L energia eolica è l energia posseduta dal vento, ed ha origine dal sole.

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1 L energia eolica è l energia posseduta dal vento, ed ha origine dal sole. Il vento infatti si genera dalle differenze di temperatura che si determinano tra zone diverse della terra. Infatti il riscaldamento differenziale della terra genera, spostamenti d aria (venti superficiali) dai poli (zone più fredde) all equatore (zone più calde), che vanno a sostituire masse d aria calda che salgono dalla fascia tropicale e si muovono nella parte superiore della troposfera verso i poli. 1

2 L effetto della rotazione terrestre fa si che la terra scorra al disotto dell aria in movimento, modificando le traiettorie delle correnti aeree. Inoltre la morfologia della superficie terrestre, provoca deviazioni a livello locale che interessano gli strati bassi dell atmosfera. Lo sfruttamento di questo fenomeno naturale è cominciato in epoche lontane, già trentasette secoli fa, Hammurabi, re di Babilonia, sembra utilizzasse mulini a vento per irrigare e pompare l acqua dai fiumi; gli Arabi ed i cinesi li utilizzarono per macinare il grano e pompare l acqua. In Europa arrivarono intorno all anno 1000 in Spagna, il Don Chisciotte di Cervantes ne è testimonianza. 2

3 Tra il 1880 e 1930 cominciarono a svilupparsi gli aerogeneratori, moderni mulini a vento per la produzione di energia elettrica, già nel 1914 ne erano in funzione centinaia con potenze installa te tra 3 e 30 kw. Tra le due guerre mondiali, se ne realizzarono, grazie agli sviluppi della tecnologia aeronautica, modelli con potenza tra i kw e 1250 kw, in Danimarca si arrivò a soddisfare l intero fabbisogno elettrico con aerogeneratori. Con la diffusione dei combustibili fossili, che nel dopoguerra fornivano energia a basso costo, l industria degli aerogeneratori fu abbandonata. A partire dal 1975 in Usa, Canada ed alcuni paesi europei hanno varato programmi per lo sviluppo e la ripresa di questa tecnologia. Negli Usa grazie agli incentivi del governo, sono nate delle wind farm che producono, immettendo in rete 1800 MW. 3

4 Solo da pochi decenni quindi l energia eolica viene impiegata per produrre elettricità. I moderni mulini a vento sono chiamati aerogeneratori. Il principio di funzionamento degli aerogeneratori è lo stesso dei mulini a vento: si sfrutta il vento che spinge le pale. Ma nel caso degli aerogeneratori il movimento di rotazione delle pale viene trasmesso ad un generatore che produce elettricità. Il vento come fonte di energia è caratterizzato da: Basse concentrazioni di Potenza Continua variabilità in velocità e direzione Impossibilità di accumulo immediato Questa tecnologia è caratterizzata da due importanti pregi: Agevole conversione Diffusione su tutto il pianeta Secondo stime attendibili, circa l 1 per mille della radiazione solare intercettata dalla terra è convertito in energia del vento. Di questa circa 1/3 (60 milioni di MW) viene dissipata nei primi km di atmosfera. 4

5 Capacità totale installata [MW] di energia eolica Fonte: WWEA 5

6 RANKING 2006 Fonte: WWEA PAESE CAPACITA' INSTALLATA NEL 2005 [MW] TASSO DI CRESCITA [%] CAPACITA' TOTALE INSTALLATA ALLA FINE DEL 2006 [MW] CAPACITA' TOTALE INSTALLATA AL 2005 [MW] RANKING Germania , Spagna , USA , India , Danimarca 8 0, Cina , Italia , Gran Bretagna , Portogallo , Francia , Olanda , Canada , Giappone Austria , Australia , Grecia , Irlanda , Svezia 54 10, Norvegia 55 20, Brasile , Resto , TOTALE ,

7 Una superficie con sezione a profilo alare, posta in un flusso d aria, è soggetta ad una risultante di due componenti: Portanza, forza perpendicolare alla velocità del flusso Resistenza, forza in direzione opposta al moto del fluido Negli aeroplani la Portanza è la forza utile che sostiene il peso dell aereo, mentre la resistenza è la forza che deve essere compensata dalla spinta propulsiva dell aereo stesso. Analogamente per una macchina eolica. 7

