Energia Eolica: Il vento, la tecnologia il mercato Luciano Pirazzi ENEA-ACS Energia eolica: il...

Energia Eolica:Il vento, la tecnologia il

mercato

Luciano Pirazzi

ENEA-ACS

Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato


La risorsa eolica: come nasce il vento

Riscaldamento non uniforme da parte del sole della superficie terrestre

La differenza di temperatura che si crea tra l’aria sopra le terre emerse, che si riscalda di giorno più velocemente, e l’aria sopra gli oceani che rimane fredda ed umida, genera una differenza di pressione, la quale è più alta sui mari e più bassa sulle terre emerse. Da questa differenza di pressione nasce il vento



La rotazione terrestre deforma i movimenti delle masse d’aria che vanno a colmare i le differenze di pressione, generando, per effetto della forza di Coriolis, i cicloni con la formazione di nubi e gli anticicloni che mantengono il cielo sereno

Si riscontrano venti agenti su larga scala come gli alisei e altri circoscritti in aree limitate e influenzati da fattori locali



In lunghi periodi il vento si presenta con caratteri di variabilità e ricorrenza

Si presentano fattori aleatori e altri più deterministici, come l’orografia e la rugosità superficiale del terreno

L’importanza di questi fattori è riconducibile alla previsione del vento nel corso del tempo


La risorsa eolica: distribuzione della velocità

• Distribuzione della frequenza della velocità e delle direzioni del vento

• Variazione della velocità del vento con l’altezza sopra la superficie

• Variazioni diurne, notturne e stagionali

• Entità delle raffiche

• Velocità massima


La risorsa eolica: “speed effect” e classi di rugosità (1)

• La compressione dell’aria origina un aumento della sua velocità.

• L’aumento della velocità del vento quando avviene tra edifici elevati e montagne è conosciuto come effetto tunnel.

• La presenza di profili verticali o fortemente inclinati genera il fenomeno della turbolenza.

• L’aumento di velocità del vento avviene anche sui crinali dei monti e sommità delle colline. Anche in questo caso l’aria si comprime ed aumenta la sua velocità


Le classi di rugosità esprimono le diverse condizioni fisiche del terreno, in termini di resistenza opposta al passaggio del vento.

Un’elevata classe di rugosità, 3 o 4, si riferisce ad una superficie molto irregolare con molti alberi e manufatti (edifici, etc.).

Un'area urbana sarà caratterizzata da un valore di circa 1 m, una prateria con erba bassa e qualche cespuglio da un valore di circa 0,03 m, una superficie innevata liscia da un valore di circa 0,0005 m.

La risorsa eolica: “speed effect” e classi di rugosità (2)


• Aree caratterizzate da superfici molto irregolari presentano fenomeni di turbolenza

• La turbolenza si manifesta con flussi di vento irregolari con con rapide fluttuazioni di velocità e direzione del vento, creazione di vortici e mulinelli

• La turbolenza riduce l’utilizzo dell’energia eolica ed aumenta le sollecitazioni agli aerogeneratori

La risorsa eolica: turbolenza ed influenza degli ostacoli


La risorsa eolica: ricerca di siti idonei (1)

• Adeguata ventosità, definita da opportuni parametri statistici ottenuti elaborando dati anemometrici

• Disponibilità di terreno d’impiego marginale (agricoltura estensiva, pascolo etc.)

• Andamento di velocità e direzione del vento sufficientemente omogeneo nell’area interessata

• Terreno privo d’irregolarità e ostacoli tali da creare, da un lato, un’eccessiva turbolenza del vento e dall’altro di ridurre la producibilità e la durata dei componeneti dell’aerogeneratore


La risorsa eolica: ricerca di siti idonei (2)

•Assenza di insediamenti abitativi nelle immediate vicinanze del sito

•Esistenza di un sistema viario di collegamento alla rete stradale

•Presenza di una rete elettrica in grado di assorbire l’energia prodotta dalla centrale eolica


