Sommario Nelle pagine seguenti viene illustrata la possibilità di generare energia eolica con un nuovissimo tipo di aerogeneratore ricavato all’interno di un aerostato ancorato a circa 1000 m da terra. I vantaggi principali del nuovo sistema di generazione ecologica della energia elettrica sono: - installazione offshore su apposite piattaforme galleggianti che evitano qualsiasi problema di interferenza con il traffico aereo - produzione per ogni generatore di energia elettrica circa 8 volte superiore a quella generabile con i più grandi aerogeneratori tradizionali ( da 5 Mw) posti a terra - nessun impatto con il territorio - costo della energia prodotta di circa 2 cent. di € al Kwh - possibilità di generare quasi tutta la energia elettrica necessaria alla nazione con un investimento dell’ordine dei 100 miliardi di € (poco più di una normale legge finanziaria) - creazione di almeno 25.000 posti di lavoro per personale altamente qualificato addetto alla gestione del sistema - possibilità di vendere all’estero gli aerogeneratori con un enorme incremento del fatturato export e con conseguente creazione di altre decine di migliaia di posti di lavoro - possibilità di produrre grandi quantità di idrogeno per la alimentazione ecologica dei veicoli terrestri (la tecnologia per alimentare ad idrogeno le autovetture è già matura ma quello che manca per una distribuzione su larga scala, agli attuali costi della energia, è e sarà sempre l’idrogeno) 1 Ottobre 2013 - MAURO MARCHIONNI prof. of hydraulics at Univ. of Calabria - MARIANO MIGLIACCIO prof. of automotive engines at Univ. of Naples 1 - Premessa Un team di ricercatori delle Università della Calabria (Dipartimento di Meccanica) e della Federico II° di Napoli (Dipartimento di ing. Meccanica per l’Energetica) con il contributo progettuale di Aeroconsult srl, ha studiato per circa tre anni un nuovo tipo di aerogeneratore con eliche controrotanti ad alta velocità, di dimensioni relativamente piccole ma di elevatissima potenza, da collocare all’interno di una specie di dirigibile ancorato a terra (figg. 14-15) o, meglio, off shore (fig. 16) e posto a una quota di circa 1000 metri. E’ stato primariamente verificato con l’Ente Nazionale per l’Aviazione Civile (ENAC) quali potessero essere i problemi di navigazione aerea per aerostati o dirigibili ancorati a tali quote ed è stata trovata una soluzione così come riportata al capitolo 8. Questa configurazione innovativa dell’aerogeneratore permette una serie di notevoli vantaggi: 2 … Fig. 1 - Confronto dimensionale di un aerogeneratore PAULA con un generatore “ground”da 5 Mw (diam. max di PAULA = 135 m – Altezza generatore 5 Mw = 160 m 3 1 = Fig. 2 - confronto tra la produzione energetica annua di un aerogeneratore PAULA e quella di aerogeneratori “ground” da 5 Mw 4 • L’alta velocità dell’aria all’interno del condotto convergente-divergente consente di generare potenze elevatissime, dell’ordine dei 2,5- 5 Mw, con eliche di non più di 30 m di diametro. • E’ un dato consolidato in letteratura che l’energia eolica annua disponibile a quote dell’ordine dei 1000 m. da terra è almeno 9 volte maggiore di quella disponibile a terra La conseguenza dei due dati sopra riportati è che un aerogeneratore PAULA intubato in un dirigibile ed ancorato a 1000 m. da terra può produrre in un anno da 5 a 8 volte più energia di quella di un enorme generatore a terra con eliche da 120 m di diametro, alto come la cupola di S. Pietro e con conseguente inaccettabile impatto ambientale. I costi del kwh prodotto da PAULA, pertanto, saranno notevolmente più bassi (vedi paragrafo 10) di quelli di un qualsiasi altro sistema di generazione energetica. 