Alma Mater Studiorum- Università di Bologna
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di laurea in Ingegneria Gestionale
Insegnamento: Principi di Ingegneria elettrica
EOLICO OFFSHORE
Anno Accademico 2006 - 2007
Obiettivi
Descrizione tecnica
 Analisi delle fondamenta
 Collegamento alla rete
 Analisi dei costi
 Manutenzione
 Impatto ambientale
 Effetti socio-economici
 Panoramica politica europea
 Nuovi impieghi dell’offshore

Evoluzione nel tempo della tecnologia eolica
Analisi delle fondamenta

Strutture fisse al sottosuolo:
- gravity based
- monopila
- tripalo

Strutture galleggianti
- strutture a boa
- navi semi-sommergibili
Strutture gravity based
-
-
-
-
Richiedono la preparazione del suolo
Non adatti per acque con profondità superiori ai 10
metri
Non consigliati per siti ripidi
Vengono realizzati in cantieri navali
Trasporto con grosse navi
Implicano l’utilizzo di grandi
navi-gru per l’installazione
In sostituzione per ridurre i costi
è adottata una struttura d’acciaio
Strutture monopila
- utilizzate nella maggior parte delle installazioni
- usate in acque con profondità inferiori ai 25 metri
- diametro tra 3- 4,5metri e peso da 100 a 400 ton
- penetrazione nel sottosuolo
dai 18 ai 25 metri
- non richiede la preparazione del fondale
- fissati tramite vibrazione o trivella
- tempo d’installazione circa 30 ore
Struttura monopila
Rappresentazione grafica della fase d’installazione:
Struttura trepiede
–
diametro tubi di supporto 0,9 metri
–
profondità di penetrazione 10 – 20 metri
–
adatto per acque profonde
– rischio di urto in acque profonde 6 – 7 metri
– struttura realizzata in cantieri
navali e poi trasportata
– non richiede la bonifica del suolo
– piloni installati tramite trivella
Strutture a boa e semi-sommergibili
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
possibilità di sfruttare maggiori profondità
sistemi di ormeggio sofisticati
grandi zavorre per garantire la stabilità
richiesta di grandi sforzi economici
coprono circa il 40% del costo totale d’installazione
le strutture semi-sommergibili sono molto più costose e
richiedono maggiori sforzi
poca esperienza pratica
il prezzo del KWh aumenta rispetto ad altri sistemi
possibilità installare più turbine con strutture semisommergibili
maggiori problemi per il collegamento e la manutenzione
Collegamento alla rete elettrica
 sistemi di collegamento ad alta tensione in corrente continua HVDC
 sistemi di collegamento ad alta tensione in corrente alternata HVAC
Sistemi HVAC

la turbina genera corrente a media tensione e il trasformatore la passa il
alta tensione e la trasferisce al trasformatore sulla terra che la riporta
alla tensione della rete;
 in teoria la tensione può raggiungere livelli di 800 KV;

la struttura dei cavi è fondamentale per la messa in posa, composta da
metallo e plastica;

il metallo serve per la corrosione e per attutire e assorbire le forze
meccaniche;

possibilità di avere tre cavi separati o un unico cavo con tre conduttori;

con i cavi singoli si ha maggiore capacità di trasmissione;

maggiore profondità maggiore possibilità di rottura o danneggiamento
dei conduttori;
Sistemi HVAC





utilizzo di grosse piattaforme per l’installazione
e il trasporto dei cavi
la portata di corrente dipende dal diametro
mentre la tensione dallo spessore degli isolanti;
vantaggi: campo magnetico neutralizzato con un
unico cavo;
svantaggio: maggiori perdite all’aumentare della
lunghezza del cavo;
si riescono a contenere le perdite con distanze
inferiori a 120 Km;
Sistemi HVDC


la media tensione generata dalla turbina è trasformata in alta tensione AC e dopo
convertita in alta tensione DC. La corrente viene trasferita sulla terra ad alto
voltaggio in corrente continua con dei cavi. Sulla terra ferma l’alta tensione in DC
viene convertita i tensione AC con frequenza a 50Hz è dopo viene portata da un
trasformatore al livello di tensione della rete di connessione;
Tipologia di trasmissione: tramite tiristore;
Sistemi HVDC
La tensione in corrente alternata viene convertita in corrente continua da un raddrizzatore.
All’uscita del sistema la DC è convertita in AC da un ponte tiristore che commuta i poli DC
alternativamente alla trifase del sistema in corrente alternata. Questo classico convertitore
HVDC richiede la presenza di una rete AC per operare dalla quale attira potenza reattiva. La
corrente AC risultante ha la forma a gradino e richiede ampie unità di filtro, i due
convertitori lavorano simmetricamente, uguagliando in uscita livelli positivi e negativi. Un
vantaggio di questi sistemi è la capacità di trasmette energia ad alta tensione. Uno svantaggio
è che non può generare una propria rete di tensione e di frequenza e vi è un generatore
diesel o un cavo in corrente continua parallelo a quello in corrente alternata che porta la
tensione alla turbina.
Sistemi HVDC









