Turbina Eolica ad Asse Verticale 5 kw SILENT V Presentazione

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1 Turbina Eolica ad Asse Verticale 5 kw SILENT V Presentazione 1

2 INTRODUZIONE L eolico è indubbiamente una delle tecnologie per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile più mature, con costi di generazione al kwh ormai prossimi, nei siti caratterizzati da buona ventosità, alla grid parity. La tecnologia eolica detiene infatti la leadership tra le fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica di nuova generazione con oltre occupati nel mondo e un fatturato di oltre 50 miliardi di euro. La capacità globale ha superato i MW con turbine installate in oltre 95 paesi e una crescita media del 22% nella scorsa decade: Con circa MW di eolico, l'europa è in testa alla classifica dei continenti: con i megawatt di eolico installati nell'unione europea nel 2011 che rappresentano oltre il 20% della nuova energia installata. Dal 2000 ad oggi l'ue ha collegato alla rete MW eolici, riducendo il consumo di carbone di MW e di nucleare di MW. 2

3 Nel 2009 oltre il 39% di tutta la nuova potenza elettrica installata in Europa da tutte le fonti (convenzionali e rinnovabili) è stata di provenienza eolica. Le prospettive di sviluppo secondo il Global Wind Energy Council (GWEC) indicano per la produzione di energia elettrica da fonte eolica un ruolo di primo piano nell ambito delle fonti rinnovabili: è previsto a breve-medio termine più che un raddoppio della potenza installata a livello mondiale, con il raggiungimento di circa 450 GW al 2015 rispetto ai circa 200 GW del Nella sua seconda Strategic Energy Review la Commissione Europea stima che l energia eolica si espanderà ulteriormente nel breve-medio termine e secondo alcuni degli scenari impiegati per la valutazione d impatto del climate-energy package, la potenza eolica totale in Europa potrebbe superare i 161 GW entro il

4 L Unione Europea prevede infatti che il consumo dell energia elettrica dell UE al 2020 sia coperto per il 34% dalle fonti rinnovabili e per circa il 12% dalla sola energia eolica. Le previsioni della European Wind Energy Association (EWEA) sono ancora più alte con un target in termini di potenza di 230 GW al 2020, di cui 40 GW offshore, e in termini di energia del 14 %, pari a 495 TWh, della domanda totale di energia dell Unione Europea. Il "mini-eolico" Si identificano con il termine mini eolico, coerentemente con quanto previsto dalla normativa italiana, gli aerogeneratori per la produzione di energia elettrica di taglia compresa tra 1 e 200kW. Si tratta di sistemi di trasformazione dell'energia del vento in energia elettrica molto simili a quelli di più grandi dimensioni ma con la possibilità di avviarsi a produrre energia anche a velocità del vento attorno ai 3m/s (circa 11km/h) contro i 5/6m/s dei sistemi più grandi e con costi d'investimento decisamente inferiori. Il mercato del mini eolico occupa una posizione di nicchia ma sempre in crescita nel quadro globale dell'energia eolica con oltre turbine installate a fine 2010 per una capacità totale di oltre 440MW. 4

5 Se nel 2010 infatti la quota del comparto del mini eolico nel quadro globale dell'energia eolica era pari allo 0,14%, nel 2020 tale percentuale è destinata a salire fino ad un 0,48% con una crescita che fino al 2015 si attesterà attorno al 35% annuo: "Silent V" Nel comparto del mini eolico particolare interesse è suscitato dalle turbine ad asse verticale. I vantaggi di queste tipologie di turbine sono numerosi e sono noti già da tempo ma non c'è stato ancora un recepimento né da parte di progettisti e costruttori né da parte degli utilizzatori se non in casi abbastanza rari; sull'argomento anche la bibliografia disponibile è a dir poco scarsa così come è difficile trovare turbine valide sia dal punto di vista tecnico che di prestazioni dichiarate. In questo vuoto di mercato si è cercato quindi di proporre un oggetto ben studiato e ben fondato dal punto di vista ingegneristico ma anche, e soprattutto, di quello economico ed estetico al fine di imporsi sulla concorrenza e di rispondere alle esigenze sempre maggiori degli investitori. 5

