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Seminario

LE NUOVE

FRONTIERE DELL’ENERGIA EOLICA

20 Settembre 2012

Università e-Campus Novadrate (CO)

Eolico Off-shore Gaetano Gaudiosi

Associazione OWEMES

www.owemes.org

Molte mmagini prese dal Rapporto CESI Ricerca Dic.2006

Studio di prefattibilità di impianti offshore in acque profonde

Eolico Off-shore e-Campus, Novadrate, 2012

G. Gaudiosi Ass. OWEMES

• Benefici dell’Energia Eolica Off-shore

• E‟ pulita, libera

• Contrasta il cambiamento climatico

• Riduce l‟inquinamento dell‟aria

• Diversifica la disponibilità di energia elettrica

• Riduce l‟importazione di combustibili fossili e

previene i conflitti

• Migliora l‟elettrificazione delle aree urbane costiere

• Crea Lavoro nei cantieri navali regionali ed innovazione

• Contrasta la volatilità dei costi dei combustibili fossili

• Produce elettricità su grande scala a costi prevedibili

• E‟ modulare e con moderati tempi d‟installazione

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Energia Eolica a Mare (Offshore)

G. Gaudiosi- Roma, 2012

Turbina eolica: Caratteristiche tecniche (Vestas V90)

Eolico Off-shore

e-Campus, Novadrate, 2012


Scelta della macchina Le tre velocità caratteristiche sono:

0 cV

Velocità di avviamento

Velocità nominale

cV

nV

Velocità di arresto fV

nP Potenza nominale

fV 0P

c nV V

n fV V

Approssimata con

legge quadratica

Andamento costante

2 2

2 2

cn

n c

V VP P

V V

nP P

Modello della legge P(V)

Range [1]

Range [2]

Range [0]

Range [3]

Sistemi Eolici, R.Pallabazzer

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Gradi B

(Scala di Beaufort)

Denominazione del vento Velocità

[m/s]

Densità di potenza

[W/m2]

0 Calma < 0.2 -

1 Bava di vento 0.3 – 1.5 0.6 (1 m/s)

2 Brezza lieve 1.6 – 3.3 9.5 (2.5 m/s)

3 Brezza debole 3.4 – 5.4 54.7 (4.5 m/s)

4 Brezza moderata 5.5 – 7.9 129.6 (6.0 m/s)

5 Brezza teso 8 – 10.7 347.4 (9.0 m/s)

6 Brezza forte 10.8 – 13.8 1340 (13 m/s)

7 Vento forte 13.9 – 17.1 2500 (16 m/s)

8 Burrasca 17.2 – 20.7 4880 (20 m/s)

9 Burrasca forte 20.8 – 24.4 7420 (23 m/s)

10 Tempesta 24.5 – 28.4 12000 (27 m/s)

11 Violenta tempesta 28.5 – 32.6 16470 (30 m/s)

12-17 Uragano 32.7 – 61.2 26150 (35 m/s)

Eolico Off-shore



Misura e denominazione tradizionale del vento 3

,

1

2d AP V



Perché turbine e Centrali Eoliche a mare ( Off-shore)?

Benefici rispetto agli impianti in terraferma

Allontanandosi dalla costa il regime dei venti a mare è in genere

più favorevole in velocità, frequenza e in produzione di elettricità a

parità di potenza della turbina o centrale eolica.

La minore variazione di velocità del vento con l‟altezza permette

minore altezze della turbina. La minore turbolenza del vento a

mare allunga la vita media delle turbine.

Ulteriore vantaggio deriva in genere dall‟evoluzione della taglia

delle turbine sempre più grande (miglior sfruttamento del vento

con minori spazi a parità di potenza e più agevole trasporto in

mare).

Minore impatto sul paesaggio e probabilmente ambientale.

