LA SOCIETA. Nasce nel Settori: Energie rinnovabili Efficienza energetica Sviluppo prodotti tecnologici

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1 ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE SERAPH s.r.l. Università ECAMPUS Novedrate- 1 Marzo 2012 Relatore: Ph.D. Ing. Francesco D Amico - Presidente C.d.A. SERAPH s.r.l.

2 LA SOCIETA ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI -ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE Nasce nel 2005 Settori: Energie rinnovabili Efficienza energetica Sviluppo prodotti tecnologici Soci fondatori: 1 dottore in economia, 3 3 ingegnerie e dottori di ricerca,provenienti dai laboratori della UNIVPM Attività: Consulenza Progettazione Formazione 2

3 SETTORE EOLICO Consulenza e progettazione ATTIVITÀ PRINCIPALI ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI -ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE Caratterizzazione del campo di vento di un territorio Fattibilità tecnico-economica per installazioni di impianti eolici Indicazioni per l'installazione di torri di misura anemometriche Analisi di dati anemometrici Progettazione ad ogni livello di dettaglio di impianti eolici Analisi ed ottimizzazione del layout Stima della producibilità energetica Perizie e revisione di progetti (due-diligence) di terzi parti Analisi dei vincoli normativi e territoriali Analisi previsionale della producibilità di impianto eolici Sviluppo completo di impianti minieolici 3

4 ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI - ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE ATTIVITÀ PRINCIPALI SETTORE FOTOVOLTAICO Analisi di fattibilità tecnico-economica Progettazione ad ogni livello di dettaglio Perizie e revisione di progetti (due-diligence) Previsione della producibilità energetica STUDI DI IMPATTO AMBIENTALE Analisi dei vincoli territoriali Valutazione degli impatti potenziali Analisi previsionali (di impatto acustico, elettromagnetico, paesaggistico) Analisi della diffusione di inquinanti 4

5 ALCUNE REFERENZE DI COLLABORAZIONE Sviluppo e Progettazione di Impianti Eolici e Fotovoltaici INERGIA spa BLUENERGY srl EN.IT. spa COMUNE di SERRAVALLE di CHIENTI Analisi Anemologiche ENEL Ingegneria e Innovazione spa S.P.E. Società Elettrica Parmense TISOL srl CO.GEIN. Srl WIND SUN POWER srl BP-ENGINEERING srl C.I.S. srl CONSORZIO INTECOMUNALE SERVIZI PROGER spa STECA spa ALERION Energie Rinnovabili Altre Attivita (perizie, consulenze, formazione) UNICREDIT LEASING S.P.F.-BANCA POPOLARE DIANCONA CPL CONCORDIA soc.cop. SIMAM spa ESEP Ente Formazione Sicurezza Edile Pescara 5

6 ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI - ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE SIMULAZIONI ANEMOLOGICHE Applicazione di un approccio numerico innovativo che permette di stimare la risorsa eolica di un territorio senza la necessità di installare torri anemometriche. VANTAGGI Informazioni anemologiche non solo puntuali ma su aree estese Anemometro non necessario (risparmio economico) Risparmio di tempo Possibilità di avere informazioni anemologiche anche in luoghi di difficile accesso (on-shore e off-shore) 6

7 SITING DI UN IMPIANTO EOLICO ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI -ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE Una turbina eolica è un corpo tridimensionale a contatto con il terrenoimmerso nello strato limite atmosferico. Per il calcolo dell energia estratta e per il posizionamento delle macchine è fondamentale tenere conto di come il terreno influenza il flusso d aria spirante sopra esso. Negli strati più bassi dell atmosfera, ovvero nella regione prossima alla superficie terrestre, l aria in movimento risente dell interazione con il terreno (Strato limite ambientale o atmosferico). La velocità media del vento sarà nulla in prossimità del terreno ed aumenterà, salendo di quota, fino ad un altezza oltre la quale il suo valore si mantiene costante (altezza di gradiente δ). In tale regione il vento è influenzato principalmente da: Rugosità del terreno Ostacoli Isolati Effetti orografici sul flusso Turbolenza La valutazione di tutti questi aspetti va condotta al fine di MINIMIZZARE IL COSTO UNITARIO DEL kwh PRODOTTOe di RIDURRE IL PIÙ POSSIBILE L IMPATTO AMBIENTALE dell installazione. 7

