GLI IMPIANTI MINI E MICRO EOLICI

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1 MERCOLEDÌ 11 DICEMBRE 2013 GLI IMPIANTI MINI E MICRO EOLICI a cura di: Ing. Nicola GRANIGLIA Gruppo ENERGREENS - UNISI ENErgie Rinnovabili e Gestione Razionale ed Efficiente dell ENergia Siena

2 INTRODUZIONE NEGLI ULTIMI ANNI LE TECNOLOGIE ADOTTATE PER LE TURBINE DI PICCOLA TAGLIA (CON POTENZA INFERIORE AI 200 kw) HANNO RAGGIUNTO LIVELLI ELEVATI ANCHE GRAZIE ALL ESPERIENZA MATURATA NEL SETTORE DELLE TURBINE CON POTENZE SUPERIORI. IL PRINCIPALE RISULTATO DELLO SVILUPPO TECNOLOGICO È STATO L ABBASSAMENTO DELLA VELOCITÀ MINIMA DI AVVIO DEL FUNZIONAMENTO DEGLI AEROGENERATORI CHE POSSONO INIZIARE A PRODURRE ENERGIA ANCHE CON VELOCITÀ DEL VENTO INFERIORE A 2 m/s. SONO STATE SVILUPPATE TURBINE CON DIVERSE POTENZE E CON RANGE DI FUNZIONAMENTO MOLTO AMPI E CHE, QUINDI, POSSONO LAVORARE PER ALCUNE MIGLIAIA DI ORE EQUIVALENTI ALL ANNO (ANCHE OLTRE LE 6.000). NONOSTANTE CIÒ, LO STATO DELL'ARTE NON HA ANCORA RAGGIUNTO LA COMPLETA MATURITÀ TECNOLOGICA (IN PARTICOLARE PER LE MACCHINE AD ASSE VERTICALE) E MOLTO PUÒ ESSERE FATTO PER PRODURRE MACCHINE SEMPRE PIÙ EFFICIENTI, AFFIDABILI ED ECONOMICHE.

3 LA DIFFUSIONE NEL MONDO ALLA FINE DEL 2010 RISULTANO INSTALLATI OLTRE 600mila IMPIANTI DI PICCOLA E PICCOLISSIMA TAGLIA PER UNA POTENZA DI QUASI 500 MW (Small Wind World Report AWEA).

4 ED IN ITALIA ALLA METÀ DEL 2012, COMPLESSIVAMENTE SONO 246 I COMUNI IN CUI SONO PRESENTI IMPIANTI DI PICCOLA E PICCOLISSIMA TAGLIA E 13,3 I MW DI POTENZA COMPLESSIVA INSTALLATA. LA PUGLIA CON 53 COMUNI E 4,7 MW È LA REGIONE CON MAGGIORE DIFFUSIONE, SEGUONO LA TOSCANA CON 19 COMUNI E UNA POTENZA COMPLESSIVA DI 640 kw E DALLA CAMPANIA CON 18 COMUNI E 3,4 MW. È SIGNIFICATIVO SOTTOLINEARE CHE VIENE PRODOTTA ENERGIA ELETTRICA PARI AL FABBISOGNO DI FAMIGLIE (DA "LA FORZA DEL VENTO - L'EOLICO PER UN SISTEMA ENERGETICO ITALIANO SEMPRE PIÙ EFFICIENTE, PULITO E DISTRIBUITO" LEGAMBIENTE).

5 GLI SVILUPPI FUTURI SECONDO UNA STIMA CAUTELATIVA, LA WORLD WIND ENERGY ASSOCIATION PREVEDE CHE LA CAPACITÀ TOTALE INSTALLATA PER L EOLICO DI PICCOLA TAGLIA POSSA RAGGIUNGERE I 3,8 GW NEL 2020, UN AUMENTO DI QUASI DIECI VOLTE RISPETTO ALLA QUOTADEL 2010.