8 Sul movimento di queste masse d aria influiscono, principalmente al suolo, molti fattori, alcuni dei quali sono determinanti per la scelta del sito sul quale installare degli aerogeneratori. La resistenza d attrito opposta dal terreno genera enormi dissipazioni di energia creando così dei gradienti di velocità all aumentare della quota che dipendono dalla rugosità del suolo. Le classi di rugosità Classe di rugosità 0: suolo piatto come il mare, la spiaggia e le distese nevose. Classe di rugosità 1: suolo aperto come terreni non coltivati con vegetazione bassa e aeroporti. Classe di rugosità 2: aree agricole con rari edifici e pochi alberi. Classe di rugosità 3: suolo rugoso in cui vi sono molte variazioni di pendenza del terreno, boschi e paesi. 8

9 La potenza dp ω associata ad una vena fluida in moto relativo di insieme caratterizzato dalla velocità ω rispetto ad un sistema di riferimento è esprimibile come prodotto della portata volumetrica dg ( area da della sezione perpendicolare alla direzione del vento moltiplicata per ω), per l energia cinetica del volume infinitesimo della vena. dp ω = 2 ρω ( ω da) = ρω da La formula, integrata e divisa per A, fornisce l espressione della potenza specifica (per unità cioè di superficie frontale della corrente d aria); la quale, posto ρ = 1,225 kg/m 3 (densità dell aria): P ω 3 = 0,613 ω Come si vede la potenza è funzione con la terza potenza della velocità del vento, quindi sono di importante rilevanza le caratteristiche anemologiche locali sulle prestazioni del dispositivo di conversione. 9

10 La potenza descritta è tuttavia soltanto teorica a causa delle irreversibilità intrinseche nel processo di conversione e negli organi meccanica. È possibile valutare come l orografia del terreno modifica la velocità del vento a diverse quote. La velocità del vento ad una determinata quota, diversa a seconda del tipo di installazione, è estrapolabile attraverso la relazione di Hellmann: ω ( z' ) = ω( z) z' z a in cui: a: è un esponete caratteristico della località in esame z : quota alla quale si vuole conoscere la velocità z: quota alla quale è nota la velocità 10

11 Un errore nella rilevazione della velocità, ad esempio del 10%, induce ad un errore del 33% sulla valutazione della potenza. Sono molto affidabili stime della velocità media ottenuti su lunghi periodi ( almeno 10 anni), i dati possono essere riportati su base giornaliera, mensile, annuale. La normativa * suggerisce la seguente procedura: Individuazione della regione di vento della località in esame Individuazione della zona di vento in funzione della distanza dalla costa e dalla quota Determinazione di un coefficiente c correttivo, desumibile da tabelle confrontando la zona di vento così ottenuta con quella che caratterizza il capoluogo più vicino tra quelli appartenenti alla stessa regione di vento Calcolo della velocità media annua cercata: ϖ ϖ ' =ϖ c * UNI-CTI

12 Coefficiente correttivo c Regioni di vento Valori Medi annui velocità del vento Regioni di vento 12

13 Le mappe eoliche forniscono un dato di primo orientamento, ma non consentono di valutare la produttività di un sito. Una informazione indiretta su direzione ed intensità del vento può essere fornita dall esame delle fronde degli alberi. Le fronde delle conifere ed in generale degli alberi sempre verdi si deformano in modo permanente sotto l azione dei venti. 13

14 I valori medi, tabulati da opportune campagne di misura, ci permettono di ottenere una stima di prima approssimazione per valutare i possibili siti di interesse. Per una valutazione delle reali possibilità di utilizzazione della risorse di un determinato sito è necessario conoscere l istogramma della distribuzione delle frequenze F della velocità del vento. È possibile realizzare a partire dai dati medi realizzare mappe del vento sulle quali sono tracciate le curve isovento. 14

