Lezione nr. 3 ENERGIA DAL VENTO - Fondamenti di Energetica...Lezione nr. 3 ENERGIA DAL VENTO...

21/03/2012

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S E M I N A R I O D I E N E R G E T I C A

d o t t . R i c c a r d o M a i s t r e l l o

I T I S G . M a r c o n i ( V e r o n a )

m e r c o l e d ì 2 1 m a r z o 2 0 1 2 , a u l a 1 1 0

Lezione nr. 3

ENERGIA DAL VENTO

Seminario di Energetica – ITIS G. Marconi (VR) – dott. Riccardo Maistrello

Cenni storici

E‟ da almeno 3000 anni che l‟uomo sfruttal‟energia posseduta dal vento.

Fino al XX sec. questa veniva utilizzata perazionare pompe idrauliche e macine.

Agli inizi della moderna era industriale siperse interesse per l‟intermittente e scostanteenergia del vento, preferendole motoriazionati da combustibili fossili o, piùrecentemente, da energia elettrica.


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Cenni storici

Negli anni „70, con il prezzo del greggio allestelle, l‟interesse per le fonti rinnovabiliriemerge.

Ma c‟è una novità: l‟interesse e‟ ora rivolto allagenerazione elettrica e non più agli impieghi“meccanici” dell‟energia del vento. Il consumo

energetico si fa più raffinato e l‟attenzione si rivolge a fontie vettori più pregiati.

Negli anni „90 l‟eolico è il grande protagonistadella riscossa delle rinnovabili e nell‟ultimodecennio del XXI sec. la potenza installataraddoppia ogni 3 anni.


Cenni storici

Oggi (2011) l‟elettricità da eolico ha costi di generazione sui 5-7c€/kWh (Nord Europa) e sugli 8-9 c€/kWh (Italia), un valoremolto vicino a quello della generazione termoelettricatradizionale (4-6 c€).

In Italia la potenza installata è cresciuta da 1 GW (Gen/2008) a4,85 GW (Dic/2009) per arrivare a 5,8 GW nel 2010.

Dopo il boom 2008-2009, la diffusione di nuovi impianti eolicista rallentando in Italia, anche a causa della corsa agliinvestimenti sul solare e, in particolare, al fotovoltaico.


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Origine del vento

Il riscaldamento della Terra da parte del sole avvienedisomogeneamente, e produce gradienti di temperatura tra zonedifferenti del pianeta.

I venti sono masse d’aria che si spostando dalle zone ad AltaPressione verso zone a pressione più bassa (configurazionedi minima energia).

A complicare il tutto, la forza di

Coriolis (causata dalla rotazione

terrestre) devia il moto delle correnti.(questo a livello globale)


Celle climatiche e venti


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Potenza del vento

A livello locale ostacoli come colline, montagne ed edifici o lapresenza di città, fiumi, laghi e mari influenzano la dinamica delmoto dei venti e ne modificano le traiettore e le caratteristichetermodinamiche.

In condizioni normali l‟aria contiene approssimativamente78,08% di azoto (N2), 20,94% di ossigeno (O2), 0,93% di argon(Ar), 0,04% di biossido di carbonio (CO2) e tracce di altri gas.

In prima approssimazione, trattando l‟aria come un gas perfettovalgono le leggi di Boyle e Gay-Lussac.

Fluido perfetto -> densità costante, viscosità nulla


Potenza del vento

Legge di Boyle

Se la temperatura e’ costante

v * p= cost.

Leggi di Gay-Lussac

A pressione costante

V = V(0) + (1 + ∂ Tc)

A volume costante

p = p(0) + (1 + ∂ Tc)

Equazione dei gas ideali

p * v = n R T

v = volumep = pressioneTc = temperatura in CelsiusT = temperatura in Kelvinn = numero di moli R = costante universale


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Potenza del vento

Si stima che il sole invii alla Terra ogni anno (per irraggiamento)circa 130‟000 Gtep, di cui il 25/35-per-mille è convertito inenergia cinetica del vento (2-300 Gtep/anno).

(tep = tonnellata equivalente di petrolio → toe = ton of oil equivalent)

quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ

Consumo mondiale annuo di energia (stime) ≈ 10 Gtep

Se riuscissimo ad utilizzare l‟1-per-mille dell‟energia che il soleinvia alla Terra ogni anno avremmo energia per 10 anni per tuttele nazioni di tutto il mondo…


Potenza del vento

Potenza cinetica di una vena fluida di vento

(calcoli e definizioni alla lavagna)

La teoria di Betz (anni „20) individua la quota di potenzamassima estraibile (sottraibile) dal vento in 16/27 ovvero ≈ 59%

Attenzione alle unità di misura:•Potenza [W];•Velocità [m/s] → [m2/s2]•Densità [kg/m3]•Area rotore [m2].


