6.2 Generazione elettrica dal vento L’energia eolica ha sempre fornito la forza propulsiva alle navi a vela ed è stata usata per almeno tremila anni per azionare i mulini a vento. L’utilizzo di questo tipo di energia è caduto successivamente in disuso con la diffusione dell’energia elettrica e con l’estesa disponibilità a basso costo di motori alimentati da combustibili fossili. Sebbene il rapido aumento del prezzo del petrolio nel 1973 abbia stimolato, in molti paesi, un gran numero di programmi di ricerca sull’energia eolica, questi sforzi si sono successivamente ridotti, nel 1986, in concomitanza con la discesa del prezzo del petrolio. Tuttavia, le conoscenze acquisite in quel periodo sono state sufficienti ad avviare lo sviluppo delle grandi turbine eoliche; inoltre, la recente attenzione rivolta ai cambiamenti climatici, l’esigenza di incrementare la quota di energie rinnovabili e i timori di una diminuzione futura della produzione di petrolio hanno promosso un rinnovato interesse per la produzione di energia eolica. Questo tipo di energia, in confronto ad altre energie rinnovabili, richiede investimenti molto inferiori e utilizza una risorsa generalmente disponibile ovunque e particolarmente fruibile nelle zone temperate, dove si trova la maggior parte delle nazioni industrialmente sviluppate. Durante l’ultimo decennio del 20° secolo sono stati costruiti e testati diversi modelli di turbine eoliche: con rotori ad asse orizzontale e verticale, con numero variabile di pale, con il rotore posizionato sopravvento o sottovento alla torre, ecc. La turbina ad asse orizzontale con rotore a tre pale sopravvento si è dimostrata la tipologia più idonea e ha avuto di conseguenza un notevole sviluppo, segnato sia da una rapida crescita in dimensione e potenza, sia da un’ampia diffusione. 6.2.1 Il vento come risorsa Il vento è un movimento dell’aria determinato dall’azione dell’energia solare; il riscaldamento superficiale VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ in punti diversi del pianeta produce effetti differenti, che danno luogo a movimenti nell’atmosfera. Su larga scala si può osservare alle diverse latitudini una circolazione di masse d’aria che viene influenzata ciclicamente dalle stagioni; su scala più piccola, si ha un riscaldamento diverso tra la terraferma e le masse d’acqua, con conseguente formazione delle brezze quotidiane di terra e di mare. Anche il profilo e le irregolarità della superficie della terraferma o dell’acqua influenzano profondamente il vento e le sue caratteristiche locali (DNV, 2002). Il vento soffia con maggiore velocità su superfici grandi e piatte come il mare, e questo rappresenta l’elemento principale di interesse per gli impianti eolici costieri o marini. Si rafforza sulla sommità delle alture o nelle valli orientate parallelamente alla direzione del vento dominante, mentre rallenta su superfici irregolari, come città o foreste, e la sua velocità rispetto all’altezza o al wind shear è influenzata dalle condizioni di stabilità atmosferica. Per poter sfruttare l’energia eolica, è molto importante tenere conto delle forti variazioni di velocità tra località diverse: siti distanti tra loro pochi chilometri possono essere soggetti a condizioni di vento nettamente differenti e rivestire un interesse sostanzialmente diverso ai fini dell’installazione di turbine eoliche. Il regime di vento in un determinato sito può essere caratterizzato statisticamente mediante la distribuzione di Weibull. La funzione di densità di probabilità (il cui integrale su un qualsiasi intervallo di velocità fornisce la probabilità che il vento abbia una velocità compresa in tale intervallo) è data dalla formula: f(V )⫽k (V k⫺1ⲐC k) e⫺(VⲐC)k in cui V è la velocità del vento, C è il parametro di scala e k il parametro di forma. La fig. 1 illustra un confronto tra i dati registrati in un sito (Manwell et al., 2001) e una funzione di distribuzione di Weibull, calcolata con un parametro di scala C 561 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI densità di probabilità 0,12 0,10 dati del luogo distribuzione di Weibull 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0 5 10 15 20 25 velocità del vento (m/s) fig. 1. Confronto tra la velocità del vento misurata e la distribuzione di Weibull. uguale a 7,9 m/s e un parametro di forma k uguale a 2. Si usa caratterizzare le condizioni locali di vento mediante il valore della sua velocità media Vmedia. Di regola, si può considerare la velocità media del vento come il parametro di scala della distribuzione di Weibull moltiplicato per 0,89 (Burton et al., 2001). La forza del vento cambia su una scala di giorni o di ore, a seconda delle condizioni meteorologiche; le brezze, per esempio, sono responsabili di una componente quotidiana del vento. Infine, fa parte dell’esperienza comune il fatto che la direzione e l’intensità del vento fluttuano rapidamente intorno al valore medio: si tratta della turbolenza, che costituisce una caratteristica importante del vento, poiché determina fluttuazioni nella forza esercitata sulle pale delle turbine, aumentandone così l’usura e riducendone la vita media. L’intensità della turbolenza viene determinata, in modo statistico, come la deviazione standard della velocità del vento su brevi scale di tempo. Su un terreno complesso il livello di turbolenza può variare tra il 15% e il 20%, mentre in mare aperto questo valore può essere compreso tra il 10% e il 14% (Manwell et al., 2001). In un impianto eolico, la scia sottovento a una turbina può influenzare altre turbine (Barthelemie et al., 2004). Una turbina eolica deve poter sopportare la peggiore tempesta che possa aver luogo nel sito di installazione, durante l’intera vita del progetto. Se la turbina rimane installata per 20 