6 DESCRIZIONE La Silent V è una turbina ibrida innovativa che integra i benefici sia dei modelli Savonius che di quelli Darrieus. Il rotore Savonius è una particolare tipologia di turbina ad asse verticale che sfrutta il principio della resistenza aerodinamica e dotata di pale che, viste in pianta, assumono una particolare forma ad S: è caratterizzato da una bassa velocità di rotazione e di innesco, ma dotato di una coppia motrice sorprendentemente alta, che lo rende molto interessante qualora sia necessario produrre lavoro meccanico negli istanti iniziali di messa in moto del generatore eolico. Per garantire un funzionamento più fluido e particolarmente silenzioso le pale vengono svergolate lungo l asse di rotazione assumendo una forma elicoidale. Le pale di un rotore Darrieus invece sono vere e proprie ali. Il principio di funzionamento è quindi simile a quello sfruttato nel campo dell aeronautica grazie al quale un profilo alare immerso in un fluido (rappresentato dal vento relativo), a causa della differenza di pressione tra dorso e ventre, genera una forza, nota come portanza, perpendicolare alla direzione del vento relativo. Con un'opportuna scelta del profilo, del suo angolo di calettamento (incidenza alare) e della geometria della pala è possibile sfruttare la portanza per generare una coppia di rotazione all asse del generatore Per la Savonius è stato studiato un profilo che garantisce un buon spunto iniziale a scapito delle prestazioni a più alte velocità di vento e di rotazione ma limitando in questo modo le dimensioni e mantenendo una forma snella con rapporto diametro/altezza pari a 0.6 capace comunque di fornire quanto strettamente necessario per garantire una velocità di cut in tra le più basse sul mercato del minieolico. 6

7 Per la Darrieus, il laborioso progetto aerodinamico di ottimizzazione 2D e 3D realizzato con software di ultimissima generazione che hanno permesso di simulare in una galleria del vento virtuale il comportamento dinamico dell intera parte aerodinamica, ha portato alla definizione di un rotore in grado di sviluppare potenze con rendimenti che pongono la Silent V tra le turbine con rapporto Potenza e Dimensioni estremamente elevato, al vertice della classifica degli aerogeneratori più performanti ed efficienti. Figura 1: Rendimenti su TSR (Tip Speed Ratio= R/V ) in Verde componente Savonius, in Rosso componente Darrieus ed in Blu Silent V 7

8 Figura 2: SILENT V 8

9 Gli aspetti che maggiormente la distinguono dalla concorrenza nell'ambito delle energie rinnovabili sono numerosi: VANTAGGI RISPETTO ALL'EOLICO ORIZZONTALE Diversi sono i vantaggi di Silent V rispetto ad una turbina standard ad asse orizzontale, ma certamente quelli più immediati sono la silenziosità e il minor impatto ambientale. Queste due caratteristiche permettono a Silent V di poter essere installata in diversificati siti e contesti urbanistici evitando di deturpare l'ambiente circostante eliminando qualsiasi forma di inquinamento acustico e visivo. La particolare forma della turbina, che la rende simile ad un albero, vuol essere significativa della sua peculiarità di "green project" e la rende integrabile facilmente nel territorio. Come ogni turbina ad asse verticale infine non ha l'impatto negativo che quelle ad asse orizzontale hanno sulla popolazione aviaria e sulla fauna in generale. La quasi completa mancanza di organi meccanici in movimento e il relativamente basso valore della velocità di rotazione ottimale di funzionamento permettono a Silent V non solo di essere estremamente silenziosa ma anche di poter essere installata in località dove l'assenza (o quasi) di manutenzione può rappresentare un notevole vantaggio; si pensi ad esempio a località remote o desertiche per applicazioni off-grid. Un ultimo vantaggio significativo è quello di garantire una distribuzione territoriale della produzione di energia elettrica, particolarmente importante come soluzione strategica in costruzioni sensibili, ma particolarmente apprezzata anche nell'ottica di ottimizzazione del carico su reti estese. VANTAGGI RISPETTO AL FOTOVOLTAICO Il vantaggio più immediato dell eolico rispetto al fotovoltaico è certamente la possibilità di essere installato a terra con un occupazione minima del territorio. La superficie in pianta di Silent V è infatti di circa 15mq contro i 40mq almeno di un impianto fotovoltaico a parità di potenza di picco. Sviluppandosi in altezza può quindi facilmente essere integrata sia in ambito urbano (sulle carreggiate di autostrade, ponti, viadotti ma anche sulle coperture di edifici) che extraurbano (sui crinali boschivi dei monti, sui lungo mari delle zone costiere o nei porti). 9