15 La conoscenza della funzione cumulativa della distribuzione di frequenza permette di conoscere quante volte si verificano velocità del vento superiori ad un determinato valore. 15

16 Ruotando la curva cumulativa di 90 sul piano in verso antiorario, si ottiene la curva di durata annuale della velocità del vento (a), permette di determinare il numero di ore annue in cui una certa velocità viene superata e soprattutto permette di valutare realisticamente l energia disponibile. Dal diagramma di durata della velocità, utilizzando la relazione per il calcolo della potenza, ottenere in diagramma di durata della potenza (b). L area sottesa da questa curva rappresenta, in scala opportuna, l energia posseduta dal vento per una sezione trasversale unitaria nell intervallo di velocità considerata, espressa in kwh/m 2 anno 16

17 La configurazione orografica, in corrispondenza dei rilievi si genera deviazioni di traiettoria delle masse d aria, i rilievi inoltre possono essere spesso barriere o elementi incanalatori. Soluzione a questi problemi sono gli impianti off-shore. 17

18 North Hoyle offshore wind farm 18

19 In generale la posizione ideale di un aerogeneratore è in un terreno appartenente ad una bassa classe di rugosità e che presenta una pendenza compresa tra i 6 e i 16 gradi. Il vento deve superare la velocità di almeno 5,5 m/s e deve soffiare in modo costante per gran parte dell anno, garantendo almeno 1000 kwh/m 2 anno. Mentre i migliori siti eolici off-shore sono quelli con venti che superano la velocità di 7-8 m/s, che hanno bassi fondali (da 5 a 40 metri) e che sono situati ad oltre 3 chilometri dalla costa. 19

20 Rotore Moltiplicatore di giri Generatore Sistema frenante Sistema di controllo Torre e Fondamenta Navicella e Sistema di imbardata 20

21 Il rotore è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale. Le pale più utilizzate sono realizzate in fibra di vetro. Possono essere ad asse: Orizzontale Verticale 21

22 Rotori ad asse orizzontale L'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento e ruota su un piano perpendicolare alla direzione. L'elica è l'esempio tipico. Le caratteristiche peculiari sono: alta velocità di rotazione, area frontale utilizzata totalmente, elevato coefficiente di portanza e quindi elevata potenza. Sono utilizzati principalmente per produrre elettricità. Gli svantaggi sono: difficoltà di realizzazione, grandi ripercussioni negative sulla macchina per minimi errori progettuali. 22

23 Rotori ad asse verticale Il rotore gira con un asse perpendicolare alla direzione del vento, mentre le pale si muovono nella stessa direzione. Tipici esempi sono i rotori Savonius. La caratteristica di queste macchine è la loro bassa velocità di rotazione, il momento motore elevato e il modesto rendimento. Sono adatti per utilizzazioni meccaniche come le pompe per l'acqua. In effetti il loro uso è ormai limitato ad ambienti rurali. Hanno il notevole vantaggio di non doversi orientare secondo la direzione del vento. 23

24 Il sistema frenante è costituito da due sistemi indipendenti di arresto delle pale: un sistema di frenaggio aerodinamico e uno meccanico. Il primo viene utilizzato per controllare la potenza dell aerogeneratore, come freno di emergenza in caso si sovravelocità del vento e per arrestare il rotore. Il secondo viene utilizzato per completare l arresto del rotore e come freno di stazionamento. La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma tubolare o a traliccio. In genere è costruita in legno, in cemento armato, in acciaio o con fibre sintetiche. La struttura dell aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediante fondamenta. Le fondazioni molto spesso sono completamente interrate e costruite con cemento armato. Il generatore trasforma l energia meccanica in energia elettrica. La potenza del generatore viene indicata in chilowatt (kw). 24

25 Il funzionamento di un aerogeneratore è gestito da un sistema di controllo che svolge due diverse funzioni. Gestisce, automaticamente e non, l aerogeneratore nelle diverse operazioni di lavoro Aziona il dispositivo di sicurezza che blocca il funzionamento dell aerogeneratore in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento. La potenza ha una dipendenza pari alla terza potenza della velocità, infatti in caso di raddoppio della velocità del vento si disporrà una potenza otto volte superiore. 25