anni, la raffica estrema che si considera è quella che si ripresenta in media ogni 50 anni. Sono stati stabiliti degli standard che forniscono i valori indicativi da considerare. La tab. 1 riproduce le diverse classi prese in considerazione dalla Commissione elettrotecnica internazionale (IEC, 1999); la velocità del vento di riferimento è definita come la media, calcolata su 10 minuti, di un vento estremo che si presenti in media ogni 50 anni; vengono anche indicate raffiche che si possono presentare con periodicità compresa tra 1 e 50 anni. Esistono anche variazioni su scale di tempo più lunghe, e le condizioni del vento non sono le stesse da un anno all’altro. L’effetto potenziale del riscaldamento globale sulle condizioni future del vento rimane, inoltre, un problema aperto. La variabilità rappresenta uno degli svantaggi maggiori dell’energia eolica. Finché la quota di potenza prodotta dall’impianto eolico è piccola rispetto alla capacità di trasporto della rete elettrica locale, si trasferisce energia alla rete solo quando soffia il vento, e la produzione corrispondente viene considerata come una diminuzione di domanda per i generatori convenzionali. In alcuni paesi si stanno prendendo in considerazione impianti eolici di grandi dimensioni, prevalentemente gruppi di turbine in alto mare. Tali parchi eolici avranno una potenza di diverse centinaia di MW, equivalente a quella di impianti convenzionali, e dovranno poter prevedere la loro produzione di energia con 24 ore di anticipo. Questa è una conseguenza della liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica nelle nazioni occidentali, per cui diverse compagnie possono competere sulla stessa rete elettrica. Il gestore della rete deve poter conoscere in anticipo la domanda prevedibile rispetto alle offerte dei diversi produttori (Makarov e Hawkins, 2003). La predicibilità della produzione rappresenta un valore aggiunto dell’energia (Nielsen et al., 2003): la mancata erogazione implica delle penali e sono allo studio metodi per disporre di una previsione utile con un anticipo di almeno 24 ore (Giebel et al., 2003). Quando si prende in considerazione un sito per l’installazione di una turbina eolica, è fondamentale valutare l’entità reale della risorsa eolica. Si installa quindi tab. 1. Parametri della velocità del vento per le classi di turbine eoliche (IEC, 1999) Parametri 562 Classe I Classe II Classe III Classe IV Velocità del vento di riferimento Vref (m/s) 50 42,5 37,5 30 Velocità del vento media annuale Vmedia (m/s) 10 8,5 7,5 6 Velocità media (calcolata su 10 minuti) di una raffica con periodicità di 1 anno (m/s) 52,5 44,6 39,4 31,5 Velocità media (calcolata su 10 minuti) di una raffica con periodicità di 50 anni (m/s) 70 59,5 52,5 42 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI GENERAZIONE ELETTRICA DAL VENTO nel sito una stazione meteorologica per diversi mesi, in modo da monitorare la velocità e la direzione del vento e i livelli di turbolenza a quote diverse. I dati registrati consentono la valutazione sia della produzione futura di energia, sia della fattibilità economica del progetto. 6.2.2 Teoria delle turbine eoliche Nella fig. 2 è illustrato schematicamente il flusso d’aria. Il rotore fronteggia il vento, e la figura mostra la forma del tubo di flusso tangente all’estremità delle pale. Poiché al vento viene sottratta una certa quantità di energia cinetica, la velocità sottovento al rotore risulta inferiore a quella sopravvento. Di conseguenza il diametro del tubo di flusso è maggiore alle spalle del rotore rispetto al davanti. In assenza del rotore l’aria attraverserebbe la sezione Sr con velocità V0. La potenza associata al flusso sarebbe: 1 E ⫽ 23 rSrV 30 2 dove r è la densità dell’aria. La porzione di tubo davanti al rotore è in effetti minore di Sr e la potenza effettiva P è solo una frazione della potenza incidente. Possiamo quindi definire un coefficiente CP di potenza tale che: P⫽CP E Si può dimostrare che la velocità dell’aria sul piano del rotore è (Betz e Prandtl, 1919): 1 Vr ⫽ 23 (V0⫹Vw) 2 in cui Vw è la velocità dell’aria nella scia sottovento al rotore. Si può calcolare il valore del coefficiente di potenza come funzione del rapporto tra la velocità della scia sottovento al rotore e quella sopravvento: il valore ottimale di CP si ha quando questo rapporto vale 1/3. In questo caso CP max⫽16/27⫽0,593; il rapporto 16/27 deriva dalla teoria del momento assiale, assumendo valide alcune approssimazioni, ed è noto come limite di Betz (Betz e Prandtl, 1919). Non è possibile progettare una turbina con un maggior valore del coefficiente di potenza; le turbine odierne hanno dei coefficienti di potenza pari a circa il 70-80% del limite teorico. La teoria prevede che la potenza sia proporzionale al cubo della velocità del vento, il che giustifica l’interesse verso siti molto ventosi per l’installazione delle turbine eoliche. La potenza è anche proporzionale alla densità dell’aria e le turbine devono essere declassate quando operano in climi caldi o sulle montagne. Una pala è essenzialmente un’ala. La fig. 3 mostra le diverse forze che agiscono su un segmento di pala. Se chiamiamo W la velocità angolare del rotore, la velocità tangenziale di un segmento di pala a distanza r dall’asse è uguale a Wr. La velocità tangenziale dell’aria Vt ha praticamente lo stesso modulo. Il vettore di velocità risultante forma un angolo f con il piano del rotore, determinato da: V Vr tan f ⫽ 1r ⬇ 21 Vt Wr L’angolo b‚ tra il piano del segmento di pala e il piano del rotore si definisce ‘angolo di pitch’, e l’angolo a tra il vettore del flusso incidente e il piano del segmento di pala si chiama angolo d’attacco. Abbiamo quindi: f ⫽a ⫹b La forza aerodinamica su un segmento di pala di area A si può scomporre in una forza di portanza (lift) FL (perpendicolare alla direzione del vento apparente W fig. 2. Schema di flusso intorno a una turbina eolica ad asse orizzontale. VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 563 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI Wr / b FL a FD FM V0 FT Il coefficiente di rendimento (performance) Cp si può stimare in funzione di l e della ‘solidità’, definita come il rapporto tra l’area totale delle pale e l’area spazzata dal rotore. La solidità si può variare cambiando il numero di pale e il valore della ‘corda’ (larghezza delle pale). All’aumentare del numero di pale (o della solidità) la velocità ottimale l diminuisce. 