10 Un secondo ed importante vantaggio è la maggiore producibilità annua a parità di potenza nominale di picco e un minor costo del kwhe di energia elettrica prodotto nella vita stimata dell oggetto. Per zone con un vento medio superiore a 5m/s, il costo del kwh elettrico di Silent V risulta infatti già inferiore a quello di un impianto fotovoltaico installato nell Europa del NORD. Un ultimo aspetto da considerare è la possibilità con l eolico di avere produzione di energia elettrica indifferentemente 24 ore su 24 che, in caso di installazioni in isola può permettere un miglior sfruttamento e gestione del sistema di accumulo. La struttura della turbina è molto semplice, in cui si è cercato di ottimizzare fin dalla prima fase di progetto la componentistica e quindi i costi di materiale, lavorazioni e assemblaggio. Minor numero di componenti non significa infatti solo minori costi ma anche minore manutenzione, che come detto può essere un enorme vantaggio in tante situazioni, e soprattutto minor peso ovvero minori attriti e minor inerzia che permettono a Silent V di presentare elevatissime efficienze. Gli unici organi meccanici in movimento sono infatti i cuscinetti di supporto dell albero della turbina. Tutta la struttura di supporto (ad esclusione dell'albero del generatore) e la totalità della parte aerodinamica è realizzata in leghe di alluminio particolarmente resistenti che le rendono simili per prestazioni all'acciaio con però tutti i vantaggi di quel materiale: estrema leggerezza, facilità di lavorazione ma soprattutto elevata reperibilità e riciclabilità che rende Silent V prestante anche in un ottica di life cycle design. Gli elementi in alluminio così come tutti i componenti della turbina sono opportunamente trattati superficialmente con protezioni anticorrosive specifiche per l installazione in ambienti marini o desertici. 10

11 Il dimensionamento della parte strutturale è stato effettuato con i più moderni software di modellazione 3D e di analisi ad elementi finiti: partendo dai carichi risultanti dalle analisi aerodinamiche si è potuto analizzare le condizioni di stress e di deformazione di ciascun componente in modo da valutarne la sicurezza ed ottimizzarne il layout attraverso verifiche in condizioni statiche, dinamiche e a fatica al fine di garantire una vita utile di 20 anni. Il generatore sincrono a magneti permanenti installato all'interno di un carter realizzato ad hoc per aumentarne l'efficienza garantendo un miglior raffreddamento garantisce due importanti vantaggi: assenza di un moltiplicatore di giri e assenza di correnti di spunto all'avvio. Il generatore è collegato ad un gruppo inverter di ultima generazione per l'immissione in rete dell'energia elettrica prodotta secondo lo schema seguente: Figura 3: Schema di collegamento alla rete Tale gruppo non solo permette di ottenere in uscita una frequenza compatibile con quella della rete di distribuzione ma attraverso un algoritmo relativamente semplice, permette di controllare la turbina facendola lavorare nei suoi punti di ottimo per ottenere la massima potenza meccanica estraibile dal vento per qualsiasi velocità (MPPT strategy, Figura 12). Così facendo, si ottiene un rendimento globale di produzione di energia elettrica prossimo al 90%. 11

12 Figura 4: Strategia di controllo MPPT La turbina risponde ai massimi requisiti anche in termini di sicurezza. Il generatore è infatti dotato di un sistema di frenatura oleodinamico realizzato con pinze a sicurezza positiva che in caso di mancanza di tensione fermano in totale sicurezza la turbina. 12

13 DIMENSIONI 13

14 PRESTAZIONI Le analisi e i calcoli effettuati su Silent V nella galleria del vento virtuale, il cui livello di confidenza è stimabile attorno al ±5%, hanno portato alle seguenti curve di potenza (Figura 13): Vento [m/s] Potenza meccanica [W] Potenza elettrica [W] Figura 5: Curva di potenza 14

15 In base alla curva di potenza ottenuta è quindi possibile stimare la producibilità annua di energia elettrica in funzione della velocità media del vento per diverse zone (Figura 14). Nel calcolo si ipotizza una distribuzione delle velocità secondo Rayleigh (distribuzione di Weibull con costante k=2 - siti con ventosità molto variabile). Ventosità media [m/s] Producibilità annua [kwhe] Figura 6: Produzione annua di energia elettrica 15

