Corso di Formazione ANEV di Secondo Livello 1/2012 Il Mineolico

1. Corso di Formazione ANEV di Secondo Livello 1/2012 Il Mineolico Sede ANEV, Roma, 15-16 marzo 2012 Principali aspetti per gli impianti stand - alone o grid-connected Luciano Pirazzi Segretario Scientifico ANEV segreteria.scientifica@anev.org

2. 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

3. La risorsa eolica: come 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

4. La risorsa eolica: come nasce il vento 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

5. Classificazione macchine eoliche Piccola taglia: da pochi watt sino a 100-200 kW. La norma fissa il limite a 200 m2 di superficie del rotore (lunghezza pala circa 8m) Media taglia: da 200 a 1000 kW Grande taglia: oltre 1000 kW Piccola taglia: micro-eolico sino 1 kW, mini-eolico oltre 1 kW, nel Regno Unito la soglia tra micro e mini è rappresentata dall’area del rotore di 3,5m2 Gli aerogeneratori di media-grande taglia sono ad asse orizzontale, generalmente a tre pale, con il rotore sopravento rispetto alla torre (il vento incontra prima le pale e successivamente il sostegno) Nelle macchine di piccola taglia sono presenti soprattutto quelle ad asse orizzontale, di solito tripala, ma si riscontrano anche macchine bipala e ad asse verticale

6. Classificazione macchine eoliche La maggior parte delle turbine micro e minieoliche utilizza pale realizzate in poliestere e fibra di vetro, dotate di timone direzionale per orientare il rotore in direzione del vento, con alternatori a magnete permanente, semplici e robusti Fra le turbine ad asse verticale, la macchina Savonius è impiegata soprattutto per il pompaggio dell’acqua, e in qualche caso anche per la produzione di energia elettrica. Si tratta di una macchina molto robusta e semplice dal punto di vista costruttivo e di funzionamento. Ha il vantaggio di avere una forte coppia di spunto, che gli consente di avviarsi anche con vento debole, mentre è poco adatta ai venti forti

7. Diffusione del minieolico negli USA Negli USA nel 2010 sono state installate piccole macchine sino a 100 kW per una potenza di 25 MW Alla fine del 2010 è stata stimata l’installazione di 144.000 unità per una potenza complessiva di179 MW 1.500 alla stessa data erano gli addetti a tempo pieno nell’industria Fonte: AWEA’s 2010 U.S. Small Wind Turbine Market Report

14. Costi

15. Priorità di ricerca e sviluppo su scala industriale

16. Rendimento

17. Progettazione

19. Accumulo

20. Struttura di una turbina Il generatore, direttamente collegato al rotore, può essere del tipo sincrono o asincrono. La tipologia più frequente è il generatore sincrono a magneti permanenti. La corrente in uscita dall’alternatore, monofase o trifase, viene trasformata in continua attraverso un gruppo di conversione (raddrizzatore) ed eventualmente, in funzione degli usi finali, ritrasformata in alternata tramite inverter. Le sovratensioni sono controllate tramite centralina elettronica (wind controller)

21. Applicazioni del minieolico Queste tipologie di installazioni necessitano di un gruppo di batterie per l’immagazzinamento dell’energia in eccesso. In queste installazione l’inverter è opzionale, si rende necessario qualora l’impianto fosse collegato direttamente all’alimentazione principale dell’utenza domestica Off-grid, alimentazione di utenze isolate - per abitazioni o piccole aziende (turbine singole, stand-alone, o accoppiate ad impianti di cogenerazione o fotovoltaici, sistemi ibridi) - a servizio di sistemi di telecomunicazione (ripetitori di segnale, antenne) - sistemi di monitoraggio qualità dell’aria - impianti di pompaggio acque - potabilizzazione (dissalazione) acqua marina

22. Applicazioni del minieolico Sistemi grid-connected - net-metering (scambio sul posto) - vendita dell’energia (tariffa omnicomprensiva) In questa situazione si necessita l’installazione di un inverter, che trasformando la corrente da continua in alternata secondo gli standard di rete, rende possibile gli scambi. È necessario inoltre installare opportuni contatori che, nel caso per esempio del net-metering (reversibili), permettono di effettuare un bilancio tra l’energia ceduta e quella prelevata

23. Sistemi di controllo, elettrici e meccanici Il meccanismo di imbardata, esterno per la maggior parte delle turbine minieoliche, permette l’istantaneo allineamento alla direzione del vento, in modo da ottimizzare la produzione energetica Il sistema di controllo di potenza, permette, in caso di venti forti, la regolazione dell’angolo di inclinazione di ogni singola pala (pitch control), in modo da ridurre la velocità di rotazione, o la disposizione della turbina parallelamente alla direzione del vento (a bandiera). Il sistema di controllo a stallo, attivo o passivo, consente il controllo della potenza in condizioni di vento forte. Alcune case costruttrici prevedono, per condizioni meteo particolarmente avverse, la possibilità di adagiare la turbina al suolo, soluzione che risulta particolarmente conveniente anche nella fase di manutenzione. I meccanismi di frenatura, aerofreni ad azionamento centrifugo, freno meccanico a disco consentono il fermo del rotore per velocità del vento troppo elevate

