Energia Eolica Distribuita. ELDER Eolic StreetLigth Distributed Energy Resource HAMMURABI Vertical Axis Confined Mills.

Transcript

1 1 Energia Eolica Distribuita ELDER Eolic StreetLigth Distributed Energy Resource HAMMURABI Vertical Axis Confined Mills Maggio 2009

2 2 Indice Premessa... 3 Il microeolico... 6 ELDER: Microeolico applicato ai pali da illuminazione... 7 Efficienza... 8 Sistema distribuito ed impatto ambientale... 9 Un impianto da 25 kw Hammurabi Efficienza del flusso confinato Localizzazione di Hammurabi Indice Figure Figura 1 : tabella dei costi di impianti di grandi potenza (più di 1 MW)... 4 Figura 2 : costi del kwh a seconda del numero di ore di vento all anno Figura 3 Una pala eolica per una turbina da 1.5 MW... 5 Figura 4 Windmill collapse febbraio Figura 5 luglio Figura 6 : Impatto paesaggistico di megaturbine Figura 7 Dimensione della potenza installata... 6 Figura 8: alcuni modelli ad asse verticale... 7 Figura 9 Modello Darreius... 8 Figura 10 Modello integrato Savonoius-Darreius... 8 Figura 11: alcuni modelli di turbina di Gorlov commerciali Figura 12 microeolico in un parcheggio Figura 13 microeolico in una passeggiata a mare Figura 14 Disegno di un antico mulino persiano Figura 15 Schema del mulino Figura 16 Rovine di un antico mulino persiano Figura 17 Mulino di fine ottocento Figura 18 Struttura orientabile in vetroresina Figura 19 Meshatura Figura 20 Codominio con un impianto di tre hammurabi da 5 kw Figura 21 Mulini cicladici... 14

3 3 Premessa L energia eolica si sta imponendo sul mercato mondiale e in particolare sul mercato europeo come la più importante fonte rinnovabile dopo l idroelettrico. La tabella che segue presa dai dati dell EWEA (European Wind Energy Association) pubblicati nel 2009 evidenzia l importanza del settore che copre il 3,8% del fabbisogno elettrico europeo e la crescita a due cifre in quasi tutti i paesi. Tabella 1: la colonna rate % dà l incremento medio annuo dal 2004 proiettato al 2010; la colonna wind/tot dà la percentuale di energia prodotta con l eolico. Country\year rate % wind/tot Austria ,3% 3,3% Belgium ,4% 0,7% Bulgaria ,4% 0,5% Czech Rep ,8% 0,4% Denmark ,2% 21,3% Finland ,1% 0,3% France ,2% 1,2% Germany ,4% 7,0% Greece ,9% 3,7% Ireland ,5% 8,4% Italy ,9% 1,7% Netherlands ,7% 3,4% Portugal ,2% 9,3% Spain ,5% 11,8% Sweden ,9% 1,3% UK ,1% 1,8% TOTALE ,6% 3,8% In particolare l Italia si attesta con una crescita del settore al 20% il che implica che, pur con la crisi economica attuale, l investimento previsto nel 2009 sarà dell ordine del miliardo di. Il vero punto di forza dell eolico sta nella competitività economica come si evidenzia dalle due figure che seguono, anche esse tratte da rapporti EWEA del La figura 1 illustra la ripartizione tra diversi componenti del costo di un impianto eolico sopra il MW e fornisce il valore globale di 1227 euro per kw installato. La figura 2 evidenzia che il costo per kwh, a secondo del prezzo del kw installato che può variare tra 1200 e 1400 e al variare della ventosità della zona va da 5 a 10 centesimi di euro. Questo è un prezzo allineato con la media europea del costo industriale del kwh che è di circa 8 centesimi e che fa si che il settore del macroeolico possa competere senza sovvenzioni con quello dei combustibili fossili e del nucleare.