Capacity factor

Rapporto tra l’energia prodotta da un impianto eolico in un certo intervallo di tempo e quella che avrebbe potuto essere prodotta se l’impianto avesse funzionato nello stesso intervallo alla potenza nominale

Valore nazionale 2007 = 0,20Valore nazionale 2008 = 0,21


Il principio di funzionamento: cenni di aerodinamica

• Nell’impatto del vento con l’aerogeneratore si verifica una diminuzione di velocità e, quindi, di energia cinetica, con un trasferimento di energia sul rotore

• Nel rotore l’energia cinetica si trasforma in energia rotazionale che a sua volta è trasmessa ad un sistema meccanico o, nella maggior parte dei casi, elettrico, trasformandosi in energia meccanica ed elettrica

La Risorsa EolicaE’ noto che una massa d'aria di densità che si muove con velocità

istantanea V attraverso un'area A, posta ortogonalmente alla direzione della velocità, rende disponibile una potenza pari a:

P = 1/2 Cp A V3

Se è data in kg/m3, V in m/s, A in m2, allora P risulta espresso in watt. La densità corrispondente ai valori standard di pressione e temperatura vale = 1.22 kg /m3

Cp, il coefficiente di potenza, dipende dalle caratteristiche e dalle

condizioni operative della macchina


Curva di potenza di un aerogeneratore

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30

V - velocità del vento al mozzo (m/s)

P(V

) -

po

ten

za e

lett

rica

(kW

)


Tecnologia• Curva di potenza

• Rotore ad asse verticale e ad asse orizzontale

• Numero di pale

• Treno di potenza (presenza o meno del moltiplicatore di giri)

• Sistema di controllo

• Torre


Tecnologia

Componenti

Rotore: generalmente ad asse orizzontale costituito da tre pale di materiale composito con fibra di vetro e talvolta fibra di carbonio

Sino a 20 kW sono riscontrabili anche rotori ad asse verticale


Tecnologia

Componenti

Generatore elettrico: asincrono o sincrono, multipolare a magneti permanenti a flusso assiale o radiale, attacco diretto al mozzo

Sistema di controllo: attivo con variazione del passo o passivo


Tecnologia

Componenti

Torre: generalmente tubolare metallica con altezze variabili da 12 a 100m. Talvolta abbattibile per semplificare le operazioni di manutenzione

Moltiplicatore di giri: sovente non presente nelle macchine di piccola taglia che sono generalmente a trasmissione diretta (rotore-generatore elettrico). Nelle macchine di media grande taglia è presente a livello del 20-30%


TecnologiaRegolazione della potenza

Controllo di stalloControllo di pitchControllo d’imbardata (tramite timone direzionale nelle piccole

macchine)

Orientamento

Tramite imbardata nelle macchine di media-grande taglia. Con timone direzionale nelle macchine di piccola taglia


Evoluzione Tecnologica

• Aumento potenza degli aerogeneratori (prototipi da 6 MW) e delle centrali eoliche (centinaia di MW)

• Maggiore produzione di energia per unità di superficie

• Affidabilità elevata (disponibilità media intorno al 98%)


Evoluzione Tecnologica

• Efficienza molto alta del sistema tramite l’adozione della velocità variabile e il rendimento crescente dei vari sistemi, sottosistemi e componenti: rotore, sistema di trasmissione, elettronica di potenza

• Diffusione in tutte le fasce climatiche, anche le più ostili, e in ambiente marino

• Riduzione impatto ambientale


1. Anemometro ad ultrasuoni2. Argano di servizio3.Sistema di raffreddamento generatore elettrico 4.Generatore con sistema OptiSpeed 5. Attuatore di passo 6. Sistema di raffreddamento moltiplicatore 7.Moltiplicatore di giri 8.Albero lento 9.Sistema di variazione del passo 10. Mozzo 11. Cuscinetto pala12.Pala


1. Hub controller 2. Pitch cylinder 3. Main shaft 4. Oil cooler 5. Gearbox 6. VMP-Top control with converter 7. Parking break 8. Service crane 9. Transformer10. Blade hub 11. Blade bearing12. Blade13. Rotor lock system14. Hydraulic unit15. Hydraulic shrink disc16. Yaw ring17. Machine foundation18. Yaw gears19. Optispeed™-generator20. Generator cooler