I conduttori DC sono rivestiti da un isolante;
Hanno un’armatura per attutire le forze meccaniche;
Non vi sono perdite di corrente;
Il campo magnetico è neutralizzato dai due poli;
Possibilità di usare due cavi separati o un cavo concentrico o un
cavo con due conduttori;
Importante sotterrare i cavi in parallelo a una distanza tra 1 e 10
metri;
Massima neutralizzazione ottenuta
Massima
Massima
Tipo di cavo
capacità di
tensione
con il cavo concentrico;
trasmissione
Maggiore utilizzo di isolante con
Bipolare o
800 MW
cavi concentrici;
± 400 KV
concentrico
Maggiore potenza di trasmissione
Da 800 MW a
con cavi separati;
1GW,
Due cavi separati
± 600 KV
in futuro a
2,5GW
Confronto sistemi di trasporto di
corrente
HVDC
Andamento dei costi dei HVAC
due sistemi in funzione della distanza:
Tecnologia tiristore
Tecnologia IGB-transistore
Alta e aumenta con la distanza
bassa
Bassa
Approvvigionamento di tensione
e frequenza
possibile
impossibile
Possibile
Approvvigionamento di potenza
reattiva
si
No
Si, ma invertita
Controllo della potenza attiva e
reattiva
Impossibile dal sistema di
trasmissione
Possibile dal sistema
Possibile dal sistema
bidirezionale
Uni-direzionale
Bi-direzionale
Piccoli
Molto ampi
ampi
Semplice tecnologia
Testato in numerose applicazioni
onshore
Capacità di trasmissione molto
alte
Trasmissione bi-direzionale
Approvvigionamento di
potenza reattiva
Alte perdite che aumentano con
la lunghezza del cavo
Nessuna fornitura di potenza
reattiva
Nessuna generazione di una
rete di tensione
Capacità di trasmissione
limitata
Usato solo in poche
applicazioni
Perdita di trasmissione
Direzione della trasmissione
Spazio richiesto
Vantaggi
svantaggi
Costi

negli ultimi 15 anni il suo costo è diminuito dell'85%

l'economia eolica dipende molto dalla ventosità del sito

Attuali costi d’installazione 1650 €/KW

Riduzione dei costi negli ultimi anni da 0,064 a 0,049 € a KWh

Nel 2010 costi d’installazione pari a 750 €/KW
Offshore
Onshore
5%
3%
3%
23%
33%
0%
0%
0%
14%
9%
2%
69%
15%
24%
Turbine
Fondazioni
Collegamenti
Management
Strade e costruzioni
Funzionamento e manutenzione
Decommissioning
Costi
600
euro/mq
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
diametro rotore (m)

Esiste un trend di media-alta taglia (30-70 metri di diametro) che si
incrementa all’aumentare delle dimensioni del diametro del rotore
Costi
2500
euro/KW
2000
1500
1000
500
0
0
500
1000
1500
2000
2500
potenza nominale (KW)
3000
 turbine con potenza tra 2 e 2,5 MW rispondono molto bene come costo per KW
dovuto a una più alta velocità grazie a un maggior rapporto di prestazioni nominali
del diametro del rotore.
Manutenzione

Manutenzione molto difficile e costosa (accesso con navi o elicotteri)

Importanti per la valorizzazione economica modelli di manutenzione
correttiva e preventiva

È fondamentale lavorare sull’accessibilità introduzione di:
- piattaforme fisse
- passaggi flessibili
- pilastri di sostegno per ormeggiare i battelli
- navi con sistemi di sollevamento più semplici
accessibili dal personale e dall’equipaggio

Miglioramento delle turbine, dei set-up delle sottostazioni e dei sistemi
di cablaggio per migliorare la disponibilità e l’affidabilità e diminuire la
manutenzione
Impatto ambientale



