Energia Eolica:
Il vento, la tecnologia il
mercato
Luciano Pirazzi
ENEA-ACS
Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
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
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
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
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
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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
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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.
Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
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
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La risorsa eolica: ricerca di siti idonei
(1)
• Adeguata ventosità, definita da opportuni
statistici ottenuti elaborando dati anemometrici
parametri
• Disponibilità di terreno d’impiego marginale (agricoltura
estensiva, pascolo etc.)
• Andamento
di
velocità
e
direzione
del
sufficientemente omogeneo nell’area interessata
vento
• 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
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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
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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
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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
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La Risorsa Eolica
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
Curva di potenza di un aerogeneratore
P(V) - potenza elettrica (kW)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
V - velocità del vento al mozzo (m/s)
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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
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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
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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
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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%
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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
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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%)
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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
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Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
1. Anemometro ad
ultrasuoni
2. Argano di servizio
3.Sistema di
raffreddamento
generatore elettrico
4.Generatore con
sistema OptiSpeed
5. Attuatore di passo
6. Sistema di
raffreddamento
moltiplicatore
7.Moltiplicatore di giri
8.Albero lento
9.Sistema di
variazione del passo
10. Mozzo
11. Cuscinetto pala
12.Pala
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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
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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
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Tipical Cp Curve - Variable RPM WTG
Vestas V52
0.6
Zona a Cp = Cp max
0.5
Cp
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
5
10
15
20
Wind Speed [m/s]
Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
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30
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
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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
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Impatto ambientale
• Impatto visivo
• Impatto acustico
• Collisioni con l’avifauna
• Interferenza elettromagnetica
• Sostenibilità (sociale, ambientale, economica e culturale)
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EOLICO e AMBIENTE
Valori noti e
normalizzati
all’energia
eolica del
MIPS delle
varie fonti
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
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• 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.
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Emissione sonora da fonti diverse
Jet airplane
Pneumatic drill
Stereo music
Typing pool
Home
Whispering
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Industrial noise
Inside car
Office
Wind turbine
Falling leaves
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
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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
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Minieolico
• Settore d’importanza strategica
• Applicazioni diversificate
• Aspetti sociali preminenti
• Informazione carente
• Carenza strumenti normativi
• Costi e incentivi
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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
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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
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
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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)
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Industria
Prototipo Aerogeneratore Leiwind 1.2 MW
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Produzione degli
aerogeneratori,
delle pale e delle relative
torri di sostegno
Moncada Energy
Group
ex area Montedison di
Porto Empedocle
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Fine 2008:
Mondo: 120,791 MW
Europa: 64,948 MW
Italia: 3,736
30.000
25.000
US 25.170
Germany 23.903
20.000
Spain 16.754
China 12.210
India 9.645
15.000
Italy 3.736
France 3.404
10.000
UK 3.241
Denmark 3.180
Portugal 2.862
5.000
0
US Germany Spain
China
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India
Italy
France
UK Denmark
Portugal
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Installed Capacity and Annual Energy Production
Annual MW
6637
Installed Capacity (MW)
3600
7000
6000
3200
Cumulative MW
5000
4074
2800
Annual Energy
Production
2400
2000
4000
2971
2340
1600
3000
1837
1200
800
1179
2000
1404 1458
1000
400
0
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
Year
Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Annual Energy Production
(GWh)
4000
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Fine 2008
Nordex 3.54%
GE 4.17%
Ecotecnia 3.23%
Repower 5.3%
Enercon 12.67%
Gamesa
20.10%
Vestas Italia
49.16%
Ecotecnia 2,82%
Enercon 11,27
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Produttori energia eolica
16
14
12
Quote di
10
mercato
8
(% potenza
6
distribuita)
4
2
0
14,71 11,19 10,41 8,97 8,67 7,5
IP
2,7
2,3
FRI- Enel Edens IVPC E.ON ERG Fortore
Moncada
ELGreenPower
Italia Renew En.
% 14,71 11,19 10,41 8,97 8,67
Energia eolica: il vento, la tecnologia e il mercato
3,1
7,5
3,1
2,7
2,3
9.9 (7.35)
Total installed
3,736 MW
1.35 (1.35)
12.5
3.5
13.7 (4.8)
28 (14)
Wind power
added in 2008
(in bracket)
1,010 MW
1.5
168 (12)
9
467 (100)
188(86)
687 (168)
946 (260)
209 (53)
187 (87)
795 (211)
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Livello di penetrazione della fonte eolica
nel sistema elettrico nazionale (% di energia elettrica fornita)
20
18
16
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
14
12
10
8
6
4
2
0
Italia
Germania
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Spagna
Danimarca
Grazie per l’attenzione
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