6.2.3 Sistemi di regolazione per le turbine eoliche Regolazione passiva di stallo con velocità di rotazione fissa Vt Vr fig. 3. Le forze agenti su un segmento di pala. sull’elemento di pala) e una forza a essa perpendicolare di resistenza (drag) FD : 1 FL⫽ 23 CLArW 2 2 in cui CL è il coefficiente di portanza e 1 FD ⫽ 23 CD ArW 2 2 dove CD è il coefficiente di resistenza. Come si vede dalla fig. 3, la composizione di queste forze genera una forza propulsiva FM nel piano del rotore, e una forza assiale FT perpendicolare alla prima. Un profilo dato della pala è caratterizzato dalla relazione tra a, CL e CD. La fig. 4 mostra, per esempio, i valori dei coefficienti di portanza e di resistenza per il profilo alare DU-91-W2-250. Come si può vedere, il coefficiente di portanza è quasi proporzionale all’angolo di attacco per valori di a minori di 10°. Per valori maggiori dell’angolo di attacco la portanza crolla e la resistenza aumenta drasticamente. Per piccoli angoli, in condizioni di flusso laminare, l’aria avanza con regolarità intorno al profilo; per angoli grandi, il flusso va in stallo e si forma una scia turbolenta. Il rapporto tra la velocità tangenziale all’estremità della pala e la velocità del vento si indica con l: WR l ⫽ 123 V0 dove R è il raggio del rotore. 564 Consideriamo una turbina eolica che ruota a velocità costante. Al crescere della velocità del vento l’angolo di attacco sulle pale aumenta. Al di sopra di una certa velocità il flusso d’aria inizia a distaccarsi dalla superficie esterna delle pale. Questo fenomeno di stallo si presenta all’inizio in prossimità del mozzo, e si estende verso l’estremità della pala all’aumentare della velocità del vento. Lo stallo progressivo fornisce un meccanismo automatico di regolazione della potenza. La regolazione passiva di stallo era utilizzata diffusamente nelle prime turbine commerciali con potenze nominali di poche centinaia di kW, dotate di generatori asincroni (le cosiddette turbine eoliche danesi). Questo tipo di regolazione pone dei problemi associati al fenomeno stesso dello stallo: vibrazioni, instabilità, difficoltà nella previsione sia dell’entrata in stallo, sia del ritorno al flusso laminare. Le vibrazioni inoltre causano nel tempo un’usura supplementare delle pale. Se il rotore può ruotare a diverse velocità è possibile in qualche misura regolare l’entrata in stallo; molte turbine degli anni Novanta erano dotate di generatori asincroni a due velocità: a seconda delle condizioni di vento il rotore girava alla velocità superiore o a quella inferiore. coefficienti di portanza e di resistenza W 1,6 CL (coefficiente di portanza) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 CD⫻10 (coefficiente di resistenza) 0,2 0 ⫺4 0 4 8 12 16 angolo di attacco (°) fig. 4. Forma e caratteristiche del profilo di pala DU-91-W2-250 (Jeppe, 1999). ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI GENERAZIONE ELETTRICA DAL VENTO regolazione di velocità variabile e di pitch potenza (kW) 600 500 400 300 regolazione di stallo 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 velocità del vento (m/s) fig. 5. Curve di potenza tipiche per turbine con diversi sistemi di regolazione. La fig. 5 rappresenta le curve di potenza di una tipica turbina da 400 kW con regolazione passiva di stallo e di una turbina da 660 kW, dotata di sistemi attivi di regolazione. Relativamente alla turbina da 400 kW, la potenza raggiunge un valore massimo in corrispondenza della velocità nominale del vento, al di sopra del quale si ha una perdita di potenza. Quando la velocità del vento supera il massimo valore accettabile, in condizioni meteorologiche avverse, la turbina viene bloccata, utilizzando freni ad aria collocati all’estremità delle pale. Regolazione di pitch Dalla fig. 3 si può vedere che se si aumenta l’angolo di pitch b e si riduce l’angolo di attacco a, la portanza diminuisce e la pala è definita ‘messa in bandiera’. Tutte le grandi turbine moderne sono dotate di meccanismi per la regolazione del pitch delle pale. Quando la velocità del vento diventa eccessiva, il rotore viene fermato, ruotando le pale nella posizione in cui il bordo d’attacco è rivolto al vento. Il carico aerodinamico sulle pale viene così ridotto al minimo. Al crescere della velocità del vento, invece di aumentare l’angolo di pitch delle pale per metterle in bandiera si può anche ridurlo, allo scopo di provocare intenzionalmente lo stallo. Con questo metodo l’ampiezza della rotazione delle pale necessaria per regolare la potenza è inferiore a quella per metterle in bandiera, cosicché in teoria la regolazione è più rapida. Velocità variabile Nelle grandi turbine eoliche la velocità del rotore può variare intorno al valore nominale (tipicamente del 30% in eccesso o in difetto). Questo è reso possibile da un allestimento specifico del generatore, che incorpora dell’elettronica di potenza accoppiata con il sistema di regolazione del pitch delle pale, il quale assicura un’erogazione costante di potenza, malgrado le fluttuazioni rapide del vento. Quando la forza del vento aumenta improvvisamente, il