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Turbina eolica: Caratteristiche tecniche (Siemens)

1 Spinner ( Puntale); 2 Spinner bracket ( Fissaggio P.); 3 Blade (Pale) ; 4 Pitch bearing ( Cuscinetto del Passo); 5 Rotor hub ( Mozzo Rotore);

6 Main bearing ( Cuscinetto principale); 7 Main shaft ( Asse principale) ; 8 Gearbox ( Moltiplicatore di giri); 9 Service crane ( verricello di servizio) ;

10 Brake disc (Freno a disco); 11 Coupling (Giunto) ; 12 Generator ( Generatore); 13 Yaw gear ( Riduttore d‟imbardata); 14 Tower ( Torre);

15 Yaw ring ( Flangia d‟imbardata); 16 Oil filter ( Filtro Olio); 17 Generator fan ( Ventilatore) ; 18 Canopy (Guscio navicella)

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Eolico Off-shore



Sistemi Eolici, R.Pallabazzer

Eolico Off-shore e-Campus, Novadrate, 2012G. Gaudiosi Ass.OWEMES

Pale eoliche di grande dimensioni: lunghezza 61.5 m, Peso t. ( LM)

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Eolico Eolico Off-shore e-Campus, Novadrate, 2012G. Gaudiosi Ass. OWEME Off-shore - Taglia delle turbine

Con lo sviluppo turbine eoliche di grande taglia e peso ridotto, a parità di potenza, il costo del kWh eolico

offshore potrebbe raggiungere quello di terraferma anche in acque profonde

Eolico Off-shore



La ricerca e sviluppo nel campo dei Generatori Elettrici Superconduttivi ad Alta

Temperatura potrebbe dare questi risultati.

http://2.bp.blogspot.com/_VyTCyizqrHs/SZR-gxeMMkI/AAAAAAAACn4/Z49hKjZzM7w/s1600-h/10mwwind.jpg

http://amlcleanenergy.com/web-support/content-images/turbine_video.swf

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Studio Progettuale ( Univ. Roma 2007 ) di turbina eolica con diametro rotore da 200 m

( ≤ 15 MW) e controllo con passo parziale delle pale



Turbine e centrali eoliche a mare ( off-shore)

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Costi delle Centrali Eoliche a mare rispetto a quelle in terraferma

• Allontanandosi dalla costa, nel caso di aumento della profondità delle acque, la struttura di sostegno e il suo ancoraggio al fondale diventa più complesso e costoso

• Le condizioni ambientali diventano più estreme.

• Il sistema di connessione elettrica alla rete di terraferma può variare come tipologia ed il suo costo aumenta in base alla lunghezza dei cavi subacquei e loro messa in opera a mare.

• Salgono i costi dei servizi d‟installazione e manutenzione

Eolico Off-shore



Turbine eoliche onshore verso la grande taglia e costo del kWh

( Corona Danese/ kWh)

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Eolico Off-shore



Turbina eolica a mare ( off-shore) e fondazione complessa



Piattaforme galleggianti per turbine offshore e parametri ambientali marini

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Struttura di sostegno delle turbine ( Centrali) eoliche offshore in

funzione della profondità fondali A) e distanza dalla costa B)

La configurazione delle struttura di sostegno varia con la

profondità del mare del sito di installazione ; la profondità a sua

volta è funzione della distanza dalla costa a seconda della

pendenza del fondale.

Si distinguono i seguenti valori di profondità :

A)· acque basse ( shallow waters), fino a 30 metri circa

B) acque intermedie ( transitional waters), tra 30 metri e 60

metri

C) acque profonde ( deep waters), oltre 60 metri.100†300 m



Strutture di sostegno per varie profondità dei fondali

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Struttura di fondazione in bassi fondali Monopile ( Monopalo); Gravity Base ( A gravità); Suction Bucket (Campana in depressione)



Struttura di fondazione in fondali intermedi (CESI) 1) torre tubolare con base a treppiedi (Tripoid), 2) torre tubolare con tiranti (Monopile) ,

3) torre a traliccio ( Truss) , 4) torre tubolare con base a traliccio, 5) torre con base

affondata nel fondale o a gravità

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G. Gaudiosi- Roma,2012 Strutture di sostegno in acque intermedie

In acque intermedie le strutture di sostegno delle turbine sono in genere del tipo reticolari vincolate

al fondale.

Particolari cure di progetto necessarie per le connessioni tra gli elementi strutturali reticolari e per

la flangia di collegamento alla turbina. Necessaria la protezione alla corrosione delle strutture in

acciaio; in particolare delle parti soggette a bagnasciuga con sistemi passivi (anodo sacrificale).

Critica la scelta del vincolo della struttura reticolare al fondale in base alle caratteristiche

geotecniche del sito.