Aspetti innovativiVelocità variabile

• Configurazione che si è affermata rapidamente

• Controllo della velocità di rotazione del rotore

• Funzionamento ad efficienza massima per un tratto della curva di potenza

• Maggiore producibilità

• Riduzione rumore


Tipical Cp Curve - Variable RPM WTGVestas V52

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30

Wind Speed [m/s]

Cp

Zona a Cp = Cp max


EOLICO e AMBIENTE•Fonte rinnovabile, inesauribile e gratuita

•Non emette sostanze inquinanti di alcun genere

•Minore impatto, in confronto delle altre fonti di energia, sulla vita umana

•Contenimento dell’uso dei combustibili fossili e delle emissioni ad essi associate

•Occupazione del territorio limitata. Mantenimento della preesistente destinazione d’uso


EOLICO e AMBIENTE

•Valorizzazione di aree marginali ed abbandonate

•Opposizione di una parte minoritaria di ambientalisti

•Ricerca di un inserimento armonico dell’eolico nel paesaggio italiano, in considerazione del pregio ambientale e storico del nostro paese


Impatto ambientale

• Impatto visivo

• Impatto acustico

• Collisioni con l’avifauna

• Interferenza elettromagnetica

• Sostenibilità (sociale, ambientale, economica e culturale)


EOLICO e AMBIENTE MIPS MIPS normalizzato

all’energia eolica

energia eolica 0,049 /

carbone 0,97 19,8

elettricità import.

0,41 8,4

gas naturale 0,2 4,1

petrolio 0,32 6,5

torba 0,7 14,3

idroelettrico 0,11 2,2

nucleare 0,31 6,3

Valori noti e normalizzati all’energia eolica del MIPS delle varie fonti


• Il Material Input per Unit of Service o MIPS consente di misurare in unità omogenee normalizzate (massa) la quantità di risorse di ogni genere (aria, acqua, biotico, abiotico), che deve essere prelevata dall’ambiente per la realizzazione di un prodotto o di un servizio.

• Lo studio condotto relativamente alla realizzazione di una centrale eolica dotata di macchine tipo Vestas V52 (da 850 kW di potenza di targa), considerando ogni fase dalla installazione, gestione e manutenzione durante un ciclo vita stimato di 20 anni fino al successivo smantellamento, ha restituito un valore del MIPS pari a 0,049 kg di materia per ogni kWh prodotto.

• In sostanza per produrre da una centrale eolica 1 kWh occorre utilizzare, a vario titolo, 0,049 kg di materia prelevata dall’ambiente.


Emissione sonora da fonti diverse

Pneumatic drill

Stereo music

Typing pool

Home

Whispering

Jet airplane

Industrial noise

Inside car

Office

Wind turbine

Falling leaves


• Fonte energetica non inquinante

• Gratuita

• Disponibilità di energia variabile nel tempo, ma riduzione certa di combustibili fossili in quantità crescente, in funzione dello sviluppo del settore

• Contenimento emissioni di gas climalteranti

Benefici


Benefici

• Sviluppo industriale

• Creazione posti di lavoro –nell’industria (costruzione, installazione - comprensiva delle opere civili - e gestione con manutenzione), e nei servizi (progettazione, sviluppo iniziativa, consulenze, etc.)

• Circa 20.000 addetti (diretti e indiretti) solo in Italia


Minieolico

• Settore d’importanza strategica

• Applicazioni diversificate

• Aspetti sociali preminenti

• Informazione carente

• Carenza strumenti normativi

• Costi e incentivi


Campo eolico universitario di macchine di piccola taglia

• Progetto coordinato dall’Università di Trento in collaborazione con l’Ape (Agenzia provinciale per l’energia, proprietaria turbine e strumentazione), la società Interbrennero Spa, il comune di Trento e Servizi e Dipartimenti della provincia autonoma

