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1 Eolic Ligthstreet Distributed Energy Resource [ELDER]

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3 Eolic Ligthstreet Distributed Energy Resource [ELDER]

4 I ndice Premessa...3 L idea...4 Elementi di ricerca e innovazione....6 Analisi economica...8 Risultati del progetto...9

5 P remessa L energia eolica è destinata ad avere una quota crescente nella produzione di elettricità a livello nazionale. Il consumo elettrico nel 2006 in Italia è stato di 338 miliardi di kwh di cui 3 (poco meno dell 1%) prodotti con l eolico. Nella classifica dello sfruttamento del vento per questo scopo, la Germania è al primo posto con ben 18 GW installati, al secondo posto gli Usa con 4,1 GW, al terzo la Spagna con 3,3 GW, al quarto la Danimarca con 2,5 GW, mentre l'italia è al quinto posto con 1,7 GW installati. In genere, si sottovaluta il fatto che la potenza installata sia solo nominale e corrisponda al valore ideale; in realtà tale potenza si raggiunge solo in poche occasioni e il rendimento medio degli aerogeneratori è intorno al 25% dei valori indicati, perché queste apparecchiature non sono in grado di erogare corrente se il vento è troppo forte oppure troppo debole. Tuttavia, anche se la potenza installata è modesta va comunque confrontata con i 50 MW di picco del fotovoltaico installato che corrispondono ad una produzione di 50 milioni di kwh (meno dello 0.02% del consumo elettrico). La proposta ambiziosa di portare il fotovoltaico a 500 MW entro il 2015 non cambia di molto la bilancia delle energie alternative che vede l eolico come la risorsa emergente. Modello ad asse orizzontale In conclusione, l'eolico è la fonte rinnovabile, in grado di fornire energia elettrica, attualmente più matura e più economica, con costo per dell'impianto intorno ai 1200 per kw di picco per cui sono sufficienti dei piccoli contributi statali per rendere conveniente la produzione elettrica. Le potenze dei singoli impianti eolici sono consistenti: si arriva a 5 MW, ma esiste una moltitudine di produttori di piccoli impianti da 0.5 a 5 kw con soluzione ad asse orizzontale o verticale. I piccoli impianti pongono comunque diversi tipi di Modello Savonius ad asse verticale 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 ne, del resto, vale la pena di gestire il microeolico in posizioni remote e isolate. Modello Darreius ad asse verticale 3

6 L idea Per rispondere a questi problemi si può procedere con uno studio di ottimizzazione sui generatori oggi esistenti, ma innanzitutto ricorrendo all utilizzo di strutture preesistenti per ridurre l impatto ambientale. Una soluzione consiste quindi in alcune scelte di design e di tipo di utenza: Utenza distribuita. Piccoli impianti nella taglia 1-3 kw. Questo punto rappresenta un elemento base del progetto. La scelta di piccole taglie permette di installare i generatori su pali di metri e quindi di sfruttare potenzialmente i pali della luce attualmente in uso. Salire in potenza è possibile solo in casi specifici e potrebbe essere uno sviluppo futuro qualora si procedesse alla progettazione integrata di pali da illuminazione e generatori eolici. Utilizzo di pali per l illuminazione. Di tutte le strutture esistenti (pali elettrici, tralicci, antenne, tetti di condomini), i pali della luce sembrano quelle più adatte. L utilizzo di tralicci elettrici è limitato dalle condizioni di sicurezza richieste per il trasporto di alta tensione. I tetti di case alte potrebbero essere sfruttati con generatori eolici verticali, ma vi sono problemi di gestione e di sicurezza non banali. Viceversa, la grande disponibilità di pali da illuminazione in zone anche scarsamente abitate, permette soluzioni contrattate a livello centrale con l amministrazione comunale e gestite da un unico end-user nel rispetto di norme di sicurezza e compatibilità ambientale. Design innovativo. E essenziale scegliere delle soluzioni e sviluppare dei design tali da rendere non solo accettabile, ma al limite appetibile, la soluzione proposta. Probabilmente, la struttura più adatta sarà il generatore ad asse verticale. Questo ha avuto finora un uso limitato ed ha notoriamente una resa inferiore rispetto al sistema ad asse orizzontale, ma l obiettivo primario del progetto è creare un sistema distribuito e di basso impatto. Il recupero di efficienza si attua a livello dei costi di gestione complessivi del sistema e alla sua replicabilità si larga scala. 4 Mulino a vento persiano Si noti la struttura leggera della pala e la struttura di accesso del vento studiata per favorire una migliore efficienza Accordo con gli enti locali per la gestione delle wind factories distribuite. I comuni italiani, piccoli e grandi, 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 25% delle palinature sia utilizzabile. Questo permette di concludere che è possibile installare in modo distribuito e con il microeolico una potenza di 50 W per abitante (2 kw per impianto, un impianto ogni 40 abitanti di qualsiasi comune italiano), solo utilizzando il 25% dei lampioni esistenti. A livello italiano questo equivale a 3 GW, cioè ben più della potenza ad oggi installata. Questa idea non è comunque nuova. Hammurabi, 3700 anni fa, risolveva in parte i problemi di irrigazione nel bacino mesopotamico con sistemi

