Energia Eolica: Il vento, la tecnologia il mercato

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

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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

5. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

6. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

7. 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 erbabassa e qualche cespuglio da un valore di circa 0,03 m, una superficie innevata liscia da un valore di circa 0,0005 m. Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

8. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

9. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

10. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

11. 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 = 0,20 • Valore nazionale 2008 = 0,21 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

12. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

13. La RisorsaEolica 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

14. Curva di potenza di un aerogeneratore Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

15. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

16. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

17. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

18. 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% Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

19. Tecnologia Regolazione della potenza Controllo di stallo Controllo di pitch Controllo 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

20. 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%) Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

21. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

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23. Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

24. Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

25. Anemometro ad ultrasuoni Argano di servizio Sistema di raffreddamento generatore elettrico Generatore con sistema OptiSpeed  Attuatore di passo  Sistema di raffreddamento moltiplicatore Moltiplicatore di giri Albero lento Sistema di variazione del passo Mozzo  Cuscinetto pala Pala Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

26. 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. Transformer 10. Blade hub 11. Blade bearing 12. Blade 13. Rotor lock system 14. Hydraulic unit 15. Hydraulic shrink disc 16. Yaw ring 17. Machine foundation 18. Yaw gears 19. Optispeed™-generator 20. Generator cooler Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

27. Aspetti innovativi • Velocità 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

28. Zona a Cp = Cp max Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

29. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

30. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

31. Impatto ambientale • Impatto visivo • Impatto acustico • Collisioni con l’avifauna • Interferenza elettromagnetica • Sostenibilità (sociale, ambientale, economica e culturale) Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

32. 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 EOLICO e AMBIENTE Valori noti e normalizzati all’energia eolica del MIPS delle varie fonti Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

33. 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. Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

34. Emissione sonora da fonti diverse Jet airplane Industrial noise Inside car Office Wind turbine Falling leaves Pneumatic drill Stereo music Typing pool Home Whispering Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

35. Benefici • 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

36. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

37. Minieolico • Settore d’importanza strategica • Applicazioni diversificate • Aspetti sociali preminenti • Informazione carente • Carenza strumenti normativi • Costi e incentivi Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

38. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

39. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

40. 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 Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

41. 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) Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

42. Industria Prototipo Aerogeneratore Leiwind 1.2 MW Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

43. Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

44. Produzione degli aerogeneratori, delle pale e delle relative torri di sostegno Moncada Energy Group ex area Montedison di Porto Empedocle Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

45. Fine 2008: Mondo: 120,791 MW Europa: 64,948 MW Italia: 3,736 US Germany Spain China India Italy France UK Denmark Portugal Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato

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