6 CLASSIFICAZIONE DELLE TURBINE IN BASE ALLA DISPOSIZIONE DELL ASSE DEL ROTORE LE TURBINE SONO CLASSIFICATE IN DUE CATEGORIE. AD ASSE ORIZZONTALE AD ASSE VERTICALE LE PRIME SONO QUELLE CARATTERIZZATE DALLA MAGGIORE DIFFUSIONE COMMERCIALE; MENTRE LE SECONDE SONO OGGETTO DI UN GRANDE SVILUPPO TECNOLOGICO. HANNO TAGLIE CHE VANNO DA QUALCHE CENTINAIO DI WATT ALLE DECINE O CENTINAIA DI kw DI POTENZA. NELLA TABELLA SUCCESSIVA È ILLUSTRATA LA CLASSIFICAZIONE DELLE TURBINE IN BASE ALLA POTENZA SECONDO le IEC (2006) Wind Turbines Part 2: Design Requirements of Small Wind Turbines. Potenza nominale [kw] Area spazzata dal rotore [m2] Sottocategoria P < 1 kw A < 4.9 m2 Pico eolico 1 kw < P < 7 kw A < 40 m2 Micro eolico 7 kw < P < 50 kw A < 200 m2 Piccolo (o Mini) eolico 50 kw < P < 100 kw A < 300 m2 Non definita

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8 LE TURBINE AD ASSE ORIZZONTALE TECNOLOGIA MATURA ED EFFICIENTE VANTAGGI ADATTE AI REGIMI ANEMOLOGICI ITALIANI ECONOMICHE I PREZZI VARIANO DA A /kw A SECONDA DELLA TAGLIA SVANTAGGI NON SEMPRE ADATTE ALL AMBIENTE URBANO IMPATTO VISIVO (SOGGETTIVO)

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10 LE TURBINE AD ASSE VERTICALE VANTAGGI ADATTE ALL AMBIENTE URBANO NON RUMOROSE SVANTAGGI NON ANCORA ADATTE AI REGIMI ANEMOLOGICI ITALIANI NON ANCORA ECONOMICHE I PREZZI SONO SUPERIORI A /kw E POSSONO RAGGIUNGERE I 15/ /kw

11 LE TURBINE AD ASSE VERTICALE MACCHINA DI SAVONIUS LA MACCHINA SAVONIUS FU INVENTATA CIRCA 60 ANNI FA DA UN FINLANDESE, CHE LE DIEDE IL NOME, È IMPIEGATA ESSENZIALMENTE PER IL POMPAGGIO DELL ACQUA, E, DI RECENTE, ANCHE NEL CAMPO DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA. SI TRATTA DI UNA MACCHINA MOLTO SEMPLICE DAL PUNTO DI VISTA COSTRUTTIVO E DI FUNZIONAMENTO. INOLTRE, HA IL VANTAGGIO DI ESSERE MOLTO ROBUSTA E DI AVVIARSI ANCHE CON VENTI DEBOLISSIMI.

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13 LE TURBINE AD ASSE VERTICALE MACCHINA DI DARREIUS LA MACCHINA DARREIUS FU INVENTATA, NELLA SUA PRIMA VERSIONE, NEGLI ANNI 20 DA UN FRANCESE CHE LE DIEDE IL NOME. VIENE ANCHE CHIAMATA IBRIDA PERCHÉ PRESENTA CONTEMPORANEAMENTE CARATTERISTICHE DI ALTRE MACCHINE: ASSE DI ROTAZIONE VERTICALE ANALOGAMENTE ALLA SAVONIUS E PALE DI TIPO AERODINAMICO, COME GLI ALTRI AEROGENERATORI. LA MACCHINA DI DARRIEUS È CARATTERIZZATA DA GRANDE SEMPLICITÀ DI COSTRUZIONE E DA ALTO RENDIMENTO CHE SI ATTESTA INTORNO AL 40%, RIUSCENDO A COMBINARE I VANTAGGI DI ENTRAMBE LE TIPOLOGIE. IL REGIME DI ROTAZIONE È MOLTO ELEVATO. UNO SVANTAGGIO È L INIZIO DEL FUNZIONAMENTO CON VENTI MEDI.