4 4 Figura 1 : tabella dei costi di impianti di grandi potenza (più di 1 MW) Figura 2 : costi del kwh a seconda del numero di ore di vento all anno. I limiti dell energia eolica stanno nelle grandi dimensioni e nel rischio di incidente. Le grandi dimensioni servono per realizzare economie di scala e raggiungere i criteri di economicità richiesti con forza dal mercato. Questo implica ovviamente un impatto ambientale elevato, minimizzato con alcuni problemi tecnici dalle soluzioni off-shore, ma ben presente per esempio sulle colline toscane. Gli incidenti, dovuti in genere ad eventi atmosferici estremi sono invece un rischio inevitabile ed intrinseco della tecnologia. Le figure che seguono illustrano queste problematiche

5 5 Figura 3 Una pala eolica per una turbina da 1.5 MW Figura 4 Windmill collapse febbraio 2007 Figura 5 luglio 2005 Figura 6 : Impatto paesaggistico di megaturbine.

6 6 Nonostante questi limiti l economia di scala e l interesse dei grandi produttori ha spostato il mercato verso i grandi impianti e il grafico qui sotto illustra questo fenomeno. Figura 7 Dimensione della potenza installata In realtà non c è stato un adeguato investimento industriale né una corrispondete sviluppo della ricerca e questo comincia ad essere colmato solo adesso. In particolare in Italia la legge del gennaio 2009 limita la tendenza al gigantismo e promuove il mini e microeolico assegnando crediti verdi ai piccoli impianti. Il microeolico In realtà il vento è una sorgente di energia distribuita e quindi è effettivamente interessante poter utilizzare sistemi piccoli e distribuiti. Esistono oggi due nicchie di mercato range 100 kw -1 MW. Pochi sistemi sono stati prodotti in questo range per il fatto che la pala si presenta comunque con forte impatto ambientale e non si realizzano le economie di scala raggiungibili con il MW e oltre range kw. Questa zona, che si definisce microeolico, si candida per piccole utenze, anche domestiche, e si propone con una grande varietà di modelli e soluzioni. Quest ultima nicchia è di grande interesse ed ha un potenziale di espansione notevolissimo pur di risolvere alcuni problemi basilari: a) la pala eolica è un dispositivo meccanico rotante che viene visto, giustamente, come un oggetto potenzialmente pericoloso. Ci sono quindi resistenze psicologiche che possono essere in parte risolte dall utilizzo di turbine eoliche ad asse verticale.

7 7 b) La pala eolica deve essere utilizzata alla massima distanza dal suolo possibile perché il vento aumenta rapidamente con la quota. Bisogna quindi trovare adeguati supporti, che possono essere invasivi per le strutture abitative. c) I costi sono più alti e le efficienze ridotte ma a questo si può rimediare con uno studio accurato dei materiali e con disegni innovativi delle pale e con controllo attivo del sistema. Limitandosi unicamente alle pale ad asse verticale esistono già numerose scelte possibili offerte dal mercato ed alcuni esempi, non esaustivi, sono dati nelle figure che seguono. Giromill Savonius Gorlov Darreius+ Savonius 2kW PackWind Turbina in camera a vento Figura 8: alcuni modelli ad asse verticale ELDER: Microeolico applicato ai pali da illuminazione Eolic StreetLigth Distributed Energy Resource I piccoli impianti pongono diversi tipi di problemi tra cui i più rilevanti sono: un più alto costo del KW installato. Si parla in questo caso di costi di /KW un piccolo impatto ambientale ma una grande difficoltà di installazione. Se si esclude infatti le case coloniche è ben difficile integrare gli impianti a strutture abitative, né del resto vale la pena di gestire il microeolico in posizione remote e isolate.