rotore è lasciato libero di accelerare per VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ alcuni secondi e l’incremento di velocità di rotazione accumula energia cinetica nel rotore stesso. Se il vento resta forte, si varia l’angolo di pitch delle pale per diminuire l’accumulo di potenza e mantenere la velocità del rotore entro i valori accettabili. Durante un successivo calo di vento l’energia immagazzinata nel rotore viene rilasciata nel rallentamento del rotore stesso. Se necessario, si cambia di nuovo l’angolo di pitch, in modo da far recuperare velocità al rotore. La fig. 5 mostra la curva di potenza di una turbina da 660 kW, dotata di questi sistemi attivi di regolazione. La produzione di energia ha luogo a partire da una velocità minima del vento di 3-4 m/s. La curva di potenza segue, più o meno, la curva cubica teorica, finché la velocità del vento si mantiene al di sotto di quella nominale (14-16 m/s). Al di sopra di questa velocità la potenza rimane praticamente costante. Per motivi di sicurezza la turbina viene fermata con venti che superano una velocità massima di circa 25 m/s. Produzione di energia A seconda delle condizioni locali prevalenti di vento, si possono scegliere i parametri della curva di potenza (velocità del vento minima, nominale e massima) per ottimizzare la progettazione della turbina. La fig. 6 mostra come esempio l’energia prodotta nell’arco di un anno da una turbina da 2.000 kW, caratterizzata da una distribuzione di Weibull con parametro di scala di 9 m/s e parametro di forma pari a 2. I risultati in figura sono espressi come numero totale di ore/anno in cui la potenza è superiore a un certo valore. L’erogazione annuale di energia è data dall’area sottesa alla curva. Come si può vedere, la turbina funziona per 7.500 ore in un anno, delle quali soltanto 700 circa alla potenza nominale, mentre la maggior parte dell’energia viene prodotta a velocità di vento intermedie. L’efficienza nell’utilizzo di una turbina in un sito specifico viene valutata spesso in termini di rapporto tra l’energia totale annuale prodotta (in kWh) e la potenza nominale della turbina (in kW). Il risultato è espresso in numero equivalente di ore/anno; 2.500 2.000 potenza (kW) 700 1.500 1.000 500 0 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 numero totale di ore/anno fig. 6. Produzione annuale di energia ottenuta con una turbina da 2.000 kW. 565 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI nell’esempio di fig. 6 sono 3.150. Dividendo questo numero per le ore di un anno, si ottiene il fattore equivalente di utilizzo, in questo caso, pari al 36%. Un progetto di impianto eolico viene considerato economicamente fattibile se il numero equivalente di ore/anno supera le 2.000. Località ventose sono caratterizzate da valori tipici di 2.500 ore/anno, mentre gli impianti in mare aperto possono superare le 3.000 ore/anno. Il numero di ore/anno si può ottimizzare scegliendo accuratamente il tipo di turbina eolica. I costruttori di turbine ne offrono diverse versioni per ogni determinato tipo a seconda delle risorse locali: per esempio, rotori più ampi per le aree meno ventose. 6.2.4 Elementi delle turbine Pale Le pale sono gli elementi che interagiscono con il vento e la loro forma è progettata in modo da ottenere una buona efficienza aerodinamica. La fig. 7 mostra il profilo di una tipica pala di turbina, in diverse sezioni lungo il suo sviluppo longitudinale. In prossimità del mozzo la pala ha una sezione circolare (Rooij, 2004). Un supporto alloggiato nel mozzo consente il movimento di rotazione della pala per la regolazione del pitch. Un elemento di raccordo collega la base alla parte aerodinamica della pala. Al crescere della distanza dall’asse del mozzo (raggio) lo spessore della pala diminuisce così come la corda. La velocità tangenziale di un segmento della pala cresce con il raggio. Secondo la fig. 3, si deve diminuire l’angolo di pitch per poter mantenere un buon angolo di attacco. La pala si avvolge di un angolo complessivo di circa 25° tra l’inizio e l’estremità della sezione aerodinamica. Le forze aerodinamiche variano con il quadrato della velocità relativa locale e crescono rapidamente con il raggio. È quindi importante progettare la porzione della pala vicina all’estremità in modo da avere una buona portanza e una bassa resistenza. Le pale sono flessibili e possono subire quindi una deflessione sotto l’azione del vento. Per evitare che esse possano sbattere contro la torre, l’asse del rotore è spesso inclinato di un piccolo angolo. La sezione della pala di una turbina eolica è piuttosto spessa, allo scopo di ottenere l’elevata rigidità necessaria per resistere ai carichi meccanici variabili che agiscono su di essa nel corso del funzionamento. La forza centrifuga dovuta alla rotazione è tipicamente da sei a sette volte maggiore del peso della pala nella sezione alla base. Il peso della pala stessa crea un momento flettente sulla base, in modo alternato a ogni rotazione. Il vento esercita una forza non costante, sia per le fluttuazioni dovute alla turbolenza sia per la maggiore velocità causata dall’altitudine. Una pala collocata in posizione elevata è sottoposta a un vento più intenso rispetto a una posizionata più in basso; anche le corrispondenti fluttuazioni di carico si ripetono a ogni rotazione. Tutti questi carichi variabili determinano usura, e ciò costituisce la maggiore difficoltà tecnica nella progettazione delle pale. È necessario effettuare un’analisi accurata per eliminare il rischio di risonanza tra i diversi oscillatori meccanici (pale, torre, organi di trasmissione, ecc.). Le pale sono costruite con materiali leggeri, come le plastiche rinforzate in fibra, con buone proprietà di resistenza all’usura. Le fibre sono in genere in vetro, ma per le pale più grandi vengono utilizzate le fibre di carbonio nelle parti in cui si presentano i carichi più critici. Talune pale sono costruite interamente in fibra di carbonio, mentre alcuni fabbricanti utilizzano laminati in legno. Le fibre sono incorporate in una matrice di poliestere, resina epossidica o a base di vinilestere, e le pale sono costituite da due gusci uniti insieme. La struttura è inoltre rinforzata da una matrice interna. La superficie esterna della pala viene ricoperta con uno strato levigato di gel colorato, allo scopo di prevenire l’invecchiamento del materiale composito causato dalla radiazione ultravioletta. I fulmini costituiscono una delle principali cause di avaria; viene perciò fornita una protezione attraverso fig. 7. Tipica forma di una pala e sue sezioni trasverse (ingrandite). 