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16 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO E CLASSIFICAZIONE ALTRA IMPORTANTE CLASSIFICAZIONE DELLE TURBINE EOLICHE È QUELLA CHE DIPENDE DAL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO, CIOÈ DA COME AVVIENE LA TRASFORMAZIONE DELL ENERGIA EOLICA (CINETICA) IN ENERGIA MECCANICA ALL ALBERO DELLA TURBINA; SI HANNO, INFATTI, LE DUE SEGUENTI CLASSI: - MACCHINE DI TIPO DRAG O A RESISTENZA; - MACCHINE DI TIPO LIFT O A PORTANZA. LA MACCHINA DI SAVONIUS E LE SUE DERIVATE SONO DEL TIPO DRAG, CIOÈ CON PALE CHE COPRONO L INTERA AREA SPAZZATA E SONO CONFORMATE, PER MASSIMIZZARE IL RENDIMENTO, IN MODO TALE DA OFFRIRE ALTA RESISTENZA SULLA PALA CHE SI MUOVE IN DIREZIONE PARALLELA E NELLO STESSO VERSO DEL VENTO INCIDENTE E RESISTENZA QUANTO MINORE POSSIBILE SULLA PALA CHE SI MUOVE NEL VERSO OPPOSTO. LE MACCHINE AD ASSE ORIZZONTALE, QUELLA DI DARREIUS E LE SUE DERIVATE SONO DEL TIPO LIFT, CIOÈ DOTATE DI PALE OPPORTUNAMENTE SAGOMATE CHE COPRONO SOLO UNA PICCOLA PERCENTUALE DELL AREA SPAZZATA. LE PALE SONO TENUTE IN ROTAZIONE DA UNA FORZA DENOMINATA PORTANZA, NORMALE AL FLUSSO DEL VENTO, DI NATURA ANALOGA A QUELLA CHE SOSTIENE L ALA DI UN AEREO.

17 NELLE MACCHINE DI TIPO LIFT, IL VENTO PASSA SU ENTRAMBE LE FACCE DELLA PALA, PIÙ VELOCEMENTE SUL LATO SUPERIORE, CREANDO UN AREA DI BASSA PRESSIONE. QUESTA DIFFERENZA DI PRESSIONE TRA LE DUE SUPERFICI HA COME RISULTATO UNA FORZA CHIAMATA PORTANZA AERODINAMICA (LIFT). LA PORTANZA SULL ALA DI UN AEREO LO FA DECOLLARE, IN UN AEROGENERATORE, POICHÉ LE PALE SONO VINCOLATE A MUOVERSI SU DI UN PIANO, CAUSA LA ROTAZIONE INTORNO AL MOZZO. CONTEMPORANEAMENTE SI GENERA UNA FORZA DI TRASCINAMENTO (DRAG), PERPENDICOLARE ALLA PORTANZA CHE SI OPPONE AL MOTO. IL PRIMO OBIETTIVO NEL PROGETTO DI UNA TURBINA EOLICA È QUELLO DI AVERE UN ALTO RAPPORTO PORTANZA-TRASCINAMENTO.