2 - Stato dell’arte Gli studi teorici e alcune prove su modellini ridotti fatte nella galleria del vento della Univ. di Napoli indicano che il filone di ricerca iniziato è foriero di frutti estremamente interessanti ma per avere la certezza finale dei reali costi finali della energia prodotta occorrono finanziamenti adeguati e campagne sperimentali di largo respiro. Una prima valutazione budgetaria indica in circa 5 mil. € la somma necessaria per una sperimentazione completa della macchina a terra e in circa 14 mil. € la somma per un primo esemplare in scala reale da collaudare per un paio di anni in un sito eolico da scegliere. Attualmente, in attesa di finanziamenti adeguati, sono allo studio configurazioni aerodinamiche alternative tramite programmi avanzati di calcolo fluidodinamico tipo CFD (Computational Fluid Dynamic) con i quali è in genere possibile configurare modelli aerodinamici teorici la cui probabilità di funzionamento in scala reale è quasi sempre superiore al 90 %. Nella fig.3 seguente sono riportati i parametri principali che regolano la configurazione aerodinamica di base della intera macchina. Gli studi attualmente in corso sono appunto mirati alla ottimizzazione di tali parametri allo scopo di incrementare al massimo la quantità di aria “aspirata” dal venturi. 5 H I L1 T Parametri da ottimizzare: I , L1 , H , T , Ltot. Fig. 3 – Parametri da ottimizzare e dimensioni principali provvisorie Lunghezza involucro = 160 m ; Larghezza totale = 135 m ; F Bocca di ingresso venturi esterno = 60 m ; F Sezione di gola (eliche) = 27 m ; Volume disponibile per gas He = 670.000 m3 E’ del tutto ovvio che trattandosi di almeno 7 grandezze fondamentali, ognuna delle quali è funzione delle altre, il numero di iterazioni necessarie per giungere a risultati soddisfacenti è estremamente elevato (maggiore di 5.000) . Per portare a termine questa prima fase di lavoro si stimano almeno sei mesi di intensa Fluidodinamica Computazionale su un parco di almeno 15 computer che lavorano in parallelo. Un primo dimensionamento di massima della macchina è quello indicato nella didascalia della fig. 3 nella quale, come già detto, i valori dei vari parametri sono quelli derivati dalle prime elaborazioni effettuate e, pur essendo del tutto plausibili, non sono ancora ottimizzati. E’ però di tutto interesse il valore della cubatura totale del volume (campito in figura) nel quale va immesso il gas leggero per il sostentamento aerostatico della intera macchina. 6 Nella configurazione attuale il volume è di circa 670.000 m3 e tale valore non varierà di molto nella configurazione finale ottimizzata. Ciò vuol dire che, sia nel caso di He che di H2, il peso globale dell’intero sistema potrà tranquillamente raggiungere le 600 tonnellate e non vi saranno quindi problemidi peso totale per posizionare a bordo sia le eliche che i generatori in media tensione previsti dal progetto. 3 - Prime sperimentazioni in galleria Per cominciare a rendersi conto della effettiva convenienza di sagomare come un divergente la parte esterna del dirigibile e di porre alla sua estremità posteriore una specie di falda, è stato realizzato un piccolo modello in lamiera che è stato sperimentato nella galleria aerodinamica della Università di Napoli. Fig. 4 - modello in lamiera nella galleria di UNINA I valori numerici ricavati, pur nei limiti di validità della strumentazione di misura impiegata, mostrano però la giustezza delle soluzioni adottate 4 - Configurazione del profilo esterno Le ragioni di base che hanno portato a configurare l’esterno del dirigibile come un tubo divergente, con una sorta di flangia alla sua estremità, sono riconducibili a una serie di 7 risultati sperimentali ottenuti in Giappone e raffigurati nella fig. 5 che mostrano che un tubo sagomato come un diffusore tende ad “aspirare” i filetti fluidi mentre un tubo convergente tende invece a deviarne una parte verso l’esterno. L’effetto “aspirante” incrementa ovviamente la portata di aria che attraversa il tubo, ovvero ne aumenta la velocità con evidenti importantissimi effetti sulla potenza generabile visto che, come noto, la potenza ricavabile da una macchina eolica è funzione del cubo della velocità del vento incidente. Oltre alla sagomatura esterna a forma di divergente si è ritenuto opportuno porre una sorta di falda sulla sezione di coda allo scopo di indurre ivi una notevole turbolenza con