7 distribuiti di mulini a vento per il pompaggio dell acqua. Sarà un caso, ma il modello che viene proposto e che sopravviverà nella culturaingegneristica persiana è un modello ad asse verticale integrato in torre di osservazione. Per questo l acronimo che suggeriamo fa riferimento a due concetti: la saggezza l età e naturalmente l integrazione soft con le strutture territoriali. 5

8 E lementi di ricerca e innovazione Le turbine esistenti Esiste un elevato numero di produttori di turbine microeoliche ad asse verticale ed orizzontale, quindi è necessario operare per comprendere al meglio i prodotti offerti dal mercato, le loro prestazioni, i loro limiti e vincoli, il costo, i costi accessori quali installazione, manutenzione, ecc. La valutazione sarà effettuata sulla base del miglior compromesso tra prezzo, affidabilità e prestazioni. Inoltre bisognerà progettare e realizzare un infrastruttura di supporto, per applicare i generatori ai pali già esistenti, che non sia impattante dal punto di vista estetico pur nel rispetto delle esigenze funzionali. L apparato dovrà il più possibile essere un arredo urbano perfettamente inserito nel territorio. L inverter e la rete La realizzazione e/o acquisto dell inverter e la risoluzione delle problematiche operative di collegamento alla rete possono portare a notevoli economie di scala. In particolare, non è necessario disporre di un inverter per ogni palo: si può procedere ad una aggregazione di più Modello di un sistema microeolico realizzato in un parcheggio o in un doppio viale. 6

9 turbine contigue che vengono allacciate ad un unico inverter. L aggancio a cablaggi preesistenti e l eventuale estensione della rete elettrica saranno progettate sulla base degli impianti già predisposti per l illuminazione. Nuovi modelli e brevetti I generatori eolici ad asse orizzontale hanno una efficienza ottimale del 40% (conversione in energia meccanica del 40% dell energia eolica intercettata cioè di un po meno dei 16/27=59% previsti dalla teoria di Benz), mentre quelli ad asse verticale si attestano intorno al 20%. Questi numeri sono determinati dalla tecnologia usata e se non si esce dai modelli sul mercato sono da considerarsi rigidi. Tuttavia, le soluzioni possibili sono molteplici e i vincoli che vengono posti dal progetto sono completamente diversi da quelli usuali. E quindi utile e ragionevole fare un ulteriore sforzo basato sulle informazioni ottenute con la sperimentazione in corso per progettare un generatore eolico finalizzato all uso distribuito e integrato a livello cittadino. Questa fase comporta la realizzazione di uno o più prototipi e la definizione del processo di industrializzazione. Tuttavia non bisogna dimenticare che si sta parlando di pale esposte a flussi d aria non confinati e si ricorda che se è vero che la resa teorica di una drag turbine è di poco superiore ai 4/27 = 15%, la resa di una turbina idraulica a getto confinato raggiunge facilmente il 95% a livello pratico. L abisso che separa questi due numeri può essere colmato da alcuni accorgimenti: per esempio il design di Hammurabi suggerisce efficienze del 30% già decisamente maggiori rispetto a quelle del moderno rotore di Savonius. E quindi possibile pensare a sistemi di schermatura o di guida del flusso aerodinamico, gestibili solo su piccole superfici, quali quelle che sono proposte in questo progetto per aumentare l efficienza dei piccoli rotori verticali. Si ricorda infine che la soglia di partenza delle micropale e dei sistemi verticali è più bassa di quella delle grandi pale e questo parzialmente compensa la più bassa efficienza dovuta al fatto che le turbine saranno comunque posizionate ad altezze basse variabili tra 6 e 10 metri. Va infine curata con attenzione la parte strutturale. Il peso della turbina deve essere il più basso possibile (i sistemi ad asse verticale attuali sono piuttosto pesanti) e bisogna progettare pali che restino in sicurezza anche in presenza di venti forti. 7