18 COMPONENTI PRINCIPALI LE PALE LA MAGGIOR PARTE DELLE TURBINE UTILIZZA PALE REALIZZATE IN MATERIALE COMPOSITO: FIBRE DI VETRO RINFORZATO, FIBRE DI CARBONIO E, RARAMENTE, LEGNO. È STATO ABBANDONATO L UTILIZZO DI ALLUMINIO A CAUSA DELLA SUA PROPENSIONE ALLA DEFORMAZIONE SOTTO SFORZO. L'UTILIZZO SU ALCUNI MODELLI DELLE FIBRE DI CARBONIO, IN SOSTITUZIONE TOTALE O PARZIALE DELLE FIBRE DI VETRO, È PIUTTOSTO RECENTE E HA CONSENTITO DI OTTENERE PALE PIÙ LEGGERE MA, ALLO STESSO TEMPO, PIÙ RESISTENTI. A QUESTO PROPOSITO, SEBBENE LE FIBRE DI CARBONIO SIANO CIRCA DIECI VOLTE PIÙ COSTOSE DELLE FIBRE DI VETRO, L'UTILIZZO DI PALE PIÙ LEGGERE RIDUCE I CARICHI E L USURA AI QUALI È SOTTOPOSTA L'INTERA STRUTTURA DI UN AEROGENERATORE E, QUINDI, I COSTI TOTALI DI PRODUZIONE E DI MANUTENZIONE.

19 LE PALE IN FIBRA DI VETRO RINFORZATA SONO LE PIÙ IMPIEGATE SIA PER LE MACCHINE AD ASSE ORIZZONTALE CHE PER QUELLE AD ASSE VERTICALE, RISPETTIVAMENTE CON IL 64% ED IL 39%; NELLA FIGURA SEGUENTE È RIPORTATA LA RIPARTIZIONE DEI VARI MATERIALI UTILIZZATI NELLE TURBINE IN COMMERCIO. 5% 1% 3% 7% 22% 4% 39% 16% 11% 64% 22% 6% ASSE ORIZZONTALE ASSE VERTICALE Fibra di vetro rinforzata Fibra di carbonio Fibra di vetro rinforzata in carbonio Leghe metalliche Legno Altro materiale N.D.

20 PER QUANTO RIGUARDA LE MACCHINE AD ASSE ORIZZONTALE, CIRCA IL 75% DEI SISTEMI IN COMMERCIO È DOTATO DI TRE PALE E CIRCA IL 6% DI DUE PALE. UN CASO PARTICOLARE È QUELLO DELLE MACCHINE EOLICHE DI PICCOLISSIMA TAGLIA (IN GENERE DI POTENZA INFERIORE AI 500 Watt), TIPICHE DEL SETTORE DIPORTISTICO, E CHE SONO DOTATE DI CINQUE PALE E CHE VANNO A COPRIRE CIRCA L'11% DEL MERCATO. PERCENTUALI MINORI SONO COPERTE DALLE MACCHINE MONOPALA O MULTIPALA. LE MACCHINE AD ASSE VERTICALE IN COMMERCIO MONTANO: TRE PALE NEL 28% CIRCA DEI CASI; DUE O CINQUE PALE NEL 22% CIRCA DEI CASI PER OGNUNA DELLE CONFIGURAZIONI; PIÙ DI CINQUE PALE NEL 17% CIRCA DEI CASI.

21 TORRE DI SOSTEGNO LE TIPOLOGIE DI TORRE DI SOSTEGNO SONO LE SEGUENTI: TORRI TUBOLARI (AUTOPORTANTI O DOTATE DI TIRANTI DI CONTROVENTATURA); TORRI A TRALICCIO.