566 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI GENERAZIONE ELETTRICA DAL VENTO l’installazione di conduttori, sia sulla superficie della pala sia al suo interno. A seconda della tecnologia utilizzata dal produttore e dalla sua esperienza, le pale possono essere dotate di elementi addizionali, come i generatori di vortice per aumentare la portanza, i regolatori di stallo (stall strip) per stabilizzare il flusso d’aria o alette inserite all’estremità della pala per ridurre la perdita di portanza e il rumore. tre fasi separate. Il primo stadio è di solito un moltiplicatore planetario, mentre gli altri sono moltiplicatori paralleli o elicoidali. Il moltiplicatore di giri è comunque una sorgente di rumore, che i produttori si sforzano di ridurre, per esempio utilizzando moltiplicatori elicoidali invece di moltiplicatori ad assi paralleli. Il moltiplicatore viene lubrificato e l’olio viene continuamente filtrato e raffreddato. Nell’ambito della manutenzione preventiva, che è pratica standard, si controllano normalmente sia la temperatura del moltiplicatore sia le sue vibrazioni. Organi di trasmissione Le pale sono collegate al mozzo che ospita i meccanismi di regolazione del pitch. Il mozzo è di solito un pezzo di acciaio o di ferro a grafite sferoidale ed è protetto esternamente da un involucro di forma ovale, lo spinner. L’albero del rotore è sostenuto da supporti e ruota a velocità relativamente bassa (10-40 giri al minuto). La dimensione e il peso dei generatori elettrici sono approssimativamente proporzionali alla velocità di rotazione. È quindi importante progettare i generatori con una velocità di rotazione elevata (per esempio, 1.000 o 1.500 giri al minuto) e utilizzare un moltiplicatore di giri intermedio per trasformare la rotazione lenta dell’albero nella velocità di rotazione elevata del generatore. La fig. 8 illustra lo schema interno di una turbina eolica tipica. Generatore Il generatore è l’unità di trasformazione dell’energia meccanica in potenza elettrica. Vi sono due tipi principali di generatori: asincroni e sincroni. Generatori asincroni I generatori asincroni sono essenzialmente motori trifase a induzione. Sono caratterizzati da una velocità sincrona, determinata dal numero di poli del rotore e dalla frequenza di rete. Con una rete a 50 Hz e un generatore fabbricato con due paia di poli sul rotore, la velocità sincrona è di 1.500 giri al minuto. Se la coppia meccanica agente sull’albero fa aumentare la velocità di rotazione, il generatore trasferisce energia elettrica alla rete. La differenza tra la velocità effettiva di rotazione e la velocità sincrona è detta slip. Nei generatori asincroni convenzionali dotati di un rotore a gabbia di scoiattolo, lo slip è circa dell’1%, cosicché tali generatori sono considerati dispositivi Moltiplicatore di giri Il moltiplicatore di giri è impiegato per incrementare la velocità del rotore fino ai valori richiesti dai generatori convenzionali. In alcune turbine il rapporto del moltiplicatore può superare 1:100. L’effetto si ottiene in 1 6 7 8 9 10 11 12 13 2 3 4 5 18 17 16 1 pala 2 supporto della pala 3 attuatore dell’angolo di pitch della pala 14 4 mozzo 5 spinner 6 supporto principale 15 7 albero principale 8 luci di segnalazione aerea 9 moltiplicatore di giri 10 albero a velocità elevata e freno 11 unità idraulica e dispositivo di raffreddamento 12 generatore 13 strumentazione elettrica e dispositivi di controllo 14 anemometri 15 trasformatore 16 struttura della gondola 17 torre 18 organo di trasmissione per l’imbardata fig. 8. Struttura tipica di una turbina eolica. VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 567 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI a velocità costante. La corrente di magnetizzazione per lo statore è fornita dalla rete stessa. All’avvio, lo statore è collegato alla rete da un avviatore statico (soft starter) che limita la corrente iniziale. Il generatore consuma una certa quantità di potenza reattiva, che dev’essere compensata da un insieme di capacitori. Quando una raffica di vento colpisce la turbina, la sua erogazione di energia subisce una fluttuazione e, se la potenza di corto circuito della rete locale è bassa, ne possono derivare variazioni rapide di potenza sui dispositivi collegati in prossimità, come, per esempio, le lampade elettriche. Queste fluttuazioni di illuminazione, dette a volte ‘sfarfallii’, sono particolarmente spiacevoli e hanno indirizzato la ricerca verso la realizzazione di sistemi a velocità variabile. Una soluzione consiste nell’utilizzare un rotore a bobina alimentato da una corrente alternata indipendente, elaborata da un convertitore di frequenza elettronico. La velocità sincrona è quindi una funzione della differenza tra la frequenza di rete e la frequenza della corrente del rotore. Si può raggiungere una variazione di velocità inferiore o superiore al 30%; vale la pena sottolineare che l’energia