10 A nalisi economica Il costo di un sistema eolico si distribuisce in parti sostanzialmente uguali su due voci: la turbina propriamente detta da un lato e l infrastruttura, i cablaggi, l inverter e la manutenzione dall altro. Ora, è vero che i costi del microeolico sono decisamente più alti di quelli ottenibili con impianti da un MW, ma la soluzione proposta riduce molto i costi delle infrastrutture e si avvale di servizi già esistenti per quanto concerne la manutenzione, che può essere in parte accoppiata ai normali servizi di manutenzione della rete di illuminazione. Il risultato è la tabella qui sotto, dove si evidenzia con chiarezza che, assumendo un attività della pala per un 25% soltanto del tempo, si arriva comunque a risultati molto interessanti. Turbina asse orizzontale asse orizzontale Potenza Costo Turbina Costo Palo e Inst Costo Inverter Costo Totale Utilizzo 25% 25% Energia KWh/anno asse verticale asse verticale % 25% Turbina asse orizzontale asse orizzontale Potenza Vendita Elettrico Vendita Cert.Verdi Totale/anno Tempi di ritorno anni 3,56 3,20 asse verticale asse verticale ,35 3,66 Si è tenuto conto dei prezzi di mercato delle turbine e si è fatto un calcolo approssimato per palo e inverter, assumendo che si possa disporre dei pali della luce e si possano gestire da cinque a quindici turbine con un unico inverter. Sotto queste ipotesi, i tempi di rientro dell investimento sono dell ordine di tre-quattro anni. 8

11 R isultati del progetto Il progetto è molto ambizioso ma presenta relativamente pochi rischi. L ambizione è evidente e conclamata: imporre un nuovo modello di diffusione e insediamento dei sistemi eolici. favorire questa linea con innovazione tecnologica e con modelli di business adeguati. I rischi che si incontrano nell attuazione di questo programma sono soprattutto legati al rapporto costo-efficienza. Premesso che un sistema microeolico distribuito, basato in parte su generatori ad asse verticale, non potrà avere l efficienza energetica di un sistema di grandi dimensioni ottimizzato ormai da molti anni di sviluppi ingegneristici e dalle esperienza acquisita nella messa in opera di migliaia di grandi impianti, bisogna comunque attuare soluzioni pratiche tali da rendere appetibile questa soluzione. In questo senso, anche se si partirà comunque da generatori che verranno comprati scegliendo tra le mille soluzioni offerte dal mercato, bisogna ricordare che l elemento decisivo sarà l integrazione di tre elementi: design robustezza efficienza E abbastanza evidente che innovazioni tecnologiche volte ad aumentare l efficienza di piccole turbine verticali saranno rilevanti per il successo del progetto. Tale successo del progetto si misura con due parametri: a) rapporto costo-efficienza produttiva : questo parametro sarà facilmente disponibile dopo i sei mesi di sperimentazioni previsti. b) capacità di penetrazione del modello proposto: una buona penetrazione del modello proposto potrebbe cambiare in modo significativo e difficilmente sopravalutabile l approccio all eolico nei paesi industrializzati e ad alta densità abitativa. 9

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