STUDIO DI FATTIBILITA’ DI UN IMPIANTO STUDIO DI FATTIBILITA’ DI UN IMPIANTO PER LA GENERAZIONE DI ENERGIA PER LA GENERAZIONE DI ENERGIA

ELETTRICA E L’APPROVVIGIONAMENTO ELETTRICA E L’APPROVVIGIONAMENTO IDRICO MEDIANTE FONTI RINNOVABILI DI IDRICO MEDIANTE FONTI RINNOVABILI DI

ENERGIAENERGIARelatore:Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli

Università degli Studi di BolognaUniversità degli Studi di BolognaFacoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

DIEMDIEMDipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,NucleariDipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,Nucleari,,

Aeronautiche e di MetallurgiaAeronautiche e di Metallurgia

Tesi di Laurea di:Pierluigi Bruno

CorrelatoriChiar.mo Prof. Ing. Franco PersianiChiar.mo Prof. Ing. Gianni Caligiana

ObiettiviObiettivi

�� Generazione di energia elettricaGenerazione di energia elettrica stimabile in stimabile in circa circa 10000 kWh/anno10000 kWh/anno ;;

�� Approvvigionamento idricoApprovvigionamento idrico stimabile in circa stimabile in circa 10 m10 m33/giorno/giorno da risorse idriche esistenti;da risorse idriche esistenti;

SOLUZIONI A ENERGIA RINNOVABILE

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250m250m

290m290m

350m350m

400m400m Bacinod’accumulo

Turbina

Risorse idricheAnalisi del sito

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Calcolo del volume del bacino Calcolo del volume del bacino d’accumulo : d’accumulo :

Il torrenteIl torrente che alimenta il bacino d’accumulo che alimenta il bacino d’accumulo è in piena 8 mesi su 12è in piena 8 mesi su 12

VVAccumuloAccumulo �� VV4 mesi4 mesi ;;

Siano rispettivamenteSiano rispettivamenteQ Q 11 ,V,V1 1 = portata e volume d’acqua usata per approvvigionamento idrico;= portata e volume d’acqua usata per approvvigionamento idrico;Q Q 2 2 , V, V22 = portata e volume d’acqua usata per la generazione di energia;= portata e volume d’acqua usata per la generazione di energia;

BACINOD’ACCUMULO

QIN

QOUT

Vaccumulo =V1 + V2

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Calcolo del volume del bacino Calcolo del volume del bacino d’accumulo :d’accumulo :

�� Q Q 1 1 = 10 m= 10 m33/giorno /giorno ;;

�� 10000 kWh/anno 10000 kWh/anno �� PPel el �� Q Q 2 2 �� VV22;;10000 kWh/anno8 ore/giorno

Pel = 3,5 kW

PPelel ==ηηtottot��gHQgHQ22

�� = 1000 kg/m= 1000 kg/m33;;g = 9,8 m/sg = 9,8 m/s22 ;;H = 150 m;H = 150 m;ηηimpimp = 0,5;= 0,5;

QQ22 = 0,0047 m= 0,0047 m33/s/s

V2 = 17000 m3

Sovradimensionando di un 20%Sovradimensionando di un 20%VVAccumuloAccumulo ≅≅ 25000 m25000 m33

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V1 = 1240 m3

Diametro condotta Diametro condotta -- Scelta turbinaScelta turbina• Imponendo che hF = 4/100 H;• Essendo

H = 150 m;n = 0,009 (polietilene);Q = 0,0047 m3/s;L = 300 m ;

D = 0,07m;

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Turbina Pelton

La soluzione con bacino d’accumuloLa soluzione con bacino d’accumulo

�� PROPRORisolve al meglio il problema della Risolve al meglio il problema della discontinuità delle discontinuità delle F.R.E.F.R.E. garantendo entrambi garantendo entrambi gli obiettivi fissati;gli obiettivi fissati;

�� CONTRO CONTRO L’impatto ambientale di un bacino di 25000 mL’impatto ambientale di un bacino di 25000 m3 3

a 400m di quota rende la soluzione a 400m di quota rende la soluzione inapplicabile;inapplicabile;

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Valutazione delle risorse Valutazione delle risorse EolicoEolico--SolariSolariRisorse EOLICHERisorse EOLICHE� Installazione anemometro, ma:

� Tempi di rilevazione � 1 anno ;� Costi delle attrezzature paragonabili a quelli di una turbina di piccola taglia ;