È un’energia pulita, non vi è né impatto chimico né radioattivo
dei componenti
Bilancio costi ambientali/beneficio ambientale ampiamente
positivo
Aspetti ambientali considerati:
- emissioni evitate
- occupazione del territorio
- impatto visivo
- rumore
- effetti elettromagnetici
- interferenze elettromagnetiche
- effetti su flora e fauna
Emissioni evitate
La riduzione di emissioni può essere calcolata usando la seguente formula:
CO2 (in ton)= (A x 0.3 x 8760 x 860)/1000
SO2 (in ton) = (A x 0.3 x 8760 x 10)/1000
NOX (in ton) = (A x 0.3 x 8760 x 3)/1000
dove
A la stima della capacità di sviluppo dell’energia eolica in MW
0.3 è una costante che tiene in conto l’intermittente natura del vento, la
disponibilità delle turbine eoliche e le ordinarie perdite
8760 è il numero di ore in un anno

Una tipica turbina di 0.66MW contribuisce alla riduzione di emissioni con:
• 1491,65 ton di CO2
• 17,34 ton di SO2
• 5,2 ton di NOX
Impatto visivo




l’impatto sul paesaggio e visivo è generalmente inferiore, data la
distanza dalla linea di costa
possono comprendere segnali per la navigazione, elementi per
l’illuminazione notturna
in Gran Bretagna hanno valorizzato i paesaggi diventando oggetto
d’attrazione turistica
si valutano progetti per installazione più a largo, con conseguente
aumento dei costi e maggiore difficoltà per la gestione dell’impianto
Impatto ambientale

Impatto acustico:
- abbastanza ridotto
- dipende dalla velocità del vento
- minore rispetto a quello cittadino

Interferenze sulle telecomunicazioni:
- può influenzare la propagazione dei segnali
- un’adeguata distanza fa si che
l’interferenza sia irrilevante
Flora e fauna

l’inquinamento elettromagnetico ed
acustico

stormi di uccelli vanno a sbattere
contro le pale del rotore

gli uccelli reagiscono meglio quando il
vento è contrario
 le anatre evitano il volo a 100 metri dalla torre
 grandi ostacoli posti dagli animalisti
 problema della migrazione di uccelli
 l’impatto acustico va a modificare il loro
comportamento dall’alimentazione al volo
Flora e fauna

I mammiferi marini sono vulnerabili perché non riescono a comunicare
 le vibrazioni e il rumore emesso dalle pale possono rappresentare dei
possibili pericoli come:
- presenza di altri animali
- possibili attacchi
- alterazione della sensibilità al rumore
Flora e fauna

Mutazione della fauna

Migrazione di alcune specie di pesci

Maggiori problemi durante l’installazione

Vengono effettuate delle analisi per valutare
l’alterazione dell’ambiente marino prima e dopo

l’installazione dei cavi su fondali e i vari
scavi contribuiscono notevolmente a
deturpare la fauna marina distruggendo
l’habitat

Per ogni impianto vanno fatti degli studi specifici in quanto ogni zona è
caratterizzata da animali con caratteristiche e comportamenti differenti
Conflitto d’interesse




interferenza con il traffico marino:
- le rotte marine non possono essere concesse per parchi eolici
il traffico di aerei civili è un problema
- viene concesso il permesso per installare ma non lo spazio aereo
per avere accesso e fare la manutenzione
le aree militari:
- problema principale in Svezia e Finlandia
disturbi radio e dei segnali radar:
- le turbine hanno effetti negativi sui sistemi utilizzati dalla Nato
- non ci sono particolari problemi con le nuove strumentazioni
- il movimento delle pale è interpretato come un aeromobile
- bisogna integrare le coordinate delle turbine con i sistemi di
rilevamento
- i problemi aumentano con l’aumentare del numero di turbine
Conflitto d’interesse

conflitto con l’industria del pesce:
- implicano la restrizione di alcune tipologie di pesca
- comportano la migrazione di alcune specie
- alcune fondamenta contribuiscono a ricreare l’habitat naturale

problemi con gli archeologi:
- vi sono dei fondali protetti
- durante gli scavi si possono scoprire reperti che bloccano i
lavori

conflitto con l’industria petrolifera
- nei fondali ci può essere la presenza di materie prime
fondamentali e molto redditizie
Effetti socio-economici



c’è il potenziale per creare maggiori posti di lavoro rispetto ai settori convenzionali
impieghi nella costruzione, installazione e gestione/manutenzione
maggiore richiesta di figure professionali in project management, scienze marine,
meteorologia, ingegneria
2010
2020
Installazioni
Impieghi/€m