conseguente riduzione del valore locale della pressione e con incremento, quindi, della portata di aria attraverso il tubo. Scopo principale della ricerca in atto è quello della ottimizzazione sia della forma esterna del profilo che del venturi interno nonché della dimensione della flangia alla estremità posteriore con lo scopo di incrementare al massimo la portata di aria trattata dalla macchina. Fig. 5 – andamento dei filetti fluidi Il compito è alquanto delicato e può essere portato avanti, come già anticipato in precedenza, solo con innumerevoli tentativi successivi sia con tecniche computazionali che con modelli reali in galleria poiché ogni modifica apportata ad ognuno dei parametri si 8 ripercuote anche sugli altri 9 5 - Alcuni dati numerici E’ del tutto ovvio che la massima potenza teorica che può essere ricavata da un aerogeneratore tipo PAULA non potrà mai essere maggiore della potenza propria del filetto fluido intercettato ovvero del fluido che riesce ad “infilarsi” all’interno del condotto. Va inoltre considerato che le analisi CFD finora effettuate permettono di concludere che: - l’effetto “tappo” provocato dalla presenza delle eliche fa si che non più dell’ 87% della portata massima teorica possa effettivamente passare attraverso il venturi - per massimizzare tale portata occorre attestarsi su coefficienti Cp dell’ordine di 0,05 ovvero non conviene cercare di estrarre dal filetto fluido più di un ventesimo del suo contenuto energetico. Tanto premesso, e nella ipotesi che i successivi affinamenti fluidodinamica della macchina non consentiranno comunque di superare il 90% della porta teorica, dobbiamo considerare che i venti in quota possono raggiungere velocità massime medie di almeno il 20% maggiori di quelle al suolo (convenzionalmente attestate su valori di 15 m/s). Analizziamo quindi in queste ipotesi le prestazioni calcolate della macchina: - Velocità del vento di 15 o di 18 m/s - Cp = 0,05 - Portata reale pari al 90% di quella max. teorica - Diametro sezione di gola (ovvero delle eliche) pari a 30 m g (kp/mc) g acc. grav. (m/s^2) diametro (m) Vel. vento esterno (m/s) Vel. vento in gola (m/s) Vel. vento in gola (Km/h) area di spinta (mq) n. giri (rpm) n. giri (rad/s) coppia teorica (kgm) vel. Tip alare (m/s) Cp eff. Generatore potenza max (kW) 1,20 9,81 30,00 15,00 53,50 192,6 706,84 190,00 19,89 15812,29 298,30 0,05 0,95 3082,88 1,20 9,81 30,00 18,00 63,00 226,8 706,84 190,00 19,89 25819,93 298,30 0,05 0,95 5034,04 10 Quanto sopra mostra quindi che nel caso di velocità del vento incidente di 15 m/s si possono raggiungere i 3 Mw mentre se il vento sale a 18 m/s possiamo avere fino a 5 Mw ed è quindi proprio questa la potenza che dovrà erogare la somma dei due generatori elettrici da collegare alle due eliche 6 - Alcuni risultati CFD (Computational Fluid Dynamics) La fig. 6 seguente mostra l’andamento delle velocità nel caso di assenza di eliche nella sezione di gola; è immediato verificare che all’imbocco del convergente esiste tutta una zona anulare di ristagno (colore celeste più scuro) che tende ad ostacolare l’entrata nella’aria nel venturi e diminuisce, di conseguenza, la potenza ottenibile in gola Fig. 6 – andamento delle velocità Nella fig. 7 è mostrato come i filetti fluidi più esterni della corrente incidente tendono ad essere parzialmente “rifiutati” nella sezione di imbocco generando così un parziale effetto di ristagno evidenziato nella fig.6 11 Fig. 7 – andamento dei filetti fluidi i Fig. 8 – configurazione generale del campo aerodinamico 12 La fig. 8 mostra l’intero campo aerodinamico provocato dalla presenza del generatore volante PAULA. Anche in questa immagine è evidente che alcuni filetti fluidi vengono “rifiutati” all’imbocco e che la falda sulla estremità posteriore provoca ivi una notevole turbolenza che, invece, tende a richiamare più aria all’interno del venturi. Gli studi preliminari richiamati al paragrafo 2 dovranno servire proprio ad ottimizzare il sistema in modo tale che una opportuna forma della flangia in coda possa