8 8 Se poi ci si concentra sulle pale ad asse verticale si deve anche tener conto di una minore efficienza di conversione. Efficienza Il principale limite del microeolico sta nella bassa efficienza delle turbine usate. Il modello Savonius parte con venti anche modesti (1-2 m/s) ma ha una efficienza inferior al 20% mentre Darreius ha una efficienza Migliore (introno al 25%) ma opera solo con venti superiori ai 5 m/s. Una utile alternative proposta da diversi modelli, è l accoppiamento dei due sistemi in un unico rotore che supera i limiti di efficienza del Savonius e permette di lavorare anche con venti di bassa velocità. Figura 9 Modello Darreius Figura 10 Modello integrato Savonoius-Darreius Recentemente è stato proposto un sistema basato su un brevetto 2001 statunitense di Gorlov che sembra essere il candidato ideale per installazioni di bassa potenza. Infatti ha le seguenti caratteristiche: a) Alta efficienza (circa 30%) b) Leggerezza c) Estetica pregevole Nella figura che segue si vedono alcuni sistemi Gorlov già commerciali. Del lavoro è in corso per la progettazione e realizzazione di un sistema leggero (10-15 Kg), in composito e fibra, nelle due versioni 0.75 e 1 kw e con un design personalizzato. Le dimensioni sono 2x 1.5 e 3x 2 metri rispettivamente.

9 9 Gorlov1 Gorlov2 Gorlov3 Figura 11: alcuni modelli di turbina di Gorlov commerciali. Sistema distribuito ed impatto ambientale L utilizzo di piccoli generatori eolici ad asse verticale può essere integrato a pali preesistenti (tipicamente i pali per l illuminazione stradale): ELDER i.e. Eolic StreetLigth Distributed Energy Resource Alternativamente può essere localizzato con pali di modesta lunghezza sui tetti dei condomini. Gli scopi di queste soluzioni sono molteplici: 1. Utenza distribuita: piccoli impianti nella taglia kw. Questo punto rappresenta un elemento base del progetto. La scelta di piccole taglie permette di installare i generatori su pali di 6-8 metri 2. Pali della luce E quindi possibile sfruttare potenzialmente i pali della luce attualmente in uso. Una sostituzione del palo può essere necessaria ma il punto essenziale sta nello sfruttare siti e strutture già predisposti. Di tutte le strutture esistenti (pali elettrici, tralicci, antenne, tetti di condomini) i pali della luce sembrano le strutture più adatte. 3. Tetti piani delle case Anche i tetti di case alte possono essere sfruttati con generatori eolici verticali utilizzando pali di lunghezza modesta 3-4 metri per rendere sicuro l acceso al tetto. 4. Design innovativo E essenziale scegliere delle soluzioni e sviluppare dei design tali da rendere non solo accettabile ma al limite appetibile la soluzione proposta. 5. Accordo con gli enti locali per la gestione delle wind factories distribuite. I comuni piccoli e grandi italiani si trovano a gestire parchi di illuminazione di grandissime dimensioni. Il parco di Torino consta per esempio di punti luce, quello di Genova di Il numero di riferimento che si utilizza è di un punto luce ogni dieci abitanti. Naturalmente non tutti i punti luce sono utilizzabili ma anche ricorrendo solo a impianti in zone periferiche e lungo viali a doppia corsia e con spazi per l installazione, la stima è che un 20% delle palinature siano utilizzabili. Questo permette di concludere che è possibile installare in modo distribuito e col microeolico una potenza di 20 W per abitante (1 KW per impianto, un impianto ogni 50 abitanti di qualsiasi comune italiano), solo utilizzando il 20% dei lampioni esistenti. A livello italiano questo equivale a 1.2 GW cioè poco meno della potenza ad oggi installata.