� Interpolando dati da : 1. Rapporto CNR-PFE (1981) , “Indagine risorse eoliche in Italia “ ;2. AMBROSINI (1992) , “Wind Potential in Emilia Romagna”;3. ENEA (1999) ,”Energia Eolica : aspetti tecnici ambientali e socio-economici”;

cautelativamente cautelativamente si considera si considera ��VVmedia nell’anno media nell’anno = 4,5m/s = 4,5m/s Risorse SOLARIRisorse SOLARIda mappe isoradiative del da mappe isoradiative del Min.AMBMin.AMB ��E E ElEl annua in annua in caca =1100kWh/kWp=1100kWh/kWp

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Risorse idriche

Pompa

Potenzaelettrica

Approvvigionamento idrico

250m250m

290m290m

350m350m

400m400m

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Problema idrico: pompaggio di 10 Problema idrico: pompaggio di 10 mm33/giorno con /giorno con ∆∆H=70 m H=70 m

Ricerche di mercato

Ottimizzazione di sistemi di pompaggio

Pompaggio Eolico Pompaggio Fotovoltaico Pompaggio Eolico-Fot.

PROInstallazione a distanza della turbina eolica

CONTROPrestazioni limitate della turbina eolica

PROModulabilità dei pannelli

CONTROFunzionamento ore notturne

PROContinuità difunzionamento

CONTROAumento dei costi

Effettuo la scelta in base all’esigenza di CONTINUITA’ DI FUNZIONAMENTO

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Il sistema di pompaggio Il sistema di pompaggio eolicoeolico--fotovoltaicofotovoltaico

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELL’IMPIANTOPRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELL’IMPIANTO�� Turbina eolica e moduli fotovoltaici Turbina eolica e moduli fotovoltaici �� produzione energia elettrica;produzione energia elettrica;�� LL’’energia elettrica viene raddrizzata da IO 102 in energia elettrica viene raddrizzata da IO 102 in c.cc.c.;.;�� LL’’energia elettrica viene inviata attraverso CU 200 alla pompa;energia elettrica viene inviata attraverso CU 200 alla pompa;�� In questo caso la pompa invia lIn questo caso la pompa invia l’’acqua dal lago dacqua dal lago d’’accumulo (di capacitaccumulo (di capacitàà infinita) infinita)

a un serbatoio posto a 70m pia un serbatoio posto a 70m piùù in alto da cui per caduta arriva agli utilizzatori; in alto da cui per caduta arriva agli utilizzatori;

COMPONENTI PRINCIPALI DELL’IMPIANTOCOMPONENTI PRINCIPALI DELL’IMPIANTO1) Turbina eolica Whisper H 80 di Southwest Windpower1) Turbina eolica Whisper H 80 di Southwest Windpower�� Rotore a 3 lame;Rotore a 3 lame;�� Bassa velocità di inizio rotazione;Bassa velocità di inizio rotazione;�� Collegamento turbinaCollegamento turbina--pompa di tipo elettrico e non meccanicopompa di tipo elettrico e non meccanico

�� posizionamento della turbina a distanza dalla pompa;posizionamento della turbina a distanza dalla pompa;

12,24,48 V in 12,24,48 V in c.cc.c.;230 V in .;230 V in c.ac.aVoltaggioVoltaggio1000 W a 10,5 m/s 1000 W a 10,5 m/s Potenza di piccoPotenza di picco

3,1 m/s3,1 m/sVelocità del vento di start upVelocità del vento di start up30 kg30 kgPeso(solo turbina)Peso(solo turbina)3m3mDiametro rotoreDiametro rotore

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2) Modulo fotovoltaico GF 432) Modulo fotovoltaico GF 43�� Trasforma l’energia radiante del sole in elettricità;Trasforma l’energia radiante del sole in elettricità;�� Potenza massima 43 Potenza massima 43 WpWp ( radiazione di 1000w/m( radiazione di 1000w/m22 e e T=T= 25°C)25°C)�� SommabilitàSommabilità dei moduli in base alle esigenze d’acqua richiestedei moduli in base alle esigenze d’acqua richieste

3) Cassetta interruttore IO 1023) Cassetta interruttore IO 102�� Raddrizza la tensione trifase proveniente dalla turbina eolica iRaddrizza la tensione trifase proveniente dalla turbina eolica in n

tensione continua;tensione continua;�� Consente di combinare l’energia eolica e l’energia solare;Consente di combinare l’energia eolica e l’energia solare;�� Possiede un meccanismo di freno per la turbina; Possiede un meccanismo di freno per la turbina;