Struttura di fondazione in fondali intermedi (CESI) 1) torre tubolare su traliccio a 4 piedi e Jacket (Quatropod), 2)torre tubolare con base a

traliccio a 3 piedi (Truss), 3) torre su traliccio e fondazioni ( Suction bucket)

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G. Gaudiosi- Roma, 2012 Fondazione in fondali profondi (CESI), galleggianti ( floating ) e sommerse ( submerged)

1) semisommergibile a tre bracci e cavi di ancoraggio a catenaria , 2) chiatta con cavi di ormeggio a catenaria, 3)

sommergibile affusolato con cavi di ormeggio a catenaria, 4) sommergibile a tre braccia con tiranti ed ancore a

suzione, 5) sommergibile a tre braccia con tiranti verticali ed ancoraggio a gravità,

6) sommergibile affusolato con tirante verticale



Struttura di fondazione in fondali profondi Principali tipologie per strutture di sostegno sommergibili o galleggianti

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Piattaforme Eoliche Galleggianti

Eolico Off-shore



Azioni e movimenti nelle strutture di sostegno sommerse o galleggianti di

turbine eoliche offshore

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Analogie tra la piattaforma petrolifera e quella galleggiante delle turbine

offshore tipo Tension Leg o Line Stabilized



Sinistra: Piattaforma NRL-USA TLP; Fig. Destra: Movimenti Piattaforma Tension Leg (TLP)

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Piattaforma NRL-USA TLP



Dati - Profondità del mare 182,4 m

-Distanza dell‟aggancio dei cavi di ancoraggio verticali dall‟asse della

piattaforma 30 m

-Diametro piattaforma 60 m

-Peso Struttura Galleggiante ( con turbina, torre ) 11 177 kN

-Spinta idrostatica ( serbatoio, base torre immersa, bracci) 26 094 KN

-Tiro Tiranti Verticali Spinta idrostatica-peso struttura) 14 917 KN

Conclusioni Con solo tiranti verticali i movimenti di traslazione della piattaforma non

producono forti sovraccarichi sull‟ancoraggio.

Il disallineamento del vento rispetto all‟asse rotore non crea problemi sulla

piattaforma

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G. Gaudiosi- Roma, 2012 Progetto Tension Leg Platform ( TLP) con cavi verticali e diagonali



Prototipo Hywind - Norvegia

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Si distinguono in genere le seguenti distanze del sito

dalla costa:

B1) entro 12 miglia marine ( 22.2 Km)-Acque nazionali

• 0 -3 miglia (0- 5.5 km) : foranee (shore line? )

• 3-6 miglia (5.5-11 km) : costiere (near shore)

• oltre 6 miglia(11 km ) dalla costa: d‟altura ( offshore)

B2) oltre 12 miglia m.: offshore-Acque internazionali



Connessione elettrica delle turbine e alla rete di terraferma

1)fondazione, 2)Navicella, 3)Pale, 4)cavo elettrico, 5) Punto di connessione a mare,

6)Cabina di connessione alla rete di terra

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G. Gaudiosi- Roma, 2012 Costi Centrali Eoliche in acque basse (2006 )

Valore 1.61 †1.85 M Euro/ MW indipendente dalla profondità del mare ( fino a 25 m)

e dalla distanza dalla costa (fino a 10 km)


G. Gaudiosi- Roma, 2012 Centrali eoliche offshore – Collegamenti elettrici alla rete di terraferma

Schema Generale

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Connessione elettrica interno alla centrale eolica offshore


G. Gaudiosi- Roma, 2012 Tipologie di connessione elettrica di centrale eolica offshore a 60 km dalla costa,

con generazione equivalente al funzionamento a piena potenza di circa 3820 ore/ anno

( CESI-2006)

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Tipologie dei cavi elettrici considerati dal CESI per centrale eolica

offshore a 60 km dalla costa ( CESI-2006)



Connessione elettrica delle due turbine offshore da 5MW ciascuna alla piattaforma

petrolifera “Beatrice Alpha” connessa a sua volta via cavo alla rete di terraferma

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Esempio Applicativo: Ubicazione offshore delle turbine Repower ( fondali di 45

m- fondali intermedi) presso la piattaforma petrolifera Beatrice Alpha a 22km dal

costa Nord Est della Scozia



Esempio Applicativo: struttura di sostegno ( fondazione e base di transizione)

della turbina Repower, trasporto in sito, installazione a mare.