eliminare, o almeno ridurre, l’effetto di “rifiuto” generato dalle due eliche nella sezione di gola. 7 - Alcune caratteristiche costruttive Nella fig. 9 sono indicate le caratteristiche costruttive generali della macchina. I due generatori mostrati hanno un diametro di circa 1.500 mm e una lunghezza di circa 800 mm cadauno e sono posizionati all’interno di un contenitore sagomato ad ogiva che ne minimizza l’ingombro aerodinamico. Ovviamente il primo generatore avrà l’albero cavo per consentire il passaggio dell’albero che dalla prima elica va ad azionare il secondo generatore. Nella configurazione fin qui ipotizzata i generatori (del peso di circa 5.000 kg cadauno) sono del tipo a magneti permanenti con 24 coppie polari e generano la potenza richiesta di 2 – 2,5 Mw a circa 200 rpm. Tutto ciò vuol dire che non c’è bisogno di installare gear boxes per la moltiplicazione dei giri con conseguenti notevolissimi vantaggi sulla affidabilità, sul costo e sul peso dell’intero sistema di generazione elettrica Va comunque ben evidenziato, a conclusione del presente paragrafo, che il vantaggio principale di PAULA non è tanto quello dello incremento della potenza ma bensì quello di ricavare una maggior quantità di energia con macchine molto più piccole di quelle a terra 8 – Installazione offshore La installazione a terra dei generatori PAULA va concordata per ogni sito con ENAC mentre invece lo stesso ENAC dichiara la assoluta libertà di installazioni offshore a 500 – 1000 m dalla costa. Ciò vuol dire che si potrebbero installare offshore almeno 8.000 generatori per una potenza totale di 40 Gw ovvero la quasi totale indipendeza energetica del paese dalle fonti estere. 13 Fig. 9 – configurazione generale della macchina 14 8 – Ulteriore soluzione per la generazione di energia elettrica Se gli affinamenti aerodinamici facessero ritenere opportuno limitare ancora l’ingombro radiale dei generatori dovremmo ricorrere a una soluzione che riduce il loro diametro e, di conseguenza, progettare appositi moltiplicatori di giri così come indicato nella Fig. 10 Fig. 10 – configurazione con generatori di piccolo diametro La Fig. 11 mostra più nei particolari come può essere realizzato un generatore da 1,3 Mw con albero cavo e con moltiplicatore di giri epicicloidale in ingresso a Fig. 11 – generatore ad albero cavo 15 9 – Compatibilità con la navigazione aerea Le rotte aeree internazionali sono tutte situate a un livello molto più alto della quota operativa di PAULA e pertanto il nostro aerogeneratore volante può essere considerato un ostacolo solo per la aviazione leggera Abbiamo esposto li problema al Ministero dei Trasporti e la risposta è stata: - per le installazioni da ubicare a terra il Ministero si riserva di emettere il suo parere caso per caso in funzione del traffico aereo previsto nei dintorni e, in caso favorevole, dovranno essere emessi appositi NOTAM per ogni aerogeneratore - per installazioni offshore non è richiesta invece nessuna autorizzazione ad eccezione di quei pochi casi di possibile interferenza con un aeroporto costiero (Roma, Genova, Venezia, Palermo e pochi altri) Tutto quanto sopra dimostra la effettiva possibilità di generare solamente con il vento circa il 70% di tutta la domanda energetica della nostra nazione. Va inoltre notato, al termine della presentazione, che una struttura di ancoraggio offshore per un aerogeneratore PAULA (fig.16) è molto ma molto più economica di una struttura di ancoraggio in mare di un aerogeneratore tradizionale da 5 Mw poiché nel nostro caso non c’è il fortissimo momento ribaltante delle strutture tradizionali e tutto può essere risolto con un semplice cavo ancorato al fondale del mare. Mentre una struttura tradizionale, inoltre, ha limiti ben precisi sulla profondità del tratto di mare ove poter essere installata, per PAULA tale problema è praticamente inesistente. Per finire va considerato che l’ancoraggio offshore così come raffigurato in Fig. 16 non può nemmeno essere considerato un vero pericolo per la navigazione marina poiché l’ancoraggio con un solo cavo permette una notevole mobilità all’intero complesso evitando così gravi danni in caso di collisione con un natante. 