4) Unità di controllo CU 2004) Unità di controllo CU 200�� Comunica con la pompa e la stacca in caso di serbatoio idrico Comunica con la pompa e la stacca in caso di serbatoio idrico

pieno; pieno; �� Offre le indicazioni di potenza d’ingresso, pompa in funzione e Offre le indicazioni di potenza d’ingresso, pompa in funzione e

serbatoio idrico pieno;serbatoio idrico pieno;�� Indica l’arresto del funzionamento in caso di funzionamento a Indica l’arresto del funzionamento in caso di funzionamento a

secco,manutenzione,alimentazione di energia insufficiente;secco,manutenzione,alimentazione di energia insufficiente;�� Lunghezza Lunghezza maxmax fra CU200 e pompa: 200 m;fra CU200 e pompa: 200 m;�� Lunghezza Lunghezza maxmax fra CU200 e interruttore di livello: 100m;fra CU200 e interruttore di livello: 100m;

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Pierluigi Bruno2149-54925 Il sistema di pompaggio Il sistema di pompaggio

eolicoeolico--fotovoltaicofotovoltaico

Dimensionamento dell’impianto:Dimensionamento dell’impianto:scelta e descrizione della pompa scelta e descrizione della pompa

DATI IN INGRESSODATI IN INGRESSO

∆∆H = 70 m;H = 70 m;Q = 10 mQ = 10 m33/giorno;/giorno;PPFunzionamentoFunzionamento ≅≅ 50 %50 % PPMaxMax;;

Fra le pompe GRUNDFOS disponibili per applicazioni a energie rinFra le pompe GRUNDFOS disponibili per applicazioni a energie rinnovabili (3 modelli a novabili (3 modelli a rotore elicoidale per rotore elicoidale per �� ∆∆H e H e �� Q e 4 centrifughe per Q e 4 centrifughe per �� Q e Q e �� ∆∆H)H) quella che meglio quella che meglio soddisfa le specifiche richieste è la soddisfa le specifiche richieste è la SQF 2.5SQF 2.5--22 a rotore elicoidale (a rotore elicoidale (PmaxPmax = 900 W) che = 900 W) che con con PP11= 450W= 450W pompa pompa 1m1m33/h/h a a 70m70m di altezza.di altezza.

EEelel giornogiorno== 4,5 kWh ; 4,5 kWh ; EEelel annoanno≅≅ 1650 kWh;1650 kWh;

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Dimensionamento dell’impianto:Dimensionamento dell’impianto:il mix il mix eolicoeolico--fotovoltaicofotovoltaico

Performance turbina eolicaPerformance turbina eolica

EEelel prodotta in un prodotta in un annoanno== 1440 kWh1440 kWh

Performance impianto fotovoltaicoPerformance impianto fotovoltaico

EEelel prodotta in un prodotta in un annoanno== 550 kWh550 kWh

Eel pompa = 1650 kWh < Eel prodotta (eol+fot)= (1440+550) kWh=1990 kWhSovradimensionamento del 20%

La potenza di un impianto fotovoltaico si La potenza di un impianto fotovoltaico si misura in kWp(misura in kWp(kilowattkilowatt di picco) cioè la di picco) cioè la potenza teorica massima che può produrre potenza teorica massima che può produrre nelle condizioni standard di irraggiamento nelle condizioni standard di irraggiamento e temperatura (1000W/me temperatura (1000W/m22,T=25°C).,T=25°C).Nella zona considerata un impianto da 1 Nella zona considerata un impianto da 1 kWp di moduli policristallini produce 1100 kWp di moduli policristallini produce 1100 kWh/anno.kWh/anno.

Scegliendo un impianto Scegliendo un impianto da 0,5 kWp si avràda 0,5 kWp si avrà

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Analisi dei costi Analisi dei costi

≅≅ 1150011500��TotaleTotale10001000��AccessoriAccessori15001500��Pompa alta prevalenzaPompa alta prevalenza450450��Controller pompaController pompa80008000��Moduli fotovoltaici (20 x 50 W)Moduli fotovoltaici (20 x 50 W)

500500��Regolatore di caricaRegolatore di carica

≅≅ 1250012500��TotaleTotale10001000��AccessoriAccessori15001500��Pompa alta prevalenzaPompa alta prevalenza450450��Controller pompaController pompa

40004000��Moduli fotovoltaici (10x50 W)Moduli fotovoltaici (10x50 W)

55005500��Turbina eolica 1000w con Turbina eolica 1000w con regolatore di carica regolatore di carica eoleol/fot/fot

≅≅ 80008000��TotaleTotale10001000��AccessoriAccessori15001500��Pompa alta prevalenzaPompa alta prevalenza450450��Controller pompaController pompa

50005000��Turbina eolica 1000w con Turbina eolica 1000w con regolatore di carica regolatore di carica eoleol

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•Pompaggio EOLICOObiettivo non raggiunto