elettrica richiesta dal rotore è solo una frazione (circa il 10%) dell’energia utile disponibile allo statore. corrente prodotta da questo tipo di generatore è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione. Un tale generatore, connesso direttamente alla rete, ruota a velocità fissa, senza alcuna variazione. Per permettere una modalità di funzionamento a velocità variabile, si converte la corrente a frequenza variabile del generatore in corrente continua, mediante un raddrizzatore elettronico, e si ritrasforma la corrente continua in corrente alternata idonea alla distribuzione sulla rete. Tutti i generatori a trasmissione diretta funzionano secondo questo principio. I generatori di questo tipo sono più costosi di quelli asincroni, ma l’assenza di un moltiplicatore di giri elimina una fonte di problemi di manutenzione e riduce il rumore complessivo della turbina. Per poter produrre la potenza elettrica richiesta, questi generatori hanno un grande diametro. La fig. 9 mostra lo schema di una turbina a trasmissione diretta. La gondola è molto più grande rispetto alle turbine dotate di moltiplicatore di giri e di generatore a velocità di rotazione elevata, come quella mostrata in fig. 8. Alcuni fabbricanti di turbine propongono una soluzione ibrida, con un generatore che ruota a velocità intermedia e un moltiplicatore di giri con un basso rapporto di moltiplicazione. Generatori sincroni Trasformatore e cablaggio In questo caso il rotore è costituito da un insieme di elettromagneti o magneti permanenti. La frequenza della Il livello di tensione di uscita del generatore è relativamente basso (per esempio, 690 V) e deve essere 2 3 11 12 1 13 4 14 5 6 7 8 9 10 15 17 16 1 pala 2 avvolgimento dello statore 3 avvolgimento del rotore o magnete permanente 4 supporto della pala 5 attuatore dell’angolo di pitch della pala 6 mozzo 7 albero 8 supporto del rotore 9 rotore 10 statore 11 luci di segnalazione aerea 12 anemometri 13 strumentazione elettrica e dispositivi di controllo 14 struttura della gondola 15 involucro della gondola 16 torre 17 organo di trasmissione per l’imbardata fig. 9. Turbina a trasmissione diretta con generatore sincrono. 568 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI GENERAZIONE ELETTRICA DAL VENTO tab. 2. Caratteristiche tipiche di una grande turbina eolica 4,5 MW Potenza nominale Numero di pale 3 Diametro del rotore 120 m Controllo inclinazione della pala e velocità variabile Lunghezza della pala 58 m Corda massima della pala 5m Massa di una pala 18 t Massa della gondola con rotore e pala 220 t Massa della torre (struttura tubolare in acciaio) 220 t Altezza della torre (in dipendenza dalle condizioni locali del vento) 90-120 m Diametro della torre alla base 5,5 m Velocità di rotazione del rotore 9-15 giri/min Rapporto del moltiplicatore di giri 100:1 Velocità del vento di avviamento della turbina 4 m/s Velocità del vento nominale 12 m/s Velocità del vento di arresto della turbina 25 m/s aumentato a un livello medio (per esempio, 36 kV) per mezzo di un trasformatore, per ridurre le perdite di trasmissione. Il trasformatore è installato nella gondola, o alla base della torre. I cavi elettrici flessibili, che collegano la gondola alla base della torre, formano un anello al di sotto della gondola, per consentirne i movimenti di imbardata. Tali movimenti vengono monitorati: se la rotazione è superiore a due giri, la gondola viene imbardata in direzione opposta durante il periodo successivo di assenza di vento, per sbrogliare i cavi. Sistema di imbardata L’intera gondola viene fatta ruotare sulla sommità della torre da un sistema di imbardata, per fare in modo che il rotore fronteggi sempre il vento. La velocità e la direzione del vento vengono monitorati continuamente da sensori collocati sul tetto della gondola. In genere il rotore viene posizionato secondo la direzione media del vento, calcolata sugli ultimi 10 minuti dal calcolatore della turbina. Torre L’altezza della torre dipende dal regime di vento locale. Sulla terraferma, la gondola viene collocata in genere a un’altezza pari a 1 o 1,2 volte il diametro del rotore. In zone con venti deboli la gondola viene posizionata in alto, in modo da essere esposta a venti più intensi; in VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ mare essa può essere posizionata più in basso, tipicamente a un’altezza pari a 0,8 volte il diametro del rotore. Le torri tubolari sono costruite generalmente in acciaio laminato, anche se alcune sono in cemento; hanno forma conica, con il diametro della base maggiore di quello all’altezza della gondola. Le diverse sezioni sono collegate da flange imbullonate. Le torri tubolari hanno il vantaggio di proteggere la strumentazione all’interno e gli accessi alla gondola per la manutenzione sono molto più sicuri e agevoli rispetto alle torri a traliccio. Si può accedere alla gondola mediante una scala all’interno della torre e nelle turbine più grandi è disponibile un ascensore. Le torri, che hanno sezione cilindrica per motivi di simmetria (poiché il vento può soffiare da ogni direzione), creano una notevole scia sottovento; questo è il motivo principale per cui nella maggior parte delle turbine il rotore è posizionato sopravvento. Si tratta inoltre di strutture molto visibili, che non devono mostrare segni di corrosione per molti anni; a questo scopo si sceglie un rivestimento appropriato. Le prime turbine eoliche erano installate su torri a traliccio. Queste si possono utilizzare anche per grandi turbine e vengono tuttora preferite quando le capacità locali di realizzazione le rendono l’opzione più razionale. Le torri sono fissate nel terreno grazie a fondamenta costituite in genere da piastre di cemento collocate a una certa profondità. 