24. Sistemi di controllo, elettrici e meccanici L’assenza del meccanismo di imbardata comporta un minor peso della struttura, una maggiore semplicità costruttiva ed una maggiore flessibilità delle pale. La presenza del meccanismo di imbardata, permette di evitare l’effetto ombra generato dalla torre, migliora le performance aerodinamiche, evitando fenomeni localizzati di turbolenza, minimizza l’impatto acustico e rende minime le sollecitazioni delle pale

25. Applicazioni eolico di piccola taglia Collegamento alla rete elettrica per la vendita dell’energia generata Tariffa fissa 30 cent/kWh per una durata di 15 anni Scambio sul posto di impianti alimentati da fonti rinnovabili con potenza fino a 20 kW e impianti alimentati da fonti rinnovabili di potenza superiore a 20 kW fino a 200 kW entrati in esercizio in data successiva al 31 dicembre 2007 Lo scambio sul posto (Del. AEEG n. 74/08, Del. AEEG n. 184/08, Del. AEEG n. 1/09) è un servizio che viene erogato dal GSE dal giorno 1° Gennaio 2009 su istanza degli interessati. Consente all’utente che abbia la titolarità o la disponibilità di un impianto, la compensazione tra il valore associabile all’energia elettrica prodotta e immessa in rete e il valore associabile all’energia elettrica prelevata e consumata in un periodo differente da quello in cui avviene la produzione. Lo scambio sul posto contempla l’acquisizione dei certificati verdi

26. Scambio sul posto: ecco le novità • In applicazione della legge 99/09, con la Delibera 9 dicembre 2009 - ARG/elt 186/09, l’AEEG ha definito importanti modiche al “Testo integrato delle modalità e delle condizioni tecnico-economiche per lo scambio sul posto” (ARG/elt 74/08), in vigore dal 1 gennaio 2009.Tra le principali novità, si segnala la possibilità per gli utenti dello scambio sul posto di optare tra la gestione a credito per gli anni successivi e la liquidazione monetaria (annuale) delle eventuali eccedenze. Inoltre, per i Comuni al di sotto dei 20mila abitanti residenti e per il Ministero della Difesa è riconosciuta la possibilità di attivare lo scambio sul posto senza la necessità che il punto di immissione e il punto di prelievo coincidano. In tal caso la potenza complessiva non deve essere superiore a 200 kW.

27. Applicazioni eolico di piccola taglia agriturismi, artigianato, piccola industria, fattorie, campeggi, rifugi, utenze domestiche isolate in montagna, al mare o su isole alimentazione di sistemi di telecomunicazione, sistemi di pompaggio e drenaggio di siti da bonificare, utenze di illuminazione pubblica (strade, viadotti, gallerie, fari, piattaforme, impianti semaforici, etc.)

28. Applicazioni eolico di piccola taglia • discreto potenziale applicativo anche nelle aree naturali protette, che costituiscono circa il 10% del territorio nazionale (Parchi Nazionali e Regionali, Riserve Naturali Statali e Regionali, Aree marine Protette ed Aree Protette provinciali, comunali e di vario genere) • Il Protocollo di intesa tra ENEL, Federparchi e il Ministero dell’Ambiente, siglato nel febbraio 2001, ha previsto che i crescenti fabbisogni energetici all’interno dei parchi, siano soddisfatti attraverso impianti di Fonti Energetiche Rinnovabili di piccola taglia

29. Applicazioni eolico di piccola taglia area di potenziale applicazione della piccola taglia è quella delle reti locali nelle isole minori, che sono più di quaranta in Italia ed alcune centinaia nell’intero Mediterraneo

30. Sistemi ibridi Si tratta di impianti che associano due o più sistemi di generazione, in parte convenzionali (es. diesel) per garantire una base di continuità del servizio elettrico, e in parte da fonti rinnovabili (eolico, fotovoltaico, idroelettrico, ecc.), completati da sistemi di accumulo (batterie), di condizionamento della potenza (inverter, raddrizzatori, regolatori di carica) e di regolazione e controllo

31. Sistemi ibridi • Per sopperire alle esigenze di energia elettrica nelle aree remote non elettrificate, in passato venivano utilizzati esclusivamente generatori diesel, che presentano una ridotta efficienza di funzionamento, alti oneri di manutenzione, breve vita dell’impianto. I sistemi ibridi invece consentono di sfruttare le risorse rinnovabili esistenti sul territorio e costituiscono una concreta opzione, compatibile sul piano ambientale e sociale. • Attualmente si progettano sistemi ibridi dove le fonti rinnovabili e l’accumulo forniscono fino all’80-90% dei fabbisogni energetici, lasciando al diesel solo la funzione di soccorso.