26 La navicella è una cabina in cui sono ubicati tutti i componenti di un aerogeneratore, ad eccezione, naturalmente, del rotore e del mozzo. La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare di 180 sul proprio asse. Per assicurare sempre il massimo rendimento dell aerogeneratore è importante mantenere un allineamento più continuo possibile tra l asse del rotore e la direzione del vento. Negli aerogeneratori di media e grossa taglia, l allineamento è garantito da un servomeccanismo, detto sistema di imbardata, mentre nei piccoli aerogeneratori è sufficiente l impiego di una pinna direzionale. Nel sistema di imbardata un sensore, la banderuola, indica lo scostamento dell asse della direzione del vento e aziona un motore che riallinea la navicella. 26

27 Eolico off - shore Costituirà l eolico del futuro Le turbine eoliche potranno essere più grandi di quelle utilizzate oggi Wind farm offshore sulle coste della Spagna I siti disponibili sono numerosi e non vi sarebbero interferenze con altre attività umane a parte l attenzione alle esigenze di navigazione Gli impianti non sottraggono spazio prezioso allo sviluppo urbanistico, all'agricoltura o ad altri usi Alla fine del 2006, la potenza installata di eolico off-shore era pari all 1,8% dell energia eolica totale prodotta pari a MW. Wind farm offshore sulle coste della Danimarca Alla fine del 2006, quasi il totale dei 900 MW di fattorie del vento off-shore sono state installate in Europa in particolare sulle coste della Danimarca, Irlanda, Olanda, Svezia e Gran Bretagna. 27

28 Eolico in Italia La posizione geografica dell Italia, unita alla presenza di catene montuose e di masse d acqua, determina un diverso andamento dei venti sia nel corso dell anno che da regione a regione. L Italia può comunque contare, specie nelle zone mediterranee meridionali e nelle isole, su venti di buona intensità, quali il maestrale, la tramontana, lo scirocco e il libeccio. I risultati di un indagine, cui anche l ENEA ha partecipato, hanno evidenziato che i siti più idonei allo sfruttamento dell eolico si trovano lungo il crinale appenninico, al di sopra dei 600 mslm e, in misura minore, nelle zone costiere. Le regioni più interessanti sono quelle del Sud, in particolare Campania, Puglia, Molise, Sicilia e Sardegna, e il territorio compreso tra le province di Trapani, Foggia, Benevento, Avellino e Potenza è il principale polo eolico nazionale. Tuttavia la quantità di energia prodotta da fonte eolica è ancora trascurabile rispetto al potenziale sfruttabile stimato in circa MW sulla terraferma e altrettanti in offshore. 28

29 Eolico in Italia MW eolici installati nelle varie regioni d Italia , ,2 0 7,3 3,5 27,8 1,5 0 10,9 156,3 54,6 411,2 514,2 153,3 6,5 449,8 370,2 Fonte: Legambiente 29

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31 Impatto ambientale: benefici globali Una delle maggiori perplessità sulla installazione di centrali eoliche, da parte dei decisori politici e delle popolazioni locali, dipende dalle preoccupazione sul loro impatto ambientale. E quindi opportuno sottolineare le caratteristiche di questa fonte il cui impatto ambientale è limitato, specialmente attraverso una buona progettazione: l energia eolica è una fonte rinnovabile, in quanto non richiede alcun tipo di combustibile, è pulita perché non provoca emissioni dannose per l uomo e per l ambiente. Gli aerogeneratori non hanno alcun tipo di impatto radioattivo o chimico, visto che i componenti usati per la loro costruzione sono materie plastiche e metalliche. Gli aspetti ambientali che vengono presi in considerazione sono invece correlati a possibili effetti indesiderati, che hanno luogo su scala locale; essi sono: occupazione del territorio impatto visivo rumore effetti elettromagnetici interferenze elettromagnetiche effetti su flora e fauna 31