8 L IMPORTANZA DELLA STIMA DELLA VELOCITA DEL VENTO La conoscenza dei valori di velocità e direzione del vento è fondamentale nella progettazione di un impianto alimentato da fonte eolica. Pmax. = ρ A id. L equazione mostra come la Potenza Massima Ideale ottenibile da una turbina eolica sia funzione del Cubo della Velocità del vento incidente il rotore. Questo significa che un errore del 5% nella stima di velocità comporta un errore del 15 % nella valutazione della potenza estratta dall aerogeneratore. 3 V1 2 8

9 APPROCCIO AL PROBLEMA PER VIA NUMERICA Ricerca e test dei software utilizzati nel campo eolico C.F.D.(Computational Fluid Dynamics) ambientali basati su modelli numerici stazionari semplificati Modelli mass consistent NOABL Modelli R.A.N.S. linearizzati MS3DJH/3R Ms-Micro3 WaSP Criticità: non adatti a descrivere bene i fenomeni su territori ad orografia complessa 9

10 APPROCCIO AL PROBLEMA PER VIA NUMERICA Ricerca e test dei software utilizzati nel campo eolico C.F.D.(Computational Fluid Dynamics) ambientali basati su modelli numerici stazionari semplificati Modelli R.A.N.S. non lineari con chiusura di ordine superiore Phoenics Open Foam Risoluzione delle equazioni di conservazione di massa e quantità di moto con schema di discretizzazione numerica ai volumi finiti. Approccio R.A.N.S. (Reynolds Averaged Navier Stokes), basato su una media temporale delle equazioni di Navier-Stokes; le condizioni di chiusura del problema sono ottenute attraverso un modello di turbolenza K-ε (Turbulent Kinetic Energy- Dissipation). Sono necessarie due condizioni a contorno: la distribuzione del vento geostrofico e l altezza dello strato limite atmosferico. Tali software hanno generalmente bisogno di dati in ingresso provenienti da anemometri reali 10

11 APPROCCIO AL PROBLEMA PER VIA SPERIMENTALE Analisi e validazione dei dati provenienti da anemometri reali I valori di velocità del vento e direzione sono valutati in maniera puntuale, acquisiti e mediati in genere ogni 10 minuti. L estrapolazione del dato all altezza dell hubdella macchina viene effettuare tramite funzioni standard (legge logaritmica, legge di potenza) Principali criticità: Costi considerevoli di installazione e manutenzione Tempi di acquisizione dati elevati (almeno un anno) Dati puntuali Difficoltà o impossibilità di installazione in zone impervie Necessità di controlli periodici dei dati misurati ed in situ Velocità media periodo: m Direzione prevalente: 210 N Elevata ricorrenza (>30%) 11

12 RISOLUZIONE DEL PROBLEMA PER VIA NUMERICA ANEMOMETRO VIRTUALE H=1000 m L idea è quella di poter evitare l installazione di anemometri reali in quanto è possibile utilizzare degli anemometri virtuali provenienti da simulazioni numeriche condotte con software prognostici di mesoscala. In tal modo è possibile avere informazioni anemometriche (ad es. velocità e direzione del vento) su ampie aree e a diversequotedalsuolo(da10mfinoa10 000m). E come avere una torre anemometrica alta fino a m avente 24 anemometri a quote diverse ANEMOMETRO REALE H=50 m 12

