di tempo acceso |
| Totale annuo | \(E_{\text{anno}} = \sum_i P_i t_i \times 365\) | |
| Carico di base | \(E_{\text{base}} = P_{3\text{:00}}\times 8760\) | il costo di ciò che resta acceso |
| Auto elettrica | \(E = 0.18\ \text{kWh/km}\times d\) | |
| Scaldare l'acqua | \(E = \dfrac{mc\Delta T}{3.6\times10^6}\ \text{kWh}\) | |
| Costo | \(\text{€} = E \times p\) | p ≈ 0,25–0,30 €/kWh |
| Limite di potenza | \(\sum P_{\text{simultanea}} < P_{\text{contratto}}\) | il contatore, non la bolletta |
Da sapere
- Il ciclo di lavoro è il motivo per cui le targhe ingannano. Un frigo da 100 W che gira il 35% del tempo consuma in un anno più di un bollitore da 2000 W acceso quattro volte al giorno, perché 8760 ore battono 100 ore con largo margine.
- Sostituire tutte le lampadine a incandescenza di una casa con LED fa risparmiare circa 300-400 kWh all'anno. È stata la vittoria di efficienza più economica degli ultimi vent'anni, ed è ormai quasi del tutto incassata.
- Il riscaldamento elettrico a resistenza è efficiente al 100% ed è comunque il modo più caro di scaldare qualsiasi cosa, perché una pompa di calore consegna tre o quattro unità di calore con la stessa unità di elettricità. Efficienza e costo sono domande diverse.
Profili di carico, contemporaneità e che cosa fa alla rete elettrificare una casa
Livello Esperto — profondità matematica completa
01Unità, e la confusione che generano
Un kilowatt è una velocità e un kilowattora è una quantità, e quasi ogni discussione pubblica sull'energia contiene almeno un punto in cui i due sono stati scambiati. La distinzione conta perché il sistema elettrico li tariffa separatamente: l'energia con la tariffa, la potenza con il costo di allaccio, la taglia del contatore e, sempre di più, i mercati della capacità. Un'altra trappola è l'energia finale contro quella primaria: 1 kWh consegnato a una presa rappresentava circa 2,5 kWh di combustibile in un sistema termico, ed è per questo che le statistiche nazionali in energia primaria fanno sembrare peggiore l'elettrificazione, e perché quelle stesse statistiche vanno maneggiate con cura man mano che la generazione si decarbonizza.
02Profili di carico e fattore di contemporaneità
Il consumo annuo di una famiglia non dice quasi nulla al distributore; glielo dice la forma. La domanda domestica ha una spalla mattutina e un picco serale netto, e ciò che dimensiona il trasformatore di zona non è la somma dei picchi ma il fattore di contemporaneità: la probabilità che molte case facciano picco insieme. Per un centinaio di abitazioni, dopo la diversificazione, il carico di progetto per casa è una frazione del massimo di ciascuna. Ecco perché la rete di distribuzione ha retto per decenni apparecchi ben più grandi di quanto il cavo potrebbe servire simultaneamente, e perché l'arrivo di carichi correlati nel tempo - tutti che attaccano l'auto alle 18:30 - è un problema davvero diverso dall'arrivo di più energia.
03La coda di ciò che resta sempre acceso
Alla fine degli anni Novanta lo standby fu stimato al 5-10% dell'elettricità residenziale nei paesi sviluppati, il che portò al regolamento europeo da 1 W e ai suoi equivalenti altrove. I dispositivi moderni sono molto migliori presi uno a uno, ma sono molti di più, e gli apparati di rete sempre accesi hanno in parte sostituito i vecchi carichi vampiro. La diagnosi non è cambiata ed è splendidamente semplice: leggi il contatore alle tre di notte. Qualunque cosa segni è un carico permanente, e moltiplicarlo per 8760 di solito produce un numero scomodo.