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23 GENERATORI LA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA FONTE EOLICA RICHIEDE UN FUNZIONAMENTO DEI SISTEMI ELETTRICI DIFFERENTE DAL SOLITO: MENTRE LA MAGGIOR PARTE DELLE APPLICAZIONI RICHIEDE ENERGIA ELETTRICA PER PRODURRE UNA COPPIA; I SISTEMI EOLICI USANO UNA COPPIA PER PRODURRE ENERGIA ELETTRICA. INOLTRE, APPLICAZIONI DI QUESTO TIPO FUNZIONANO GENERALMENTE AD UNA POTENZA NOMINALE COSTANTE; LE TURBINE EOLICHE, INVECE, DEVONO GENERARE ENERGIA ELETTRICA A POTENZE VARIABILI E FUNZIONANO PER LA MAGGIOR PARTE DEL TEMPO A BASSI LIVELLI DI POTENZA DOVE DEVONO OPERARE, DIVERSAMENTE DALLA MAGGIORANZA DELLE MACCHINE ELETTRICHE, ALLA MASSIMA EFFICIENZA AERODINAMICA ED ELETTRICA PER MASSIMIZZARE LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA DEL VENTO IN ENERGIA ELETTRICA. I GENERATORI POSSONO ESSERE SINCRONI O ASINCRONI. LA MAGGIOR PARTE DELLE TURBINE EOLICHE IMPIEGA GENERATORI (O ALTERNATORI) A MAGNETI PERMANENTI (87% DELLE MACCHINE AD ASSE ORIZZONTALE): SI TRATTA DELLA CONFIGURAZIONE PIÙ SEMPLICE E ROBUSTA.

24 SISTEMI DI PROTEZIONE E CONTROLLO I SISTEMI DI CONTROLLO FUNZIONANO IN MANIERA AUTOMATICA O, NEGLI AEROGENERATORI DI TAGLIA E DIMENSIONI PIÙ ELEVATE, POSSONO RICEVERE SEGNALI DA SENSORI E SERVONO A: - CONTROLLARE LA VELOCITÀ DEL ROTORE; - MANTENERE LA TURBINA IN ALLINEAMENTO CON IL VENTO; - ATTIVARE O DISATTIVARE IL GENERATORE; - MANTENERE I PARAMETRI DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI GENERAZIONE IN CONDIZIONI OTTIMALI; - PROTEGGERE LA TURBINA DA VELOCITÀ ECCESSIVE O DANNI CAUSATI DA CONDIZIONI ESTREME DEL VENTO; - RICONOSCERE MALFUNZIONAMENTI ED INVIARE SEGNALI DI EMERGENZA E DI RICHIESTA DI INTERVENTO. I SISTEMI DI CONTROLLO POSSONO ESSERE DI TIPO PASSIVO O ATTIVO. I PRIMI UTILIZZANO I PROPRI SENSORI ED ENTRANO IN FUNZIONE MEDIANTE L'UTILIZZO DI FORZE NATURALI. I SECONDI USANO APPARECCHIATURE ELETTRICHE, MECCANICHE, IDRAULICHE O PNEUMATICHE E NECESSITANO DI TRASDUTTORI CHE ACQUISISCANO LE VARIABILI CHE DETERMINANO L'AZIONE DI CONTROLLO NECESSARIA.

25 CONTROLLO DELL IMBARDATA (YAW CONTROLL) LE DIMENSIONI (GENERALMENTE) RIDOTTE NON CONSENTONO L'ALLOGGIAMENTO DI MOTORI DI IMBARDATA, IL SISTEMA DI CONTROLLO DELL'ORIENTAMENTO (PER OVVI MOTIVI, NON PRESENTE NELLE MACCHINE AD ASSE VERTICALE) È REALIZZATO CON METODI PASSIVI, DIVIDENDOSI PERTANTO IN AEROGENERATORI SOTTOVENTO (DOWNWIND) E SOPRAVENTO (UPWIND). I PRIMI SI ALLINEANO QUASI SEMPRE AUTOMATICAMENTE, MA HANNO LO SVANTAGGIO CHE IL VENTO IMPATTA SULLA TORRE PRIMA DI FLUIRE SULLA PALA RIDUCENDONE IL RENDIMENTO, SOTTOPONENDO LA STRUTTURA A SOLLECITAZIONI SUPERIORI E INCREMENTANDO IL RUMORE EMESSO DAL SISTEMA. I SECONDI, CHE CORRISPONDONO ALLA QUASI TOTALITÀ, MONTANO TIMONI DIREZIONALI PER ORIENTARE IL ROTORE IN DIREZIONE DEL VENTO.