569 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI Dispositivi ausiliari I principali dispositivi ausiliari all’interno della gondola sono: un freno meccanico installato sull’albero di rotazione veloce per bloccare la rotazione in condizioni meteorologiche avverse o per permettere la manutenzione; un dispositivo idraulico per lubrificare il moltiplicatore di giri o altre parti meccaniche; scambiatori di calore per il raffreddamento dell’olio e del generatore. Sulla sommità della gondola sono collocati anemometri e banderuole per il controllo della turbina, luci di segnalazione per la navigazione aerea, una piattaforma di supporto agli elicotteri (per l’accesso alle turbine in mare). La strumentazione viene continuamente perfezionata, per migliorare l’affidabilità e la convenienza economica delle turbine e si utilizzano oggi molti sensori per monitorare lo stato della strumentazione e facilitarne la manutenzione. Ciò è particolarmente critico per le turbine in mare, alle quali non è facile accedere; queste turbine sono dotate di gru per semplificare le operazioni. 6.2.5 Caratteristiche tipiche delle grandi turbine attuali La tab. 2 riassume i dati più rilevanti relativi alle grandi turbine. I valori specifici dipendono dalla tecnologia in possesso dei diversi produttori, ma i parametri indicati nella tabella si possono considerare tipici di una turbina da 4,5 MW. La fig. 10 mostra la gondola di una turbina da 5 MW: il diametro del rotore è di 126 m e la gondola è collocata a 100 m di altezza. Nella fig. 11 si osserva una turbina da 2 MW a trasmissione diretta, con la gondola di grande diametro tipica di questo tipo di apparato, dotato di un grande generatore e privo di moltiplicatore di giri. fig. 10. Turbina da 5 MW. Si osserva un’esercitazione di accesso per mezzo di un elicottero alla sua sommità (per cortesia di Repower). 570 fig. 11. Turbina a trasmissione diretta da 2 MW (per cortesia dell’Autore). 6.2.6 Altri tipi di turbine eoliche Vi sono altri tipi di turbine eoliche e, anche se il tipo orizzontale a tre pale sopravvento che abbiamo descritto è finora il più diffuso, alcuni altri modelli hanno una loro rilevanza. Nel seguito sono descritti brevemente i principali sistemi esistenti. Turbine ad asse orizzontale a due pale. La fig. 12 mostra il tipo di turbina a due pale installato nei Paesi Bassi. I rotori a due pale devono ruotare più velocemente di quelli a tre pale e perciò il rumore aerodinamico è maggiore. Un rotore a due pale è soggetto a gravi squilibri dovuti alle variazioni di velocità del vento causate dall’altezza e a effetti giroscopici quando la gondola viene imbardata. Un metodo per ridurre i carichi corrispondenti consiste nell’utilizzare dei mozzi ‘di traballamento’ (teetering hub) con il rotore incernierato all’albero principale. Le turbine a una pala, invece, sono state prevalentemente installate in Italia; sono ormai in disuso da alcuni anni. Turbine multi-pala. La velocità di rotazione diminuisce al crescere del numero delle pale, ma la coppia aumenta. ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI GENERAZIONE ELETTRICA DAL VENTO fig. 12. Turbine a due pale nei Paesi Bassi (per cortesia dell’Autore). In zone con venti deboli, queste turbine si utilizzano spesso in agricoltura, per azionare pompe per l’acqua. Turbine eoliche per zone interessate da cicloni. Queste turbine sono installate su torri inclinabili che vengono posizionate orizzontalmente e assicurate al terreno quando si preannuncia un ciclone. Turbine ad asse verticale. Il vantaggio principale di questo tipo di turbina consiste nell’assenza di un sistema per l’imbardata. Si tratta di un tipo di turbina meno efficiente di quella ad asse orizzontale, ma la semplificazione che la caratterizza riveste un interesse per piccoli impianti, da utilizzare in zone climaticamente severe, come quelle montuose o artiche. Il rotore può possedere un’elevata solidità, e quindi una resistenza meccanica elevata. La fig. 13 mostra un dispositivo da 6 kW usato per il riscaldamento dell’acqua, in una stazione sciistica in Valle d’Aosta. 6.2.7 Sviluppo della produzione di energia eolica sulla terraferma L’energia eolica si è sviluppata notevolmente a partire dagli anni Novanta. La tab. 3 riassume la potenza VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ installata in alcuni paesi alla fine del 2005. La potenza totale è di ca. 53 GW, la maggior parte della quale in Europa (Tishler e Milborrow, 2005). In Germania e in Danimarca, poiché è diventato difficile allestire nuovi siti, è stata aumentata la potenza di quelli esistenti, sostituendo le vecchie turbine con modelli più moderni e più grandi. La potenza installata è molto diversa tra i vari paesi, e questo riflette il sostegno politico e gli incentivi finanziari resi disponibili localmente. Esistono alcuni problemi ambientali connessi all’installazione di una turbina eolica: l’impatto visivo deve risultare accettabile per la popolazione locale; si devono studiare il disturbo e l’alterazione degli habitat per uccelli, pipistrelli e altri animali; è necessario valutare il rumore nei pressi della turbina anche se è stato notevolmente ridotto nei modelli più recenti e non è più percepibile a 500 m di distanza dalla torre. Gli investimenti necessari per un impianto sulla terraferma dipendono da diversi fattori: a) la potenza della turbina; b) il numero di turbine del parco eolico; c) la distanza e le caratteristiche dei collegamenti alla rete; d ) le difficoltà connesse alla costruzione della turbina. In genere si considera un costo complessivo compreso tra 900 e 1.100 €/kW (anno di riferimento 2006). Il costo della turbina ammonta a circa 800 €/kW; tale costo è diminuito di circa il 50% negli ultimi 15 anni (Morthorst e Chandler, 2004) e il costo dell’energia è già, in alcune circostanze, minore di quello della produzione elettrica da gas (Milborrow, 2005). 