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Trasporto a mare e gru d‟installazione della struttura reticolare di sostegno delle turbine

Repower



Turbine offshore Repower a 1.5†2 Km dalla piattaforma Beatrice Alpha

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Eolico Off-shore



Accumulo idraulico da Centrale Eolica



Turbina eolica Wind World 220 kW nel mare di Nogersund / Svezia ( 1990)

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Centrale eolica (5x2 MW- Gamesa) sulla diga foranea del porto di Bilbao

Spagna ( 2005)


G. Gaudiosi- Roma, 2012 Costi al 2006 per potenza installata in M Euro/ MW e dell‟elettricità in Euro/ MWh delle

Centrali Eoliche in acque basse

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Demand of electricity in the UE and wind potential ( EWEA)

0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Potential on shore

Potential offshore 10 m




Demand UE 2000

Demand UE 2010

Demand UE 2020

1000 TWh / year



Domanda di Elettricità e potenziale eolico offshore in EU ( TWh /anno)

Source: European Environment Agency

L„Eolico Offshore può dare potenza all„ Europa oltre a sette volte la domanda di elettricità al 2030

Technical potential of offshore wind

- 25,000 TWh by 2020

- 30,000 TWh by 2030

EU energy demand

- 3,537 TWh by 2020

- 4,279 TWh by 2030

Eolico Off-shore



Potenziale a confronto con gli altri Paesi d‟Europa: UNIONE

EUROPEA

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Produzione elettrica da Energia Eolica (a terra e a mare) nella EU ( 2005-2030)



Tendenze dell’Energia Eolica come risorsa strategica

( finora a terra, nei prossimi decenni anche a mare)

Eolico a terra al 2006

-150 000 posti di lavoro

-Giro d‟affari di più di 12 Miliardi di Euro

-Crescita ad rateo del 28% negli ultimi 10 anni

-Genera elettricità per circa 100 milioni di abitanti

-Oltre 85 000 turbine sono state installate ad 2006 in 50

paesi

-Potenza installata al 2006 oltre 59 GW nel mondo , oggi oltre 100 GW

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SUMMARY OF WORK AT OFFSHORE WIND FARMS

BETWEEN 1ST JANUARY 2012 AND 30TH JUNE 2012

• BELGIUM UK GERMANY DENMARK TOTAL

• Number of farms 1 8 2 2 13

Number of foundations installed 24 117 34 95 270

• Number of turbines installed 24 158 27 2 211

• Number of turbines connected 12 114 4 2 132

• MW fully connected to the grid 73.8 422.0 20.0 7.2 523.2

• Total MW of projects* 148 2,695 508 411 3,762

• * once completed



Installazione e connessione alla rete di turbine eoliche offshore nella prima metà del 2010 (EWEA)

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Centrali eoliche off-shore in esercizio ad inizio 2010 ed in costruzione nella prima metà

del 2010 (EWEA)

Ad inizio 2010 nel Nord Europa erano in esercizio 43 centrali eoliche offshore,composte da

948 turbine, con potenza totale di 2,396 MW.

Nella prima metà del 2010 erano in costruzione 16 centrali offshore per una potenza totale di

3972 MW :

Le quattro centrali seguenti sono già entrate in esercizio: Poseidon in Danimarca , Alpha

Ventus in Germania , Gunfleet Sands e Robin Rigg nella Gran Bretagna



Turbine eoliche offshore connesse alla rete nella prima metà del 2010 (EWEA)

nel Nord Europa

Distribuzione percentuale della

potenza tra società elettriche

Distribuzione percentuale della

potenza trai industrie costruttrici

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Source satellite- CERSAT (IFREMER) – 10 gennaio 2000

Mappa velocità media annuale del vento a 10 metri sul livello del mare


G. Gaudiosi- Roma, 2012 Energia Eolica - Installazione Annuale - Scenario Regionale Moderato - GWEC 2010

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Scenario Energia Eolica Globale al 2020 e 2030-GWEC Distribuzione Regionale Scenario

Moderato



Eolico Offshore nel mondo in potenza GW al 2020/ 2035

(Scenari:corrente, avanzato, CO2 a 450 ppm)

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Scenario Energia Eolica Globale al 2030 e 2050-GWEC

Cumulative CO2 Reduction [Mio T C O 2 ]



Italia -Mappa del vento offshore, su griglia regolare di (2 km x 2 km) contenente per ciascun punto la velocità

media annuale stimata del vento ( m/s) all’altezza di 60 m

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Programmazione Energetica

I passati piani energetici nazionali non includevano l‟ eolico offshore in Italia.