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Tubo di flusso (tdf):• non c‟è scambio di energia omassa attraverso i bordi;• portata massica costante: i[kg/s] che entrano sono glistessi che escono in ognimomento;• il flusso è laminare, non cisono turbolenze.

Portata di massa (m‟):

m‟ = Δm / Δt

[kg/s] = [kg] / [s]

Seminario di Energetica – ITIS G.

Marconi (VR) – dott. Riccardo

Maistrello

Potenza del vento

L‟aria contenuta nel tubo di flusso incontra l‟ostacolo costituitodal rotore di un aerogeneratore; via via che si avvicina alle paledel rotore, l‟aria del tubo di flusso viene progressivamenterallentata; la pressione, invece, aumenta.(in base al principio di conservazione dell’energia, l’energia cinetica persa nelrallentamento dell’aria diventa energia di pressione – trinomio di Bernoulli)

Al passaggio attraverso il rotore, l‟aria gli cede energia.Nell‟ipotesi che il rotore sia di spessore infinitesimo ( 0), lapressione cala bruscamente a gradino.(l’aria cede definitivamente energia alla macchina nel passaggio attraverso ildisco attuatore, l’energia di pressione si trasforma in energia meccanicatrasferita alle pale, che ruotano)

E‟ proprio grazie al “salto”Δp di pressione che sul rotore vieneesercitata una forza e trasferita potenza.


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Potenza del vento

Grandezze caratteristiche di una macchina eolica sono:

Fattore di interferenza (descrive l’interferenza delle pale, indica quantoqueste frenano il vento ed è intuitivo capire che più il vento viene frenatodalle pale, più queste gli sottraggono energia)

dP(a)/da = 0 a = 1; a = 1/3

a = 1 non ha senso poichè sarebbe Vr = 0 ovvero l‟aria dovrebbefermarsi in prossimità del rotore (paradosso fisico)

a = 1/3 (interferenza ottimale) invece ha senso, ed è il valore di a chedà la massima estrazione di potenza

Attenzione: a è adimensionale, non ha cioè unità di misura, essendo data dal rapporto tra due velocità: [m/s]/[m/s]


Potenza del vento

Coefficiente di potenza (o prestazione) (Indica quanto buona è laprestazione, in termini di potenza, della nostra macchina, esprimentola in unintervallo 0÷1. Un Cp grande è preferibile ad un Cp piccolo, tenendo semprepresente che Cp è funzione di a e perciò la potenza estratta dipende da quanto lepale riescono ad interferire e rubare energia al vento. Per gli aerogeneratoriattuali ad asse orizzontale, tri- o bipala, un normale Cp è compreso tra 0,4 e 0,5.)

Cp = potenza estratta / potenza vento (sono [kW/kW] quindi è un numero, unagrandezza adimensionale, non ha UdM [-])

Cp (a=1/3) = 16/27 = limite di Betz (Si dimostra che tale limite non può esseresuperato, pertanto le macchine che studieremo avranno sempre Cp < 0,6. Se da unesercizio vi risulta un Cp più grande avete fatto un errore di calcolo.)

Attenzione alle unità di misura:•Densità [kg/m3];•Coeff. prestazione [-];• coeff. interf. [-];•Velocità [m/s] → [m3/s3]•Area rotore [m2].


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Potenza del vento

Potenza estratta

Dipendenza:

Lineare con la densità dell‟aria (0.9÷1.4 kg/m3, dipende da temperatura, pressione atmosferica, umidità nell‟aria etc.)

Lineare con Cp (specifica tecnica della macchina)

Cubica con la velocità del vento (range tipico 0-25 m/s)

Lineare con l‟area spazzolata dalle pale

Attenzione alle unità di misura:•Potenza [W];•Densità [kg/m3];•Coeff. prestazione [-];•Velocità [m/s] → [m3/s3]•Area rotore [m2].


Esercizi nr. 1

Una macchina tripala (lunghezza palare = 15 m) è immersa in un ventocostante con velocità 20 nodi. È il 3 marzo ed il tempo è mite esoleggiato. Quale sarà la massima potenza che la macchina può estrarredal vento?