Manutenzione
Impieghi/GWh
Installazioni
Impieghi/€m
Manutenzione
Impieghi/GWh
Solare - termico
6,40
0,26
6,51
0,25
Solare – fotovoltaico
6,97
0,44
5,38
0,40
Vento – offshore
7,48
0,22
6,71
0,22
Vento – onshore
6,06
0,14
6,07
0,14
Idrogeno
5,17
0,09
5,21
0,09
Biomassa- liquido
6,08
0,86
6,08
0,86
a fronte di una produzione di 720 TWh/anno di energia eolica offshore, si genera da
1,6 a 3 milioni di euro di lavoro per l’installazione e di 158.400 in manutenzione
dopo il 2020 è da considerare che si avrà una riduzione delle installazione
ma dal 2025 in poi le vecchie turbine dovranno essere sostituite
invece la manutenzione sarà un lavoro stabile perché le turbine lavorano di continuo
Panorama Europeo





IRLANDA
l’EWEA
ha annunciato gli obiettivi fissati per il
2010
si contacostruzione
di riuscire adè la
arrivare
a 75 GW
La piùdove
importante
wind farm
di
di
potenza
installata
di
cui
10
GW
prodotti
Arklow con una capacità di 520 MW situata a circa
dall’offshore; per il 2020 i target da coprire è
10
Km adalla
costa,
sette
da 3,6
fissato
quota
180 le
GW
di turbine
potenzaeoliche
complessiva
MW
si ergono
sul GW
livello
del mare
con un'altezza
installata
dove 70
saranno
sottoforma
di
pari
a
quella
di
un
edificio
di
30
piani
e
con
un
risorsa offshore
diametro del rotore comparabile alla lunghezza di
SVEZIA
un campo da calcio, nel Nord Atlantico c’è
Sono
state identificate
delle
di interesse
abbastanza
energia eolica
peraree
soddisfare
le nazionale
per
lo sviluppo
eolica, lo
Stato ha stanziato dei fondi per la ricerca e lo
necessità
di tuttadell’energia
l’Europa sarebbe
possibile
sviluppo
di questo settore,
moltidipolitici
hanno proposto dei cambiamenti legali e
generare all'incirca
345 miliardi
kWh l'anno.
regolatori per incentivare questa risorsa
INGHILTERRA
DANIMARCA
L’eolico
ha un un
ruolo
fondamentale,
attualmente
abbiamo
1200 MW
installati
È stato varato
maxi
progetto al largo
del Tamigi
che prevede
l’entrata
in servizio nel
GERMANIA
2011 di 270 turbine per una potenza complessiva di 1000 MW, nella seconda zona avremo
Varato
la realizzazione
20-25
GW di potenza
installata
il 2025
e il 2030,
progettiun
di piano
taglia per
superiore
dove sonodistati
individuati
15 siti divisi
in tretraaree
strategiche,
il
ostacoli
creati
dal
trasporto
dell’energia
prodotta
governo ha preso importanti iniziative come stanziare dei fondi per la costruzione oppure
OLANDA
creare delle linee per la connessione alla rete elettrica sulla terra ferma, l’obiettivo è quello
La
costruzione
della Near
Shore
Wind
Farm
è una
dimostrazione
di unilprimo
grande
di
riuscire
a
soddisfare
con
l’eolico
il
25%
della
potenza
richiesta
entro
2020.
passo verso lo sviluppo dell’energia eolica
l’obiettivo di installare complessivamente 6 GW entro il 2020
Cina

La Cina sta progettando centrali eoliche in mezzo al mare a 50 Km
dalla costa in acque profonde sino a 30 metri, i siti disponibili sono
numerosi e non vi sarebbero interferenze con altre attività umane.
Entro il 2020 la Cina punta a disporre di impianti eolici per circa 20
mila MW. Il potenziale da centrali eoliche off-shore è attualmente
valutato in circa 750 mila MW, pari al 70% in più del totale della
potenza elettrica installata.
Installazione cumulativa a livello mondiale ( espressi in W)
10000
8000
6000
4000
2000
0
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
Arklow - Irlanda
Lely - Olanda
Milddelgrunden - Irlanda
Nogrsund - Svezia
Vindeby - Danimarca
Tuno Knob - Danimarca
Horns Rev - Danimarca
Irene Vorrink - Olanda
Yttre Stengrund - Svezia
North Hoyle - Galles
Blyth - Inghilterra
Bibliografia
“Analisi strutturale di una piattaforma OFF-SHORE” – Università di Bologna –
Dipartimento di Ingegneria Energetica
“Sea Wind Europe”- 2005 Greenpeace
“Offshore wind implementino a new powerhouse for Europe”- Report 2005Greenpeace
“Wind force 12 “ – June 2005- GWEC
“Enabling offshore wind development”- EWEA
Focus “capire e scoprire il Mondo” – Aprile 2007 N° 174
Rapporto energia e ambiente 2006 – Enea
www.enea.it
www.EWEA.org
www.isesitalia.it
www.energialab.it
www.energoclub.org
www.iea.org
www.offshorewindenergy.org