Centrali eolicheCentrali eoliche

– Gli aerogeneratori di una centrale eolica sono sostanzialmente costituiti da una turbina eolica (di fatto un elica a una o più pale) collegata ad un generatore elettrico (quasi sempre una macchina asincrona).

Principi di funzionamento e Principi di funzionamento e definizionidefinizioni

- I generatori eolici trasformano l’energia cinetica di una massa d’aria in energia meccanica di rotazione

A= sezione spazzata dalle palev= velocità del vento= densità dell’aria

Principi di funzionamento e Principi di funzionamento e definizionidefinizioni

- La velocità di rotazione della turbina eolica è molto modesta, specie per le taglie più elevate; tipicamente tale valore è dell’ordine di 45-60 giri/minuto.

- Fenomeno causato delle leggi dell’arodinamica (necessità di velocità subsoniche).

- I generatori necessitano quindi di moltiplicatori di giri (problemi: peso, manutenzione, rumore)

Principi di funzionamento e Principi di funzionamento e definizionidefinizioni

- Il rendimento di conversione dei generatori eolici è piuttosto basso; teoricamente il limite superiore è inferiore al 60%, in pratica supera di poco il 40%

Cp= coefficiente di potenza

Principi di funzionamento e Principi di funzionamento e definizionidefinizioni

ProducibilitàProducibilità

- La producibilità dipende innanzi tutto dalla disponibilità di vento costante.

- Date le leggi fisiche dell’aerodinamica (dipendenti dal cubo della velocità) e la grande aleatorietà del vento, è evidente che la producibiltà di questi impianti non può essere elevata.

- L’ attuale producibilità media annua in Italia si aggira sulle 1600 h/anno. Difficilmente si potranno ottenere (anche in futuro) producibilità superiori a 2000 h/anno.

ProducibilitàProducibilità

Tipologie di generatori:Tipologie di generatori: turbina a velocità fissa e passo turbina a velocità fissa e passo

variabilevariabile- Generatore: macchina asincrona a gabbia di scoiattolo.- Sistema di controllo dell’angolo di incidenza delle pale complesso

- Allacciamento alla rete: diretto tramite trasformatore.- Avviamento: dalla rete in corto circuito.- Manutensione: sistema di controllo del passo.

Tipologie di generatori:Tipologie di generatori: turbina a velocità variabile e turbina a velocità variabile e

passo fissopasso fisso- Generatore: macchina sincrona con controllo dell’eccitazione.

- Sistema di controllo della velocità di rotazione tramite inverter (tensione/corrente impressa).

- Allacciamento alla rete: tramite inverter.- Avviamento: tramite inverter + rete/batterie.- Manutenzione: inverter, macchina elettrica (spazzole).

Tipologie di generatori:Tipologie di generatori: turbina a velocità fissa e turbina a velocità fissa e

passo fissopasso fisso- Generatore: macchina asincrona.- Sistema di controllo della velocità di rotazione assente (saturazione per stallo).

- Allacciamento alla rete: diretto tramite trasformatore.- Avviamento: dalla rete in corto circuito.

Allacciamento alla rete Allacciamento alla rete elettricaelettrica

- Un problema generale riguarda la necessità di realizzazione di una linea per il collegamento della centrale eolica al più vicino nodo della rete (di distribuzione).

- L’energia da produzione eolica è non programmabile ed accumularla (batterie) costa troppo; di conseguenza queste centrali non possono essere utilizzate per i servizi di rete.

- Le centrali eoliche installate in sistemi isolati non possono essere utilizzate da sole ma sempre in presenza di altra generazione programmabile (per es.: gruppi elettrogeni)

Allacciamento alla rete Allacciamento alla rete elettrica :elettrica :

macchine a velocità fissamacchine a velocità fissa

- Problemi di variazione di tensione (effetto flicker).- Problemi in fase di avviamento.- Vantaggi legati alla semplicità dello schema.

Grete

Allacciamento alla rete Allacciamento alla rete elettrica :elettrica :

macchine a velocità macchine a velocità variabilevariabile

- Possibili problemi legati alla presenza di armoniche.- Vantaggi in fase di avviamento e per garantire la stabilità della tensione.

Greteac

dc

dc

ac

Mappa del vento in ItaliaMappa del vento in Italia

- E’ stata costruita una procedura per realizzare una mappa del vento tridimensionale relativa a tutto il territorio italiano.

- La mappa è stata realizzata in Italia partendo da un opportuno modello (WINDS) e tarando i risultati sulle misure disponibili sul territorio.

- Il modello è stato sviluppato al CESI e fa parte delle attività relative alla ‘ricerca di sistema’.