6.2.8 Sviluppo della produzione di energia eolica in mare Il vento sulla superficie del mare aperto è più intenso e stabile che sulla terraferma e costituisce pertanto una sorgente di energia molto allettante, che può rappresentare in effetti una risorsa del 30-40% più grande di quanto non sia sulla terraferma. La tecnologia che si tab. 3. Potenza installata (GW) in alcuni paesi alla fine del 2005 Germania 18,1 Paesi Bassi 1,2 Spagna 9,8 Portogallo 1,0 Stati Uniti 8,9 Giappone 0,9 India 4,2 Francia 0,8 Danimarca 3,1 Austria 0,7 Italia 1,7 Cina 0,7 Regno Unito 1,3 Svezia 0,5 571 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI fig. 13. Turbine di piccole dimensioni ad asse verticale in Valle d’Aosta (per cortesia di Ropatec). impiega attualmente per imbrigliare il vento al largo è molto simile a quella disponibile sulla terraferma, almeno per ciò che riguarda la parte aerea della turbina. Si tratta di impianti a tre pale e ad asse orizzontale, saldamente ancorati al fondale. Le turbine eoliche marine devono affrontare alcuni problemi specifici: • il momento dei carichi sul rotore esercitato sul fondo è aumentato dalla lunghezza aggiuntiva della torre al di sotto della superficie dell’acqua; • le onde provocano carico e usura aggiuntivi sulla struttura, che possono superare di molto quelli dovuti al vento; • le caratteristiche meccaniche del terreno che costituisce il fondale spesso non sono buone e le fondamenta devono perciò essere di maggiori dimensioni; • la valutazione di impatto ambientale deve prendere in considerazione una grande varietà di forme di vita marine e l’ecosistema nel suo complesso non è ancora compreso appieno; • in mare hanno luogo diverse attività e i cavi elettrici sottomarini rappresentano spesso un pericolo. Le strutture di supporto per le turbine marine possono essere di diversi tipi (fig. 14). In acque basse le turbine possono appoggiarsi su piastre di cemento, ovvero su 572 cosiddette strutture gravity base, posizionate sul fondo. Se la profondità dell’acqua è inferiore a 20 m, la struttura è un tubo d’acciaio (monopile), conficcato nel fondale da un martello idraulico fino a una profondità sufficiente a trasferire i carichi al terreno. Se questo è troppo duro per consentire la penetrazione del pilone, si procede alla perforazione del fondale e alla successiva cementazione del pilone stesso. Sebbene questo sia il tipo più economico di fondamenta, il suo utilizzo è limitato fig. 14. Schemi di strutture di supporto per turbine eolico-marine. ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI GENERAZIONE ELETTRICA DAL VENTO dal rischio di avere le frequenze di risonanza della struttura all’interno dell’intervallo di frequenze eccitate dalle onde, dalla rotazione del rotore o dalla frequenza di passaggio delle pale. La frequenza di risonanza diminuisce con la lunghezza della struttura e aumenta con il suo diametro; in acque profonde, il diametro del pilone diventa inaccettabile. Si costruiscono quindi delle strutture a treppiedi, costituite da elementi saldati insieme, ancorate al fondale con pali a ogni angolo, con una gravity base o delle ancore a ventosa (bucket suction anchor), secondo le caratteristiche del fondale. Questa struttura più complessa rende le fondamenta più costose. L’installazione di turbine in mare aperto richiede l’impiego di navi speciali, equipaggiate con grandi gru, e di puntelli che si appoggiano sul fondale per immobilizzare la piattaforma durante le operazioni di sollevamento (fig. 15). Le turbine devono essere molto affidabili, dato che le operazioni di manutenzione necessitano dell’accesso alla turbina e le cattive condizioni meteorologiche possono rendere impossibile, per motivi di sicurezza, l’avvicinamento con navi. Si giustifica quindi una ridondanza per alcuni componenti dell’apparato e si adotta di routine il monitoraggio tramite sensori collocati nelle parti più critiche. Le turbine per l’impiego in mare sono progettate in modo da resistere all’ambiente marino: le strutture sottomarine sono protette dalla corrosione mediante protezione catodica, le parti in aria sono adeguatamente verniciate, l’isolamento delle parti elettriche viene rinforzato, e l’aria all’interno della gondola e della torre viene condizionata in modo da evitare la formazione di condensa. La potenza installata alla fine del 2004 era di 600 MW, con molti progetti di grandi dimensioni in corso di sviluppo. Gli impianti eolici in mare sono particolarmente interessanti quando si ha un mare a bassi fondali in prossimità di zone densamente popolate come, per esempio, intorno al Mare del Nord, lungo la costa orientale degli Stati Uniti, in Cina, ecc. Gli investimenti richiesti per gli impianti eolici in mare dipendono in gran parte dalle condizioni locali, dalla profondità dell’acqua, dai regimi ondosi, dalle caratteristiche del fondale, dalla distanza dalla costa e dai punti di collegamento alla rete. Il costo varia tra 1.500 e 2.500 €/kW o più (anno di riferimento 2006) ma è destinato a diminuire in futuro, con l’aumentare della potenza installata. Bibliografia citata Barthelemie R. et al. (2004) ENDOW (Efficient Development of Offshore Wind Farms): modelling wake and boundary layer interactions, «Wind Energy», 7, 225-245. Betz A., Prandtl L. (1919) Schraubenpropeller mit geringstem Energieverlust, Göttingen, Nachrichten von der Wissenchaften fig. 15. Installazione di turbine in mare, in Danimarca (per cortesia di A2SEA). VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 573 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse, 193217. Burton T. et al. (2001) Wind energy. 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