32 Occupazione del territorio In base al rapporto tra la potenza degli impianti e il terreno complessivamente necessario (anche per la distanza delle macchine), la densità di potenza per unità di superficie è circa di 10 W/m 2. Tuttavia le macchine eoliche e le opere di supporto (cabine elettriche, strade) occupano solamente il 2-3% del territorio per la costruzione di un impianto, quindi la densità di potenza ottenibile è da considerarsi nettamente superiore, dell ordine delle centinaia di W/m 2. Bisogna ricordare che la parte del terreno non occupata dalle macchine può essere impiegata per altri scopi, come l agricoltura e la pastorizia, senza alcuna controindicazione. 32

33 Impatto visivo Gli aerogeneratori per la loro configurazione sono visibili in ogni contesto in cui vengono inseriti, in modo più o meno evidente in relazione alla topografia e all antropizzazione del territorio. Un aerogeneratore da 500 kw di potenza ha un diametro del rotore e un altezza della torre di circa 40 metri, mentre uno da 1500 kw misura, per questi due valori, circa 60 m. L impatto nel paesaggio tra i due tipi di macchina è moderatamente diverso, per cui aumentare la taglia delle macchine potrebbe ridurre, a parità di potenza globale installata, l impatto visivo. 33

34 Impatto visivo L impatto visivo è un problema di percezione e integrazione complessiva nel paesaggio; comunque è possibile ridurre al minimo gli effetti visivi sgradevoli assicurando una debita distanza tra gli impianti e gli insediamenti abitativi. Sono state individuate, inoltre, soluzioni costruttive tali da ridurre tale impatto: Impiego di torri tubolari o a traliccio a seconda del contesto Impiego di colori neutri Adozione di configurazioni geometriche regolari con macchine ben distanziate 34

35 Impatto acustico Il rumore emesso da una centrale eolica non è percettibile dalle abitazioni, poiché una distanza di poche centinaia di metri è sufficiente a ridurre il disturbo sonoro. In generale, la tecnologia attuale consente di ottenere, nei pressi di un aerogeneratore, livelli di rumore alquanto contenuti, tali da non modificare il rumore di fondo, che, a sua volta, è fortemente influenzato dal vento stesso, con il risultato di mascherare ancor più il contributo della macchina. Interferenze sulle comunicazioni La macchina eolica può influenzare: le caratteristiche di propagazione delle telecomunicazioni (come qualsiasi ostacolo), la qualità del collegamento in termini di segnale-disturbo e la forma del segnale ricevuto con eventuale alterazione dell informazione. Una adeguata distanza degli aerogeneratori fa sì che l interferenza sia irrilevante. 35

36 Flora e fauna Sulla base delle informazioni disponibili, si può affermare che le possibili interferenze di qualche rilievo degli impianti eolici con la flora e la fauna riguardano solo l impatto dei volatili con il rotore delle macchine. In particolare, le specie più influenzate sono quelle dei rapaci; gli uccelli migratori sembrano adattarsi alla presenza di questi ostacoli. In genere le collisioni sono molto contenute. 36

37 Costi Grazie ai recenti sviluppi tecnologici l'energia eolica inizia ad essere economicamente vantaggiosa. Il costo di installazione è relativamente basso, se raffrontato ad altre tecnologie come ad esempio il fotovoltaico. Al 2004, secondo l International Energy Agency, il costo medio di produzione dell'energia eolica sarebbe compreso tra 0,04-0,08 /kwh, anche se stime più recenti indicherebbero un costo ancora inferiore che farebbe presupporre nel breve termine un costo di 0,03 /kwh del tutto concorrenziale rispetto ai costi dell'energia generata da fonti convenzionali (negli ultimi dieci anni la riduzione del costo di produzione di energia da fonti eoliche si è attestata sul 30%-50% e si prevede che la tendenza rimanga costante). 37

38 Il minieolico Il microeolico Per Minieolico si intendono gli impianti la cui taglia di potenza è inferiore 50 kw Per Microeolico si intendono gli impianti la cui taglia di potenza è inferiore 1000 W Impieghi Impianti a servizio di utenze isolate (stand- alone o off-grid) Impianti di media potenza a servizio di piccole comunità e villaggi isolati (tipicamente utilizzati per remoti insediamenti montani o insulari) Piccoli impianti connessi in rete a bassa tensione per forniture domestiche integrative 38