- I risultati non sono utilizzabili per definire i siti in maniera precisa, ma sono utili le indicazioni generali.

- Nella figura è riportato il risultato a 50 m dal suolo.

Mappa del vento in ItaliaMappa del vento in Italia

Mappa della velocità media del vento a 50 m. s.l.t.

Possibili siti non convenzionali: Possibili siti non convenzionali: montagnamontagna

- Le aree fino a 1000-1200 m i siti si vanno rapidamente esaurendo.

- Oltre i 1000 m aumentano i problemi autorizzativi (comunità montane, parchi, ecc.) ed i costi (trasporto del materiale, linea di trasmissione, ecc.).

- Per quote fino a 1800-2000 m si ha un consistente aumento del numero di ore equivalenti/anno dei generatori (si stimano almeno 180 h/anno ogni 100 m di aumento di quota) con conseguente riduzione del costo medio di produzione del kWh.

- Ci sono esempi in Austria e Svizzera.

Possibili siti non Possibili siti non convenzionali: off-shoreconvenzionali: off-shore

- In altri paesi europei sono in fase di sviluppo progetti per l’installazione off-shore.

- Vantaggi dovuti alla maggiore costanza del vento e conseguente aumento del numero di ore equivalenti per anno (fino al 30%).

- Maggiori costi dovuti alle fondazioni, in parte compensati da macchine di potenza maggiore (fino a 5 MW).

- Necessità di sfruttare siti con fondali non superiori a 15 m (costo fondazioni).

- In Italia nelle zone con acque non profonde c’è mediamente poco vento. Indicazioni riportate in fig.

Installazioni eoliche in ItaliaInstallazioni eoliche in Italia

Evoluzione potenza eolica Evoluzione potenza eolica installata in Italiainstallata in Italia

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

MW

incremento annuale potenza installata

- L’energia posseduta da una massa di acqua di peso G ad una altezza utile H è pari a

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

- La potenza ottenibile è pari alla derivata

HGW

vvv QHdt

dVH

dt

dGH

dt

dWP

- Tenendo conto dei rendimenti la potenza ottenibile è pari a

vveie QHP

- Le trasformazioni energetiche avvengono:- Nella condotta forzata

- Nel distributore

- Nella girante

- Dalla applicazione del teorema del Bernoulli si possono quantificare tali trasformazioni nelle differenti sezioni

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

g

vpz

g

vpz

22

222

2

211

1

- L’equazione di continuità impone

Centrali idrauliche:Centrali idrauliche:trasformazione nella condotta forzatatrasformazione nella condotta forzata

- Di conseguenza

- Cioè la condotta trasforma l’energia di posizione in energia di pressione (a meno delle perdite di carico)

21 QQ

)( 2112 zzpp

e quindi 21 vv se 21 AA

- L’equazione di continuità impone

Centrali idrauliche:Centrali idrauliche:trasformazione nel distributore e nella trasformazione nel distributore e nella

girantegirante

- Di conseguenza

- Cioè il distributore e la girante trasformano l’energia di pressione in energia cinetica (a meno delle perdite di carico)

21 QQ

)(2

2121

22 pp

gvv

e quindi 2211 vAvA da cui2

112 A

Avv

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

- Il grado di reazione di una turbina è il rapporto tra l’energia potenziale di pressione residua all’uscita del distributore e l’energia potenziale in ingresso.

- La rampa di presa di carico delle turbine idrauliche dipende essenzialmente dai tempi di manovra consentiti dalle condotte forzate; sono comunque molto rapidi (in pochi minuti si può arrivare fino alla potenza massima).

- Le forme dei distributori e delle giranti variano con il tipo di turbina:

- Turbine Pelton- Turbine Francis- Turbine Kaplan

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Centrali idraulicheCentrali idrauliche

Cosa si intende per Cosa si intende per Generazione DistribuitaGenerazione Distribuita

Impianti di generazione di piccola e media taglia (da qualche centinaio di kW a qualche MW) localizzati vicino ai carichi.

Impianti isolati (raramente) o connessi alla rete di distribuzione.

Gli impianti da fonti rinnovabili fanno tipicamente parte di questa categoria.

Tecnologie disponibili per la Tecnologie disponibili per la generazione distribuitagenerazione distribuita

Impianti a fonte rinnovabile: fotovoltaici, eolici, idraulici, biomasse,...

Motori primi convenzionali: alternativi diesel e a gas, turbine a gas.

Motori primi innovativi: microturbine e celle a combustibile.

Alcune limitazioni riguardanti i Alcune limitazioni riguardanti i motori primimotori primi

I motori alternativi diesel e a gas e le celle a combustibile rendono disponibili per l’utilizzazione termica tipicamente fluidi a bassa entalpia (acqua a circa 90 °C).