04Che cosa fa davvero l'elettrificazione
Una casa europea tipica senza riscaldamento elettrico consuma 2-4 MWh all'anno. Aggiungi una pompa di calore e ne guadagna 3-6; aggiungi un'auto elettrica e altri 2-3. La famiglia più o meno triplica la sua elettricità mentre la sua energia primaria totale cala, perché una pompa di calore moltiplica e una trasmissione elettrica converte all'85% contro il 25% di un motore a benzina. Ma il picco cresce più in fretta dell'energia: una colonnina da 7 kW e una pompa di calore da 5 kW accanto al carico di cottura esistente spingono la domanda simultanea oltre molti limiti di fornitura attuali. La transizione energetica, a livello di una singola casa, è soprattutto una storia sulla sezione di un cavo e sull'orario di due carichi.
05Adesso l'orario vale soldi
Le tariffe a fasce, e sempre più quelle agganciate al prezzo orario all'ingrosso, fanno sì che un kilowattora non abbia più un prezzo unico. Spostare la ricarica dell'auto alle ore piccole può dimezzarne il costo, e lo stesso spostamento vale ancora di più per la rete che per il cliente, perché toglie dal picco un carico correlato. Ecco perché la tecnologia residenziale interessante non è più l'elettrodomestico ma il controllore: la cosa che decide quando l'auto carica e quando il serbatoio si riscalda. L'automazione conta perché il comportamento umano è un pessimo meccanismo di risposta alla domanda: le persone rispondono una volta e poi smettono di farci caso.
06Misurare ciò che non si vede
I contatori intelligenti registrano il consumo aggregato con risoluzione di un quarto d'ora o migliore, e il monitoraggio non intrusivo dei carichi tenta di scomporre quel segnale unico nei singoli apparecchi in base alle loro firme di commutazione: il gradino di potenza attiva e reattiva quando parte un compressore, la rampa caratteristica di un bollitore. Funziona bene per i carichi grandi e distintivi e male per quelli piccoli e sovrapposti, e solleva ovvie questioni di privacy, perché una traccia di consumo a grana fine rivela quando una casa è occupata, sveglia e ai fornelli. Il riassunto onesto è che la maggior parte delle famiglie può individuare l'80% del proprio consumo con quattro numeri - riscaldamento, acqua calda, auto e carico di base sempre acceso - e che il dettaglio restante raramente vale la strumentazione.
Formule chiave
| Energia | \(E = \int P\,dt \approx \sum_i P_i t_i\) | |
|---|---|---|
| Fattore di contemporaneità | \(F_c = \dfrac{P_{\text{gruppo,max}}}{\sum_i P_{i,\max}}\) | ben sotto 1 |
| Carico di base | \(E_{\text{base}} = P_{\min}\times 8760\) | |
| Energia primaria | \(E_{\text{prim}} = \dfrac{E_{\text{finale}}}{\eta_{\text{gen}}}\) | ≈ 2,5× per il termico |
| Guadagno con pompa di calore | \(E_{\text{elet}} = \dfrac{Q_{\text{calore}}}{\mathrm{SCOP}}\) | |
| Domanda dell'auto elettrica | \(E = c\,d\) | c ≈ 0,18 kWh/km |
| Costo a fasce | \(\text{€} = \sum_t p_t E_t\) | l'orario, non solo la quantità |
| Limite di fornitura | \(\max_t \sum_i P_i(t) < P_{\text{contratto}}\) | |
Da sapere
- Il fattore di contemporaneità è il motivo per cui una strada di case capaci ognuna di assorbire 15 kW è servita da un trasformatore dimensionato per una frazione di quel totale. Carichi correlati come la ricarica delle auto erodono esattamente quell'ipotesi.
- Una traccia di consumo a un quarto d'ora basta a dedurre quando una famiglia si sveglia, esce, torna e dorme. Le regole sulla protezione dei dati dei contatori intelligenti esistono perché il contatore è, involontariamente, un sensore di presenza.
- Elettrificare una casa alza il suo consumo elettrico e abbassa il suo consumo energetico totale, perché le pompe di calore moltiplicano e i motori elettrici non buttano via due terzi del combustibile in calore. Confrontare le bollette elettriche prima e dopo misura quindi la cosa sbagliata.