39 Vantaggi rispetto agli impianti tradizionali Macchine più semplici Uso continuativo delle microturbine anche per svariati anni consecutivi senza la necessità di interventi di manutenzione grazie alle nuove tecniche costruttive Riguardo le utenze isolate, i sistemi minieolici possono essere accoppiati a impianti fotovoltaici e/o generatori diesel per una completa autosufficienza energetica dell utenza (sistemi ibridi) 39

40 Applicazioni Si possono distinguere principalmente 3 classi di potenza: Impianti micro eolici di potenza < 1 kw Impianti mini eolici di potenza < 10 kw Impianti mini eolici di potenza > 10kW 40

41 Applicazioni Impianti micro eolici di potenza < 1 kw Sono solitamente poste a servizio di sistemi isolati e svolgono principalmente funzioni di caricabatterie. Le principali applicazioni sono: Stazioni meteo automatiche Ripetitori per la telefonia cellulare Segnaletica luminosa disposta su strade e autostrade Imbarcazioni da diporto 41

42 Applicazioni Impianti micro eolici di potenza < 10 kw Sono in grado di fornire un quantitativo sufficiente anche per utenze più energivore e può servire sia utenze isolate che sistemi connessi alla normale rete di distribuzione. Le principali applicazioni sono: Recinzioni elettrificate per il governo delle greggi Ripetitori per telecomunicazioni Rifugi montani Basi scientifiche remote (come quelle in Antartide) Semplici utenze domestiche 42

43 Applicazioni Impianti micro eolici di potenza > 10 kw Possono essere utilizzati per l alimentazione di più utenze collegate tramite una piccola rete elettrica a bassa tensione come può avvenire ad esempio per comunità e villaggi isolati: questa può essere la situazione ad esempio di un insediamento insulare, come avviene in Italia per le isole minori, o di alcune comunità nei Paesi in via di sviluppo. In questi casi solitamente la miniturbina fa parte di un sistema di produzione energetica più esteso, che può comprendere sia impianti fotovoltaici, sistemi miniidraulici o motori diesel, in modo da garantire la perfetta autosufficienza energetica dell utenza (sistemi ibridi). Sistema ibrido eolico-fotovoltaico 43

44 Esempi di integrazione Bahrain World Trade Center a New York by Atkins Project Web Università di Stuttgart 44

45 Innovazione: L eolico d alta quota, il Kite Wind Generator (Kite Gen) Il kitegen è basato su aquiloni che raccolgono il vento a grande altezza per far girare un carosello connesso a un generatore. Il progetto propone un metodo originale per concentrare su un unico impianto importanti quantità d'energia eolica. Permette di ipotizzare macchine del vento la cui dimensione non è condizionata da limiti strutturali e dinamici. Il KiteGen può competere con sistemi di produzione elettrica convenzionale, compreso il nucleare, in termini di potenza nominale per singolo impianto e di costo dell'energia prodotta. L obiettivo del progetto è sviluppare, implementare e collaudare un concetto interamente nuovo per la produzione di energia elettrica. 45

46 Innovazione: L eolico d alta quota, il Kite Wind Generator (Kite Gen) La sorgente energetica utilizzata per il generatore è il vento di alta quota che verrà catturato attraverso una serie di profili alari (kites) i cui movimenti sono controllati elettronicamente da sensoristica e software specificamente sviluppati. I kites sono ancorati a una struttura rotante, una turbina ad asse verticale analoga a un'enorme giostra, che convoglia l'energia meccanica sugli alternatori come in una tradizionale centrale elettrica. Questo progetto è frutto di anni di ricerca e sviluppo e ha già prodotto alcuni brevetti Europei. Il lavoro richiesto per costruire i prototipi e dimostrare la validità dell'ipotesi è articolato in fasi operative progressive per una durata di cinque anni. 46