13 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA Tecnica numerica basata su due approcci consecutivi Approccio prognostico (Analisi di mesoscala) per valutare quanto è accaduto a livello meteorologico nel dominio di atmosfera che avvolge l area stessa attraverso modelli fisici appropriati del PBL (Planet Boundary Layer). La complessità dei fenomeni descritti esclude la possibilità di implementare orografie estremamente dettagliate. I modelli numerici atti a tale scopo hanno un campo di applicabilità tipico della meteorologia. Approccio deterministico(analisi di microscala) che consente una descrizione capillare delle interazioni vento-orografia locale. I risultati ottenuti con il passo precedente possono essere corretti con modelli fisici avanzati(cfd ambientali), che siano capaci di tener conto di un elevato dettaglio orografico, permettendo una più accurata descrizione della ventosità e delle sue caratteristiche all interno del Surface Layer (parte del PBL prossima al suolo). 13

14 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Codice numerico MM5v3, Modello su Mesoscala di quinta generazione, sviluppato dalla Penn State University e da NCAR(National Center for Atmospheric Research). Lo scopo di questo software è di condurre una previsione meteorologica su scala spaziale media, mediante un modello fisico notevolmente completo e adattabile. Lo schema di discretizzazione numerica è alle differenze finite sia nel tempo che nello spazio, mentre i metodi di soluzione numerica sono sia espliciti che impliciti; la griglia di calcolo è cartesiana sul piano x-y. MM5 può utilizzare dati di input provenienti dai principali database meteorologici globali, in Europa e negli Stati Uniti, quali quelli di ECWMF (European Center for Weather Modelling Forecast), NCAR (National Center for Atmospheric Research, NCEP (National Center for Environmental Protection) ds I dati utilizzati sono, generalmente, rianalisi troposferiche (che includono analisi sinottiche, analisi di superficie, analisi a livello del mare, analisi oceanografiche, analisi in alta quota), le quali contengono tutte le variabili meteorologiche per 24 livelli di pressione, corrispondenti a quote fino a 70 km, con una risoluzione temporale di 6 ore ed una risoluzione spaziale di circa 110 km in ogni direzione. 14

15 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA E necessario adottare una tecnica di annidamento per simulare campi di vento in scala regionale o locale (domini di piccola scala) a partire da dati definiti con una risoluzione spaziale più grande(domini di scala continentale o nazionale). La risoluzione spazialestandardperimodellidigitaliditerrenoècirca1kmx1km.. Livello N celle N celle N punti Dimensione Estensione N livelli Nesting longitudine latitudine (2D) cella km km 2 di calcolo

16 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Livellodinesting1-dimensionicella81kmx81km. 16

17 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Livellodinesting2-dimensionicella27kmx27km. 17

18 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Livellodinesting3-dimensionicella9kmx9km. 18

19 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Livellodinesting4-dimensionicella3kmx3km. 19

20 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Livellodinesting5-dimensionicella1kmx1km. 20

21 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Dati di output possibili Temperatura dell aria Indice di copertura da nubi Umidità relativa Pressione idrostatica Copertura del suolo Temperatura massima e minima Altezza di PBL Temperatura potenziale Precipitazioni Umidità al suolo Temperatura dell aria al suolo Pressione in superficie Venti di superficie Ozono troposferico Venti geostrofici Vento verticale Vorticità Wind Shear 21

22 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MESOSCALA Datidioutputinin ogni nodo di calcolo MAPPA ANEMOLOGICA della regione indagata a diverse quote ANEMOMETRO VIRTUALE Distribuzione di frequenza del vento di Weibull Wind rose 22

23 DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MICROSCALA I dati dagli anemometri virtuali provenienti dalle simulazioni di mesoscala vengono inseriti nei CFD di microscala. Viene utilizzato Phoenics che opera su un modello orografico meglio definito (fino ad un passo di 20x20m) e riesce a valutare anche gli effetti di separazione dello strato limite incidente sui rilievi; è così ipotizzabile che i risultati forniti da quest ultimo siano maggiormente rappresentativi del campo di moto in prossimità del terreno. GTOPO30 passo 1 km (MM5) Orografia DEM passo 20 m (Phoenics) 23