•Pompaggio FOTOVOLTAICODiscontinuità della risorsa solare

•Pompaggio EOL.-FOTOV.Maggiore continuità di

funzionamento

Problema elettrico: produzione di Problema elettrico: produzione di 10000kWh/anno da fonti rinnovabili10000kWh/anno da fonti rinnovabili

Specifiche richieste: alta affidabilitSpecifiche richieste: alta affidabilitàà, scarsa manutenzione , scarsa manutenzione

Si preferiscono soluzioni IN RETE alle soluzioni con batterieSi preferiscono soluzioni IN RETE alle soluzioni con batterie�� Gli impianti ON GRID sono connessi alla rete elettrica pubblica Gli impianti ON GRID sono connessi alla rete elettrica pubblica e lavorano in interscambio con essa;e lavorano in interscambio con essa;�� Autoproduzione en. el. > Richiesta en. el. Autoproduzione en. el. > Richiesta en. el. �� si immette il surplus nella rete pubblica;si immette il surplus nella rete pubblica;�� Autoproduzione en. el. < Richiesta en. el. Autoproduzione en. el. < Richiesta en. el. �� si integra il deficit dalla rete pubblica;si integra il deficit dalla rete pubblica;�� I kWh ceduti alla rete o acquistati da essa hanno lo stesso preI kWh ceduti alla rete o acquistati da essa hanno lo stesso prezzo zzo �� la rete funge da ACCUMULATORE;la rete funge da ACCUMULATORE;

Procedimento risolutivoProcedimento risolutivoParagono una Paragono una soluzione solaresoluzione solare e una e una soluzione eolicasoluzione eolica, entrambe ON GRID, tali che, , entrambe ON GRID, tali che, con le risorse naturali esistenti, la produzione annuale di enercon le risorse naturali esistenti, la produzione annuale di energia elettrica sia gia elettrica sia stimabile attorno ai stimabile attorno ai 10000 kWh/anno10000 kWh/anno e scelgo la più e scelgo la più economica.economica.

NotaNotaIl procedimento risolutivo del caso elettrico è differente rispeIl procedimento risolutivo del caso elettrico è differente rispetto al caso idrico.tto al caso idrico.Prima si aveva un obiettivo Prima si aveva un obiettivo giornaliero giornaliero su una rete (idrica) su una rete (idrica) chiusachiusa..Ora si ha un obiettivoOra si ha un obiettivo annuale annuale su una rete (elettrica) che lavora insu una rete (elettrica) che lavora in interscambiointerscambio. .

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Generazione di energia

250m250m

290m290m

350m350m

400m400m

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11ªª Ipotesi per la generazione diIpotesi per la generazione dienergia elettricaenergia elettrica

Turbine eoliche di piccola taglia• 0,3 kW < P < 50 kW ;• Installazioni ON GRID,OFF GRID ;• 2000-6000 � / kW ;• VMEDIA VENTO � 4 m/s ;• Bassa manutenzione ;

Sul mercato esistono• Numerosi modelli di P < 3kW (più di 10 tra SOUTHWEST WINDPOWER e BERGEY ,aziende leaders nel settore);• Alcuni modelli da 10-15 kW (BWC EXCEL 10 di BERGEY, MINIWIND E-15 di ENEL GREENPOWER);• Pochi modelli da 50 kW ( di ATLANTIC ORIENT CORPORATION );

IN BASE ALL’OBIETTIVO RICHIESTO E ALLE CONDIZIONI AL CONTORNO SI SCEGLIE

PRELIMINARMENTE IL

BWC EXCEL 10 kW

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Turbina eolica e torre di sostegnoTurbina eolica e torre di sostegno

Con torre da 80 ft (≅ 24m) si ha:

E el ca mensile = 840 kWh ;

E el ca annua= (840x12) kWh =

= 10080 kWh ;

Performance BWC Excel

•POTENZA NOMINALE = 10 kW con v=16 m/s;•VELOCITA’ DI START UP = 3,4 m/s;•ROTORE a 3 lame con D = 7m; •GENERATORE: Alternatore a magneti permanenti senza spazzole;•OUTPUT : C.A. trifase per connessioni in rete; C.C. per applicazioni con batterie;•CONNESSIONE IN RETE con inverter Gridtek(uscita monofase 240 V.A.C.-60Hz, 220 V.A.C-50 Hz);

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22ªª IpotesiIpotesi: l’impianto fotovoltaico: l’impianto fotovoltaico

1)1) MODULO FOTOVOLTAICO = pannello di MODULO FOTOVOLTAICO = pannello di materiale semiconduttore (silicio) che materiale semiconduttore (silicio) che sottoposto a radiazione solare produce sottoposto a radiazione solare produce corrente corrente elel. continua;. continua;