Nel 2010 il Piano d‟Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili (MSE:

Direttiva 2009/28/CE, 11giugno 2010) ha indicato l‟obiettivo 680 MW al 2020

con inizio di 150 MW al 2015.

Alcune regioni ( Sicilia, Puglia, Emilia Romagna) hanno iniziato la valutazione

del potenziale eolico sulle loro coste e la Puglia ha indicato un obiettivo di 500 MW .

Al momento per le centrali eoliche offshore si va verso una specifica normativa e

procedura autorizzativa da parte delle Autorità Nazionali seguendo in parte

le procedure VIA ed Autorizzazione Unica delle centrali a terra, il Codice della

Navigazione .

La Direzione Porti del Ministero Infrastrutture e Mare ha emesso recentemente

le Linee guida per l‟Autorizzazione Unica alla costruzione sul Demanio Marittiìmo.

Eolico Off-shore



Position Paper del Governo Italiano - Draft : 10 Settembre 2007 – Tabella 1-Elettricità’

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Piano d’Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili (MSE: Direttiva 2009/28/CE,11giugno 2010)

Eolico Off-shore



• Cosa fa il Giappone dopo il disastro nucleare di Fukushima?

• Un consorzio tra l‟Università di Tokyo, Mitsubishi, Mitsubishi Heavy Industries, IHI Marine United, Mitsui Engineering & Shipbuilding, Nippon Steel, Hitachi, Furukawa Electric, Shimizu e Mizuho Information & Research partecipano al progetto di una centrale eolica offshore galleggiante sponsorizzata dal Ministero dell‟Economia Giapponese e l‟industria METI.

• Il progetto sperimentale consiste di tre turbine eoliche e di una sottostazione di potenza galleggianti fuori la costa di Fukushima.

• La prima fase del progetto con inizio al 2012 riguarderà una turbina eolica galleggiante da 2MW e la prima sottostazione galleggiante di 66kV con cavo sottomarino; la seconda fase prevede le altre due turbine eoliche da 7 MW ciascuna rispettivamente al 2013 e 2015.

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Scenario al 2020 e 2030 dell‟Energia Eolica Off-shore in Italia e in Germania

L’Istituto tedesco per L’Energia Eolica prevede che l’offshore coprirà al 2020 circa un terzo ( 13/ 39 GW) ed al 2030 circa il 50% ( 29/58 GW) della potenza installata a quell’anno. Il Position Paper italiano prevede che l’offshore eolico coprirà il 6% ( 0.7

/ 12 GW) della potenza installata al 2020. Nonostante tale situazione in Italia qualcosa si muove. Due centrali eoliche offshore in basso fondale ( una da 30 MW nell’avamporto di Taranto e l’altra di 160 MW nel golfo di Gela ) hanno superato la procedura di VIA e sono in attesa dell’Autorizzazione Unica per la Costruzione.



Introduzione

• In tutta Europa la formazione a vario livello di personale

tecnico nel settore eolico offshore è oggi molto richiesta

per il suo rapido sviluppo da università , società di

servizi ed industrie.

• Il presentazione di oggi è di carattere introduttivo per gli

studenti che intendano proseguire nel settore e di cultura

per gli altri.

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Eolico Off-shore



Associazione OWEMES “Offshore Wind and other marine renewable

Energy in Mediterranean and European Seas “ Tel./Fax. 06 45426060 [email protected]; www.owemes.org



Associazione OWEMES - Seminari Internazionali

A partire dal 1994 sono state organizzate in Italia sette

edizioni del Seminario Europeo OWEMES ( Offshore Wind

Energy in Mediterranean and other European Seas);

quattro da parte dell‟Associazione navale ATENA e l‟ENEA

con il Contributo della Commissione Europea ( Rome1994,

La Maddalena 1997, Siracusa 2000,Napoli 2003) e trè

sull‟Offshore eolico ed altre Energie Rinnovabili Marine

dall‟Associazione OWEMES, fondata a Roma nel 2006

(Porto di Civitavecchia 2006; Porto di Brindisi 2009, Fiera di Roma 2012)

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Associazione OWEMES - Seminari Internazionali

Ass.OWEMES ENEA ARTENERGY

Seminario Europeo

OWEMES 2012

www.owemes-2012.eu

OFFSHORE WIND AND OTHER MARINE RENEWABLE ENERGIES IN

MEDITERRANEAN AND SOUTH EUROPEAN SEAS

Nuova Fiera di Roma, 5-7 Settembre 2012

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