24 ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI - ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE DESCRIZIONE DEL METODO DI INDAGINE ANEMOLOGICA ANALISI di MICROSCALA Una volta caraterrizzato anemologicamente un sito eolico è possibile procedere con le successive fasi di sviluppo: Scelta delle turbine da installare in base al sito Definizione del layout d impianto Calcolo della producibilità attesa dal parco eolico 24

25 COMPARAZIONE ANEMOMETRO VIRTUALE-REALE Anemometro reale Periodo Anem. Reale Anem. Virtuale Diff.% [m/s] [m/s] % mar-08 6,25 6,78-8,48 apr-08 6,28 7,14-13,69 mag-08 4,89 5,22-6,75 giu-08 4,86 4,19 13,79 lug-08 5,8 5,07 12,59 ago-08 5, ,18 set-08 5,43 4,2 22,65 ott-08 4,84 3,67 24,17 nov-08 5,16 5,47-6,01 dic-08 5,83 6,76-15,95 gen-09 5,49 6,72-22,40 feb-09 6,45 6,87-6,51 mar-09 6,33 7,26-14,69 MEDIA 5,60 5,64-0,82 COPERTURA 97,26% 100% Anemometro virtuale 10 9 Orografiaconpasso1Kmx1Km Anem. Reale Anem. Virtuale 1 0 mar-08 apr-08 mag-08 giu-08 lug-08 ago-08 set-08 ott-08 nov-08 dic-08 gen-09 feb-09 mar-09 25

26 ALTRE APPLICAZIONI DEL METODO ANALISI PREVISIONALE DELLA PRODUCIBILITA ENERGETICA ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI -ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE Utilizzando la stessa metodologia di simulazione, arricchita con informazioni ulteriori provenienti dai circuiti GPS(Global Forecasting System) è possibile effettuare previsioni su breve periodo(3-5 giorni) della risorsa eolica, al fine di poter prevedere la velocità del vento ad esempio nei 3 giorni futuri a quello preso a riferimento. Da questo è possibile prevedere la produzione energetica di una turbina eolica e quindi di un parco eolico. La previsione della produzione energetica giornaliera (su base oraria) di parchi eolici è una condizione richiesta in molti paesi europei per beneficiare totalmente degli incentivi previsti. Le incertezze permesse sonomoltoridotte(ades.scartomax.del5%sul90%deidatiannuali). In Italia ancora non è adottata, ma a breve dovrà essere introdotta. Il metodo per la previsione energetica può essere applicato anche al settore fotovoltaico, sempre per al fine di valutare in anticipo l andamento giornaliero dell energia prodotta dal parco. Stiamo testando su impianto eolici e fotovoltaici esistenti tale metodologia di analisi previsionale 26

27 SVILUPPO IMPIANTI MINIEOLICI ALTRE APPLICAZIONI DEL METODO ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI -ASPETTATIVE DALLE NUOVE TECNOLOGIE Il Dm Sviluppo Economico del 18 dicembre 2008 ("Decreto Rinnovabili") ha introdotto una tariffa omnicomprensiva pari a 0,30 /kwh per impianto eolici di potenza compresa tra 1kW e 200 kw. Lo sviluppo di impianti minieolici risulta interessante ma dipende fortemente dalla risorsa eolica. Icostipertaliimpiantipossonovariareda4000 /kwa2000 /kwinbaseallatagliadellaturbina,alla presenza di infrastrutture in loco(rete elettrica, strade di accesso,..). Il rientro dell investimento dipende essenzialmente dalla risorsa eolica, pertanto la sua valutazione è fondamentale per verificare la fattibilità dell investimento. Per tale motivo abbiamo ottimizzato il metodo di valutazione della risorsa eolica per renderlo adatto ad impianti minieolici (costi d investimento limitati e tempi di sviluppo brevi). Tale metodologia viene presa a riferimento per perizie tecniche su impianti minieolici per conto di istituti di credito. 27

28 Via Mons.O.A. Romero n 31, S. Biagio di Osimo (AN), Italy Ph: Fax: grazie dell attenzione

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