16 10 – Stima preliminare dei costi - costo di un aerogeneratore PAULA costo di una struttura di manutenzione (fig.17) opere di adeguamento delle rete elettrica nazionale 6 x 106 € 20 x 106 € 20 x 109 € Se allora si ipotizza di realizzare 8.000 aerogeneratori PAULA e 50 centri di manutenzione sul territorio nazionale si ottiene - potenza totale installata personale necessario costi di ammortamento (20 anni di vita operativa) costo unitario del personale 40.000 Mw 25.000 2.5x109 €/anno 35x103 €/anno Sotto le ipotesi di cui sopra la stima totale dei costi è la seguente - - progettazione esecutiva dell’intero sistema costruzione di due prototipi sperimentali un anno di test dal vero messa a punto finale delle macchine costruzione degli stabilimenti di produzione costo di un aerogeneratore PAULA costo di una struttura di ancoraggio offshore costo di una struttura di manutenzione (fig.17) connessioni alla rete elettrica nazionale aerogeneratori PAULA da installare strutture di manutenzione da realizzare costo totale degli aerogeneratori costo totale delle strutture di manutenzione costo totale del sistema personale (unità) costo annuo del personale costo personale per 20 anni vita operativa degli impianti (anni) energia totale generata per ogni anno (Kwh) energia totale generata in 20 anni (Kwh) costo totale del sistema per 20 anni costo medio del kwh 5 x 106 € 20 x 106 € 4 x 106 € 10 x 106 € 40 x 109 € 6 x 106 € 1,5 x 106 € 20 x 106 € 20 x 109 € 8.000 50 48 x 109 € 1 x 109 € 49 x 109 € 25.000 35.000 € 17,5 x 109 € 20 320 x 109 € 6400 x 109 € 127 x 109 € 1,98 cent.€ 17 Sotto le ipotesi sopra assunte (40.000 Mw installati e 320 Twh prodotti per anno) il costo medio per Kwh della dolce e pulita energia prodotta da PAULA può essere stimato in poco meno di 2 cents/kwh Per meglio focalizzare l’entità della operazione qui proposta si consideri che oggi la energia totale prodotta in Italia è di almeno 260 Twh contro i 320 Twh producibili dai generatori PAULA. Tutto ciò vuol dire che si potrebbe evitare non solo di alimentare con combustibili fossili (gas e carbone) le nostre centrali elettriche ma che avremmo ancora disponibili circa 60Twh in più di energia generata con la quale si potrebbe produrre idrogeno da utlizzare nei veicoli stradali. Si potrebbe quindi dare un grosso colpo anche alla riduzione sostanziale delle emissioni dei veicoli visto che 60 Twh di energia equivalgono a 100 milioni di litri di carburante ovvero (assumendo un consumo medio di 15 Km/litro) a circa 15 miliardi di kilometri percorsi da una vettura media. Possiamo allora concludere dicendo che: PAULA permetterebbe di evitare in Italia l’uso di petrolio, carbone o gas da qui all’eternità 18 9 - Confronti con il progetto fotovoltaico “DESERTEC” Si riporta un comunicato stampa sul progetto “DESERTEC” sponsorizzato dalla Germania e dai paesi arabi per una serie di enormi impianti di generazione solare con tecnologia prevalentemente termodinamica (ma anche fotovoltaica) per l’approvvigionamento energetico dell’Europa . Fig.12 La Germania compie i primi passi per la costruzione di un enorme impianto solare che potrebbe fornire energia a tutta l’Europa Mentre in Italia si pianificano centrali termiche che saranno pronte, se mai, come minimo fra una decina di anni, in Germania si guarda avanti e si pensano impianti solari che entro i prossimi dieci anni produrranno almeno il 15% percento del fabbisogno energetico europeo, trasformando il deserto in una ricca e inesauribile fonte energetica senza emissioni di gas serra e senza scorie di produzione da smaltire. 