32. La risorsa eolica: energia del vento E’ 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

33. 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

34. Curva di potenza

35. 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

36. Distribuzione di Rayleigh Fonte: Wind Power by Paul Gipe

37. Distribuzione di Rayleigh Il fattore cubico della distribuzione di Rayleigh è 1,91 ed esprime la relazione tra la densità di potenza basata solo sulla velocità media e quella derivata dalla distribuzione reale della velocità del vento Questa relazione ha una buona validità per siti dal clima temperato e con velocità del vento forte e moderata Fonte: Wind Power by Paul Gipe

38. Densità di potenza e di energia annuale in funzione della velocità del vento per una distribuzione di Rayleigh Media annuale Densità di potenza Densità di energia velocità del vento annuale (w/m2) (annuale kWh/m2) 4 m/s 75 656 5 m/s 146 1.281 6 m/s 253 2.214 7 m/s 401 3.515 8 m/s 599 5.247 9 m/s 853 7.471 Fonte: Wind Power by Paul Gipe

39. Distribuzione di Weibull Curve di distribuzione della velocità e della densità di potenza in due siti con velocità del vento di poco superiore a 7 m/s Fonte: Wind Power by Paul Gipe

40. Distribuzione di Weibull The Weibull parameters, c and k, are derived by computing statistics about wind data. k, the shape parameter, specifies how sharp a peak the curve has, while c is the weighted average speed, more useful in power calculations than the actual mean speed.

41. Energia nel vento – fattore Weibull 2 Aree con vento massimo di 18-20 m/s 2,5 Aree con vento massimo di 15-16 m/s 3 Aree con vento massimo di 13-14 m/s 3,5 Aree con vento massimo di 11-12 m/s 4 Aree con vento massimo di 10 m/s La distribuzione Weibull: questa variabile viene utilizzata per indicare la distribuzione dei venti in un anno. La distribuzione viene descritta con il fattore “K”. Il fattore Weibull Due esempi di distribuzione Weibull; in tutte e due i casi, la media annuale é di 6 m/s. Il diagramma sulla sinistra mostrá un fattore Weibull k=2, a destra un fattore k=4 Weibull K = 2 Weibull K = 4 Weibull: two examples caso 1: 10 giorni, con un vento costante di 5 m/s (media 5 m/s) cas0 2: 10 giorni, 5 giorni assenza di vento, 5 giorni con 10 m/s (media 5 m/s) Turbine eolica con 10m2 di superficie e un efficienza del 30% case 1: 53 x 1,225 x 0,5 x 10m2 x 30% = 229,7 W x 24 hours x 10 days = 55,125 Kwh in 10 giorni case 2: 103x 1,225 x 0,5 x 10m2 x 30% = 1.837 W x 24 hours x 5 days = 220,5 Kwh in 5 giorni Distribuzione di Weibull Due esempi: caso 1: 10 giorni, con un vento costante di 5 m/s (media 5 m/s) cas0 2: 10 giorni, 5 giorni assenza di vento, 5 giorni con 10 m/s (media 5 m/s) Turbine eolica con 10m2 di superficie e un efficienza del 30% case 1: 125 x 1,225 x 0,5 x 10m2 x 30% = 229,7 W x 24 hours x 10 days = 55,125 Kwh in 10 giorni case 2: 1000x 1,225 x 0,5 x 10m2 x 30% = 1.837 W x 24 hours x 5 days = 220,5 Kwh in 5 giorni

42. 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.

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

44. La risorsa eolica: “speed effect” e classi di rugosità (3) La lunghezza di rugosità (z0) riassume in sé l'informazione essenziale nell'ambito della teoria che descrive la crescita della velocità con l’altezza attraverso la legge logaritmica dove u* è la velocità d'attrito, costante nello strato limite superficiale, k è la costante di von Karman (pari a 0,4), z è l'altezza dal suolo, .

45. La risorsa eolica: classi di rugosità . Velocità del vento, in percentuale del valore in alta quota, al variare dell'altezza dal suolo e per diversi valori di lunghezza di rugosità (in metri).

46. La risorsa eolica: turbolenza ed influenza degli ostacoli 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

47. Profilo di velocità del vento

48. Profilo di velocità del vento

49. Profilo di velocità del vento h* esprime la lunghezza di rugosità che nella formula appariva come z0

50. La risorsa eolica: ricerca di siti idonei (1) Adeguata ventosità, definita da opportuni parametri statistici ottenuti elaborando dati anemometrici (atlante eolico nazionale http://atlanteeolico.cesiricerca.it) 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 componenti dell’aerogeneratore