Sempre per motori alternativi diesel e a gas è possibile utilizzare una parte del calore residuo per ottenere vapore, ma sempre ad entalpia relativamente bassa (gas di scarico disponibili a temperature di circa 200 – 250 °C).

Alcune caratteristiche Alcune caratteristiche tecniche dei motori primitecniche dei motori primi

Motore Diesel

Motore a gas

Turbina Microturb.

Rend. Elettrico 27 - 44 24 - 40 25 - 40 23 - 33

Rend. Totale 85 - 88 85 - 88 80 - 90 70 – 80

Potenza [kW] 3 - 20000 5 - 5000 500-30000 30 - 200

Disponibilità 90 - 94 95 - 97 92 - 96 92 – 97

Nox [ppm] 400 30 - 95 10 - 25 9 – 45

Rumore [db] 70 - 120 70 - 120 75 - 90 70 – 80

Vita [h*1000] 20 - 60 48 - 60 90 - 150 60 - 80

Generatore [€/kW]

200 - 350 250 - 750 300 - 900 800 - 1100

Manuten. [c€/kWh]

0.5 - 3 0.5 - 3 0.3 - 0.8 0.5 - 1

Caldaia Rec.[€/kW]

75 - 150 75 - 150 100 - 200 75 - 350

L’impianto sperimentale dell’Università di Pisa

Condizioni tecnico-Condizioni tecnico-economiche di applicabilità economiche di applicabilità

della GenDisdella GenDis C’è convenienza economica solamente in presenza di cogenerazione.

Dal punto di vista operativo il gruppo può essere gestito:

– Ad inseguimento elettrico

– Ad inseguimento termico

– A generazione programmata (elettrica o termica)

I vantaggi potenziali per I vantaggi potenziali per un auto-produttoreun auto-produttore

Possibilità di effettuare produzione combinata di energia elettrica e calore, sia per uso proprio sia per rivendita; tale opportunità, se ben studiata, comporta in generale una riduzione dei costi energetici.

Sensibile miglioramento della continuità della alimentazione dell’energia elettrica all’utenza dell’auto-produttore e della relativa qualità del servizio.

Quando ricorrono le condizioni per la cogenerazione (IRE):

– l’energia prodotta da questi impianti è “neutra” rispetto ai Cerificati Verdi

– gli impianti hanno priorità di dispacciamento

I vantaggi potenziali per I vantaggi potenziali per un auto-produttoreun auto-produttore

Quali vantaggi introduce la Quali vantaggi introduce la GDGD

(distributori e clienti finali)(distributori e clienti finali) I potenziali vantaggi della GD per i distributori ed i clienti finali

sono proporzionali al livello di penetrazione della generazione stessa.

Tali vantaggi sono inoltre strettamente collegati alla possibilità di una gestione della GD profondamente diversa da quella attuale (che fra l’altro corrisponde ad un livello di penetrazione modesto).

Tra i potenziali vantaggi della GD per i distributori ed i clienti finali si possono ricordare:

– miglioramento della continuità della fornitura e della qualità del servizio;

– riduzione delle perdite di rete;

– differimento dei rinforzi di rete dovuti ad aumento del carico;

– possibili riduzioni delle potenze transitanti nella rete nelle ore di alto carico (peak shaving);

– costi energetici più bassi in virtù della maggiore efficienza energetica.

Quali vantaggi introduce la Quali vantaggi introduce la GDGD

(distributori e clienti finali)(distributori e clienti finali)

Problematiche di interfaccia Problematiche di interfaccia con la retecon la rete

Poiché la rete di distribuzione è passiva e radiale le protezioni sono unidirezionali; pertanto la GenDis deve sottostare a specifiche di allacciamento alla rete molto rigide.

In particolare si deve distaccare dalla rete per mancanza di tensione, potendo però alimentare in isola il carico interno (di stabilimento).

Schema tipico di installazione di gruppi GenDis

Rete dell’autoproduttore

Parte della rete dell’autoproduttore abilitata al funzionamento in isola

Apparecchiature di consegna e di misura

Dispositivo generale

Altre utenze

Parte della rete dell’autoproduttore

non abilitata al funzionamento in

isola

Condensatori di rifasamento

Dispositivo del generatore

Condensatori di rifasamento

Dispositivo di interfaccia

Rete pubblica

MT/BT

SISTEMA DI

PRODUZIONE

SISTEMA DI

PRODUZIONE

SISTEMA DI

PRODUZIONE

Problematiche di interfaccia Problematiche di interfaccia con la retecon la rete