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Esercizio nr. 2

In presenza di un aerogeneratoreeolico il vento contenuto in un tubodi flusso riduce la propria velocità dav1 = 40 km/h a vr = 32 km/h.Ipotizzando le stesse condizioniclimatiche dell‟esercizio precedente,e sapendo che il diametro delrotore è di 45 metri, calcolare ilcoefficiente di prestazione Cpdella macchina.

Quindi, aiutandosi con il grafico adestra, ipotizzare la tipologia dimacchina oggetto di studio in questoesercizio (ignorando la grandezzasull‟asse delle ascisse).

Cp


Esercizio nr. 3 (per casa)

Seminario di Energetica – ITIS G. Marconi

(VR) – dott. Riccardo Maistrello

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Aerodinamica dell‟iterazione vento-pale (cenni)

Il rotore della turbina eolica estrae una parte dell‟energia cineticaposseduta dal vento e la impiega per azionare un alternatore.

Solo la massa d‟aria che attraversa il disco attuatore (l‟areaspazzata dalle pale) cede energia al rotore e diminuisce perciò lapropria velocità (rallenta).

Fermo restando che l‟aria nel tdf rallenta, non è possibilesottrarre energia in maniera brusca attraverso una variazione agradino della velocità sul disco attuatore (avrei accelerazioni equindi forze infinite).

L‟energia sottratta a gradino è energia di pressione. Infatti l‟ariarallenta prima delle pale ma per il principio di conservazionedell‟energia, il calo di energia cinetica deve essere compensato daun aumento della pressione dell‟aria.

da Bernoulli E(fluido) = Eh + Ek + Ep



In prossimità del rotore la pressione crolla, c‟è uno sbalzo Δp a gradino, e la variazione di energia di pressione del fluido costituisce l‟energia ceduta al rotore.

Dopo le pale, ma sempre nel tdf, la pressione – che inizialmente si trova ad un valore inferiore di quella atmosferica – torna ad aumentare sottraendo energia cinetica all‟aria (che quindi continua a rallentare).

All‟uscita dal tdf la pressione del fluido è nuovamente quella dell‟ambiente ma la velocità è molto ridotta.

La variazione di energia totale del fluido è stata trasmessa alla macchina e, a meno delle perdite di conversione, diverrà energia elettrica.


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Tipologie di macchine

I convertitori eolici (sistemi che convertono l‟energia del vento inenergia meccanica e/o elettrica) posso essere di due tipi:

A resistenza: la pala si muove di moto rettilineo nella direzione dellavelocità del vento u. Il dispositivo attuatore ruota attorno al punto 0 conasse ortogonale al piano del disegno.

La forza F è puramente resistente ed è proporzionale all‟energia cinetica(relativa) vista dal profilo.


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A portanza: la pala ruota su un piano ortogonale alla velocità del vento, attorno ad un asse parallelo alla velocità del vento.

Si sviluppa sulla pala una forza F che, associata ad un braccio b, crea un momento M che fa ruotare la pala intorno al mozzo.

F è somma di due componenti, una parallela al vento, detta D (drag -attrito), ed una perpendicolare L (lift - spinta).



Si distinguono poi in macchine:

Ad asse verticale (bassa velocità di rotazione, coppia elevata,Cp modesto, funzionano con vento da qualsiasi direzione), poco

diffuse ma utili per alcuni utilizzi molto specifici;

Ad asse orizzontale (alte velocità rotazione, Cp elevati, necessità diorientare il disco attuatore, delicatezza della progettazione, costimolto elevati), sono diffuse in tutto il mondo e si utilizzanoprincipalmente per la generazione elettrica.


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Componenti di un aerogeneratore

1) Pale2) Rotore3) Pinch4) Freno5) Albero lento6) Moltiplicatore di

giri7) Generatore8) Controllore9) Anemometro10) Direzione vento11) Navicella12) Albero veloce13) Guida navicella14) Motore navicella15) Torre/traliccio16) Trasformatore e

stazione elettrica a terra


Caratteristica della macchina(vedi dispensa)


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Parco eolico

• Un parco eolico o wind farm (fattoria del vento) è un insieme diaerogeneratori (torri o pale eoliche) localizzati in un territoriodelimitato e interconnessi tra loro, che producono energiaelettrica sfruttando la forza del vento. La generazione di energiaelettrica varia in funzione del vento e della capacità generativadegli aerogeneratori.

• Per accertare che un sito sia adatto all‟installazione diaerogeneratori è necessario procedere alla misurazione dellavelocità del vento e della direzione, in modo costante (anche ogniminuto) e per un periodo di almeno un anno (minimo!).