10 10 Un impianto da 25 kw In figura si illustra la possibile realizzazione di un impianto da 25 kw che sfrutta la palinatura di un parcheggio. Figura 12 microeolico in un parcheggio Il sistema consta di a) 50 pali con turbine da 0.5 kw b) Studio delle tecniche per irrobustire il palo di supporto e sua eventuale sostituzione c) Generatore accoppiato coassialmente alla pala eolica. d) Inverter posizionato alla base del palo. e) Cablaggi che sfruttano le canaline preesistenti. f) Monitoraggio e controllo distribuito e wireless Il materiale è disponibile commercialmente e, se ci si limita all impianto senza studiare le possibili migliorie delle turbine eoliche, i tempi di realizzazione dell ordine dei 10 mesi. Nella figura che segue si studia un possibile parco eolico da gestire su una passeggiata a mare. Si è scelta una turbina tipo Gorlov per ragioni estetiche ma anche perché serve un sistema in gradi di partire con brezze deboli e di avere una buona efficienza di conversione. Una versione in fibra di carbonio e composito della pala di Goorlov e al momento in fase di studio.

11 Figura 13 microeolico in una passeggiata a mare 11

12 12 Hammurabi Il limite di efficienza delle pale eoliche dipende in parte dal fatto che il flusso del vento non è confinato per cui la conversione dell energia del flusso è solo molto parziale. Ben diverso è la struttura dei sistemi idroelettrici dove il confinamento del flusso permette di raggiungere rese assai elevate superiori al 90%. Questo concetto viene utilizzato in antichi mulini. La tradizione fa risalire i primi modelli ad Hammurabi, re babilonese che nel 1700 ac pose fine al potere dei sumeri e unifico e legiferò sulla Mesopotamia. L uso di torri di osservazione come supporto per mulini ad asse verticale è illustrato nella figura qui sotto. Figura 14 Disegno di un antico mulino persiano Figura 15 Schema del mulino Le foto rappresentano realizzazioni di questo concetto. In particolare le rovine risalgono a 1500 anni fa. Figura 16 Rovine di un antico mulino persiano Figura 17 Mulino di fine ottocento Il limite del mulino persiano è la bassa efficienza. Infatti questi sistemi non superano il 15% tuttavia con le attuali tecniche si può fare molto meglio.

13 13 Efficienza del flusso confinato Il sistema proposto è una struttura in vetroresina rotante su una base circolare con un ingresso atto a canalizzare e velocizzare il flusso d aria. Questa viene convogliata ad alta velocità su una turbina in composito e carbonio che ha dimensioni ridotte e che scarica il flusso in una apertura retrostante dove la struttura esterna crea una opportuna depressione. Questo sistema non permette certo di realizzare le efficienze di una turbina ad acqua di Pelton ma prime simulazione suggeriscono una resa introno al 50%, cioè molto alta rispetto alle migliori pale eoliche. Figura 18 Struttura orientabile in vetroresina Figura 19 Meshatura I vantaggi di questa struttura sono diversi: a) Totale sicurezza del sistema che non ha parti in movimento accessibili dall esterno b) Alta efficienza. A seconda della velocità del vento si trovano rese tra il 40 e il 50%. c) Starrt up con venti anche molto deboli in quanto il flusso viene canalizzato e l aria impatta su una turbina piccola e leggera. d) Stabilità del sistema che si presenta nella sostanza come un cilindro retto (base e altezza sono circa uguali) e quindi non può essere ribaltato nemmeno da venti molto forti. Il sistema viene studiato in due versioni Micro : dimensioni del cilindro 3x3 m. Potenza a 10 m/s 3 kw Mini: dimensioni 4x4 m. Potenza a 10 m/s 5 kw

14 14 Localizzazione di Hammurabi Una posizione naturale dove localizzare i cilindri in vetroresina sono i tetti dei condomini. Questi si presentano come siti a quotta alta metri e naturalmente esposti al vento. La visibilità dalla strada è molto limitata e l invasività è minima. Figura 20 Codominio con un impianto di tre hammurabi da 5 kw Altre soluzioni possono venire da strutture esistenti. In figura si vedono due esempi di mulini Cicladici (in Grecia vi sono attualmente migliaia di questi mulini in stato di abbandono e inutilizzati). Non è difficile pensare a strutture di canalizzazione poco visibili e di una parte dell interno utilizzata per la turbina. Figura 21 Mulini cicladici