19 Nei prossimi mesi un consorzio di 20 aziende tedesche si incontrerà a Monaco per stabilire quali saranno i primi passi per la costruzione di Desertec. L’impianto solare (dal costo stimato di 400 miliardi di euro per 100 GW) che dovrebbe sorgere in una vasta area di deserto marocchino è appoggiato dal governo tedesco e da alcune importanti aziende del paese come la Siemens, la Deutsche Bank e altre. All’incontro di Monaco parteciperanno anche compagnie spagnole e italiane e rappresentati della Lega Araba e del Club of Rome, una ong che come missione ha quella di “fungere da catalizzatore per il cambiamento”. Secondo gli esperti Desertec potrebbe essere operativo dal 2019. Le stime mostrano anche che entro il 2050 il contributo energetico potrebbe aggirarsi fra il 20 e il 25% del fabbisogno dell’intera Europa. La tecnologia usata da Desertec sarà quella del solare termico: l’acqua riscaldata dai pannelli metterà in moto delle turbine che produrranno a loro volta energia elettrica. Il processo attualmente è più efficiente di quello fotovoltaico – che invece produce energia elettrica direttamente dal pannello. Il progetto prevede anche la costruzione di una rete elettrica che trasporti l’energia dal deserto magrebino fino all’Europa. COMMENTI • una rete di impianti del tipo “PAULA”, con un impegno finanziario analogo, potrebbe generare dai 300 ai 400 GW (contro i 100 Gw di Desertec) con produzione di energia, però, sia di giorno che di notte. L’energia prodotta annualmente, pertanto, potrebbe essere dalle 5 alle 10 volte maggiore di quella ottenibile da “DESERTEC” • Gli impianti di produzione sarebbero collocati in zone “ad elevatissimo rischio”, come lo sono tutti i paesi arabi, e si darebbero quindi di nuovo le chiavi della energia al primo improvvisato sceicco dal carattere “allegro” • Pochi elettrodotti di grandi dimensioni sono indifendibili ed estremamente sottoposti al rischi di attentati • Dai pochi punti di arrivo in Europa degli elettrodotti andrebbero rifatte tutte le reti di distribuzione che sono ora progettate per generazione distribuita in più punti e non per una enormi generazioni concentrate. Paula invece potendo essere dislocato quasi ovunque, non richiederebbe modifiche così importanti alle attuali reti di distribuzione 20 Fig. 13 – andamento degli elettrodotti • Successivamente all’articolo iniziale prima presentato, e che prevedeva poche installazioni termodinamiche nel solo deserto marocchino, il progetto DESERTEC è stato rivisto ed ampliato fino a comprendere una notevole serie di impianti di energie rinnovabili diffusi un po’ dappertutto(fig. 13). Malgrado questa revisione, però, le critiche fondamentali al progetto restano del tutto valide e, specialmente, quella che così facendo si danno di nuovo le chiavi dell’energia ai paesi arabi i quali, come la storia dimostra ampiamente, sono ben poco affidabili 21 Piattaforma a terra In alcuni casi si potrebbero installare a terra gli aerogeneratori anche se normalmente è prevista una installazione offshore I cavi che vincolano il dirigibile a terra svolgono la doppia funzione di vincolo meccanico e di conduttori elettrici e debbono necessariamente permettere alla aeronave di orientarsi automaticamente nella direzione del vento. Occorre pertanto prevedere a terra una piattaforma girevole di adeguate dimensioni per ospitare gli argani addetti al tiro delle funi e che abbia una serie di contatti (preferibilmente a bagno di mercurio) per scaricare a terra la notevole potenza elettrica generata a bordo. Nella fig. 14 seguente è indicata una proposta per tale tipo di infrastruttura. Fig. 14 – piattaforma girevole a terra - sezione 22 Fig. 15 – piattaforma girevole a terra – vista prospettica 23 Fig. 16 – piattaforma galleggiante offshore Un interessante sviluppo commerciale delle piattaforme offshore si potrebbe avere attrezzando le stesse con un minimo di sabbia di riporto, vegetazione, camere, soggiorni e spazi comuni realizzando così migliaia di piccoli “resort” in mezzo al mare a non più di 1000 metri dalla costa per un uso turistico e vacanziero 24 Fig. 17 – maintenance facilities La struttura portante è realizzata con tralicci reticolari in acciaio come in fig. mentre la copertura superiore e laterale verrà realizzata con strutture pneumatiche autoportanti gonfiate con elio o con normali teloni 25