16 ANALISI ECONOMICA La recente revisione della normativa vigente del decreto rinnovabili del marzo 2011 prevede che, per impianti di piccola taglia cioè con potenze sino a 20 KW, su un orizzonte temporale di 20 anni vengano corrisposti, mediante il meccanismo dell incentivazione diretta, Euro per ogni Kwh di energia elettrica prodotta da fonte eolica e immessa nella rete, tariffa omnicomprensiva che garantisce interessanti ritorni economici e guadagni per chi sceglie di investire in questo settore specifico delle "clean energy". Un attento rilievo anemometrico del sito di destinazione d uso dell impianto può fornire indicazioni precise sull effettivo ritorno dell investimento. I parametri fondamentali di valutazione dell investimento sono il PBP, l IRR e il LEC come di seguito definiti PBP = Periodo di rimborso (Pay Back Period, nella notazione inglese): calcolo del numero di anni necessario per compensare l'investimento attraverso flussi positivi. In pratica è la prima scadenza in cui si verifica un'inversione di segno nei saldi di cassa. IRR = Tasso Interno di Rendimento (IRR o TIR, acronimo dall'inglese Internal Rate of Return) è un indice di redditività finanziaria di un flusso monetario. Nel caso più comune di un investimento come quello qui trattato, rappresenta il tasso composito annuale di ritorno effettivo che questo genera; in termini tecnici rappresenta la resa di un investimento. LEC = Costo di produzione dell Energia (Levelised Energy Cost) è il prezzo al quale l'elettricità deve essere generata da una fonte specifica per poter rientrare delle spese, ossia il punto di pareggio ("break even"). Si tratta di un calcolo di bilancio economico del costo nell'intero sistema di generazione dell'energia, includendo tutti i costi nell'arco della vita utile dell'impianto: investimenti iniziali, operatività e mantenimento, costi del combustibile, costi di capitale, ed è molto utile per calcolare il vero costo finale della generazione elettrica da diverse fonti. Può essere definita da una unica formula consigliata dalla I.E.A. (International Energy Agency Organization for Economic Cooperation and Development): Dove: 16

17 = Costo livellato di generazione dell'elettricità (Average Lifetime Levelised electricity generation cost) = Spese d'investimento nell'anno t = Spese operative e di mantenimento nell'anno t = Spese di combustibile nell'anno t = Generazione di elettricità nell'anno t = Tasso di sconto = Vita operativa del sistema Tipicamente i LEC sono calcolati per vite operative da 20 a 40 anni, e sono forniti come unità monetarie per kilowattora. Di seguito viene presentato un esempio di analisi economica che prevede il collegamento dell impianto eolico alla rete elettrica. Si ipotizza un piano d investimento composto da: L impiego di un capitale iniziale di Euro per l acquisto di un impianto eolico costituito da una turbina SILENT V di potenza nominale pari a 5 KW. Un costo di manutenzione ordinaria annuo dell impianto eolico di 50 Euro Con un software di simulazione della redditività dell investimento basato sulle prestazioni della turbina eolica SILENT V sono stati presi in considerazione 6 diversi scenari differenziati sull ipotesi fatta del vento medio annuo caratteristico del sito di destinazione d uso dell impianto. I sei valori sono i seguenti: 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s 9 m/s 4 m/s è riferito a zone non particolarmente ventose, quali tipicamente alcune regioni del nord d Italia mentre 5 e 6 m/s, seppur anch essi valori di ventosità relativamente modesti in un contesto Europeo, di fatto caratterizzano gran parte delle regioni della nostra penisola ad esclusione delle isole e zone costiere dove si registrano ventosità mediamente più significative sino a 7 e 8 m/s, peculiari anche per alcune zone collinari e lacustri. 17

18 Figura 1: Rendimento dell impianto nell ipotesi di ventosità media del sito pari a 6m/s I dati che si ottengono sono i seguenti: Ventosità media [m/s] (tasso di sconto = 5%) 4.0 LEC [ /kwh] PBP [anni] IRR [%] //

19 Riassumendo i dati elaborati dall analisi economica nella tabella è possibile notare che a partire da siti con ventosità media pari a 4 m/s, c è un ritorno del capitale investito (compresa la manutenzione annua) in un periodo inferiore alla vita operativa dell impianto e al periodo di incentivazione garantito dalla normativa. E inoltre possibile al termine dell incentivazione diretta con la tariffa omnicomprensiva conseguire ulteriori guadagni e vantaggi derivanti dalle altre forme di incentivazione previste (es. scambio sul posto, vendita a enti privati o pubblici della corrente elettrica prodotta ecc.) 19