• Valutazione critica del comportamento delle macchine nel corso di un biennio

• Diverse tipologie costruttive e taglie da 1 kW, 11 kW e 20 kW


Il mini-eolico e l’evoluzione dei servizi e tecnologie per l’eolico: la fattibilità di istallazioni eoliche con mini turbine

Dall’avvio del Campo Eolico sono già stati individuati indicatori per un miglioramento tecnologico del prodotto

La localizzazione del mini-eolico è presso l’utenza, trattandosi di un’applicazione che contempla produzione e consumo e/o trasferimento di energia direttamente sul posto


Il mini-eolico e l’evoluzione dei servizi e tecnologie per l’eolico: la fattibilità di istallazioni eoliche con mini turbine

Generalmente le condizioni anemologiche sono inferiori a quelle che si riscontrano nelle applicazioni dell’eolico di taglia maggiore (posizione delle macchine e loro altezza dalla superficie)

Applicazioni in ambito urbano (da qualche centinaio di watt a pochi kW, con possibilità di estensione), anche in abbinamento con moduli fotovoltaici


Industria nazionale

• Attività di sviluppo aerogeneratori di piccola, media e grande taglia

• Realizzazione componenti aerogeneratori

• Attività connesse alla costruzione di centrali eoliche (fornitura sistemi, dispositivi, componenti e servizi)

• Incremento addetti del settore (occupazione diretta e indiretta)


Industria Prototipo Aerogeneratore Leiwind 1.2 MW


ex area Montedison di Porto Empedocle

Produzione degli aerogeneratori,delle pale e delle relative torri di sostegno

Moncada Energy Group


0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

US 25.170

Germany 23.903

Spain 16.754

China 12.210

India 9.645

Italy 3.736

France 3.404

UK 3.241

Denmark 3.180

Portugal 2.862

Fine 2008: Fine 2008: Mondo: 120,791 MW Mondo: 120,791 MW

Europa: 64,948 MWItalia: 3,736

US Germany Spain China India DenmarkItaly France UK Portugal


Installed Capacity and Annual Energy Production

1179

2340

1837

14581404

6637

4074

2971

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Year

Inst

alle

d Ca

paci

ty (M

W)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Annu

al E

nerg

y Pr

oduc

tion

(GW

h)

Annual MW

Cumulative MW

Annual EnergyProduction


Number of units and average capacity (kW)

84 150 243402

585798

1346

65 94 159 183 222411

137 145

389 378 363 368

645

1209 1880

1491

2258

2575

2943

3588

260

368403

447482

521561

585607

1041

926

673

761

823

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Nu

mb

er o

f u

nit

s

0

200

400

600

800

1000

1200

Ave

rag

e ca

pac

ity

(kW

/un

it)

Numero cumulativodi aerogeneratori

Numero annuale diaerogeneratori

Potenza mediaunitaria (kW)


Gamesa 20.10%

Ecotecnia 2,82%

Vestas Italia 49.16%

Enercon 11,27

GE 4.17%

Enercon 12.67%

Repower 5.3%

Ecotecnia 3.23%Nordex 3.54%

Fine 2008


0

2

4

6

8

10

12

14

16

Quote di mercato

(% potenza distribuita)

Produttori energia eolica

% 14,71 11,19 10,41 8,97 8,67 7,5 3,1 2,7 2,3

14,71 11,19 10,41 8,97 8,67 7,5 3,1 2,7 2,3

IP FRI-EL

Enel GreenPower

Edens IVPC E.ON Italia

ERG Renew

Fortore En.

Moncada


467 (100)

795 (211)

209 (53)687 (168)

946 (260)188(86)

168 (12)

9

Wind power added in 2008

(in bracket) 1,010 MW

3.5

9.9 (7.35)

13.7 (4.8)1.5

Total installed3,736 MW

187 (87)

1.35 (1.35)

12.5

28 (14)

http://www.mediasoft.it/_vti_bin/shtml.dll/italy/index.html/map


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Italia Germania Spagna Danimarca

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Livello di penetrazione della fonte eolica nel sistema elettrico nazionale (% di energia elettrica fornita)


Grazie per l’attenzione

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