2)2) INVERTER = apparecchiatura impiegata per INVERTER = apparecchiatura impiegata per trasferire energia in c.c. sulla rete in trasferire energia in c.c. sulla rete in c.ac.a.;.;

3)3) METER = contabilizza l’energia elettrica METER = contabilizza l’energia elettrica immessa in rete perché prodotta in eccesso;immessa in rete perché prodotta in eccesso;

4)4) RETE B. RETE B. T.T. = allacciamento in parallelo in = allacciamento in parallelo in accordo con il documento ENEL DK 5950 ;accordo con il documento ENEL DK 5950 ;

Dalle mappe solari E E ElEl annua in annua in caca =1100kWh/kWp=1100kWh/kWp

Con un impianto di P = 9 kWpCon un impianto di P = 9 kWpE E ElEl annua in annua in caca = 9900 kWh= 9900 kWh

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Il programma “10000 Tetti Fotovoltaici”Il programma “10000 Tetti Fotovoltaici”

�� Piano quinquennale di finanziamenti del Piano quinquennale di finanziamenti del Min.Min. Ambiente e Ambiente e delle Regioni per ridurre le emissioni di gas serra (COdelle Regioni per ridurre le emissioni di gas serra (CO22) ;) ;

�� Per impianti fotovoltaici connessi in rete ;Per impianti fotovoltaici connessi in rete ;�� Rivolto a soggetti privati e enti pubblici ;Rivolto a soggetti privati e enti pubblici ;�� Potenza nominale degli impianti compresa fra 1 e 20 kWp ;Potenza nominale degli impianti compresa fra 1 e 20 kWp ;�� Contributo statale: max 75% per PContributo statale: max 75% per PNOMNOM <5kWp ; <5kWp ; maxmax 70% per 70% per

5kWp < P5kWp < PNOMNOM < 20kWp ;< 20kWp ;�� Costo massimo dell’impianto : 8000 Costo massimo dell’impianto : 8000 �� per kWp installato ;per kWp installato ;�� Impianto da mantenere in esercizio per almeno 12 anni ;Impianto da mantenere in esercizio per almeno 12 anni ;

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Analisi dei costi Analisi dei costi

Impianto fotovoltaico :Impianto fotovoltaico :�� 90 Moduli fotovoltaici da 100 90 Moduli fotovoltaici da 100

kWp l’uno;kWp l’uno;�� 1 inverter da 10 kWp per la 1 inverter da 10 kWp per la

connessione in rete;connessione in rete;�� Scatole, cavi,strutture di sostegno;Scatole, cavi,strutture di sostegno;�� Posa in opera;Posa in opera;

(Costo dell’impianto=7500(Costo dell’impianto=7500��/kWp)/kWp)

Costo totale dellCosto totale dell’’impianto=67500impianto=67500��;;

Impianto eolico :Impianto eolico :�� Turbina eolica BERGEY BWC da Turbina eolica BERGEY BWC da

10 kW;10 kW;�� Torre di sostegno da 80ft (24m);Torre di sostegno da 80ft (24m);�� Inverter Inverter GridTekGridTek 10;10;�� Scatole ,cavi;Scatole ,cavi;�� Posa in opera;Posa in opera;

Costo totale dell’impianto =30000 Costo totale dell’impianto =30000 ��;;Nota:•per entrambi gli impianti la vita media va dai 20 ai 30 anni e CMANUT./Anno < 200 ��;;X= percentuale di finanziamento;(67500-X 67500) = 30000 �X=55%

Se il contributo statale > 55% CTOT FOT.conviene il FOTOVOLTAICOSe il contributo statale < 55% CTOT FOT. conviene l’ EOLICO

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SCELTA DELLA SOLUZIONEesigenza di continuità di funzionamento

SOLUZIONI PROBLEMA IDRICO

OBIETTIVI RICHIESTI

DIMENSIONAMENTO DELLE SOLUZIONI

RICERCHE DI MERCATO

ANALISI DEI COSTI

DIMENSIONAMENTO DELLE SOLUZIONI

ANALISI DEI COSTI

SOLUZIONI PROBLEMA ENERGETICO

RICERCHE DI MERCATO

SCELTA DELLA SOLUZIONE

ANALISI DEL SITO STIMA RISORSE IDRICHE

SOLUZIONE INTEGRATABACINO D’ ACCUMULO

INAPPLICABILITA’ DELLA SOLUZIONE

STIMA RISORSE EOLICHEE SOLARI

Riepilogo e Conclusioni Riepilogo e Conclusioni Tesi di Laurea di

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