• È fondamentale inoltre acquisire il maggior numero di datimeteorologici disponibili, anche dalle stazione vicine.


Parco eolico

Nella realizzazione di un parco eolico occorre tenere inconsiderazione questi effetti:

• Rugosità del terreno: meno piano e senza ostacoli è il terreno,più il vento è frenato e meno energia dà alla turbina (classi dirugosità).

• Effetto collina: colline morbide, con pendici poco ripide, sonoottimi corridoi per accelerare il vento verso la sommità (doveposso installare gli aerogeneratori).

• Ostacoli: hanno un impatto enorme sul vento e vannoopportunamente rimossi o considerati nei calcoli.

• In un parco eolico (molte turbine) ogni aerogeneratoreinterferisce con gli altri (sono ostacoli enormi): vannorispettate opportune geometrie.


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Effetto di un ostacolo sul vento

esame!


esame!

Effetto collina


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Layout di un parco eolico

esame!


Anemometri

• 3-4 coppiglie di uguale geometria• Asse rotante centrale• Drag device (disp. a resistenza)• Accelerazione rapida con l‟aumento del vento, decelerazione

lenta con la scomparsa del vento (inerzia delle parti rotanti)• Non adatto a misurare raffiche e turbolenze• Siccome l‟attrito (Cd) dipende dalla densità dell‟aria, al variare di questa varia l‟accuratezza dello strumento

• il vento è misurato attraverso la variazione di velocità di un‟onda sonica (suono = vibrazione nell‟aria)• il segnale acustico viaggia da un emettitore al suo ricettore, rallentato o accelerato dal vento• ottimo per misurare venti tra 0 e 65 m/s ma molto costoso• necessitano di manutenzione (polvere, escrementi di uccelli etc.) possono causare il fuori servizio dello strumento


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Stazioni anemometricheItalia

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• L‟Italia può contare, specie nelle zone mediterranee meridionali e nelleisole, su venti di buona intensità, quali il maestrale, la tramontana, loscirocco e il libeccio; la producibilità (numero di ore equivalenti difunzionamento alla potenza nominale dell‟aerogeneratore) supera peròle 2‟000 ore in poche aree.• il potenziale eolico sfruttabile al 2020 è pari a circa 12.000 MW(terraferma + offshore), con una produzione di energia elettrica di circa22.6 TWh (circa 1‟850 h di producibilità media);• le regioni più interessanti sono quelle del Sud, in particolare Campania,Puglia, Molise, Sicilia e Sardegna;• Costo impianto chiavi in mano: 1‟000-1‟200 €/kW (Europa), 1‟500-1‟600 (Italia);• Costo annuale di esercizio e manutenzione = 3% Investimento iniziale• In Italia, in un sito con una producibilità annua di 2000 ore equivalentialla potenza nominale, con tasso di sconto pari al 6% e costo di impiantopari a 1600 €/kW, il costo di produzione dell‟energia può essere stimatointorno a 8.5 c€/kWh

Conclusioni


• Occupazione del suolo ed impatto visivo• Rumorosità• Morte dei volatili e modifica delle rotte migratorie

Impatto ambientale


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Attualità

Buttati al vento!• Investiamo nell‟eolico 3,5 miliardi ma la rete non regge

e una pala su cinque deve essere fermata.• Il Gestore ferma le pale ma deve pagare la mancataproduzione: è come chiamare un taxi e pagarlo per starefermo nel parcheggio…

Articolo del numero di Gennaio 2012

-La rete AT (alta tensione > 300 kV) è più sviluppata nell‟industrializzato NordItalia ma la potenza più consistente viene prodotta nel ventoso Sud e nelle Isole.Occorrerebbe costruire nuovi elettrodotti (linee aree AT) ma l‟opposizione dicomunità locali e ambientalisti è troppo forte, ci vorranno anni/decenni.- Inoltre Terna tratta con diffidenza fonti di energia volatili e variabili comequella del vento più difficili da gestire.


Istruzioni per lo studio personale

Studiare le slide viste in classe;

Fare l‟esercitazione nr. 3 per la prossima lezione;

Leggere con attenzione la dispensa sull‟energia eolica.

Per ogni dubbio/domanda/segnalazione:

[email protected]

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Fonti

“L’energia eolica”, prof. G. Zollino, Università di Padova;

“Wind energy systems”, prof. G. Pavesi, Università di Padova.

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