Energia da fonte eolica:

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1 Energia da fonte eolica: Contesto di sviluppo, caratterizzazione anemologica di un sito, classificazione, principi di funzionamento e tecnologia delle macchine eoliche. Ing. Giacomo Cenni

2 Introduzione Cenni di Fisica del vento Energia eolica e principio di funzionamento Teoria eolica semplificata ed energia disponibile Previsione della produzione energetica Valutazione del potenziale eolico di un sito (siting) Micrositing Classificazione degli aerogeneratori Elementi tecnologici Wind Farm Mini Micro eolico Analisi redditività Sommario

3 ENERGIA Si tratta di una fonte di energia rinnovabile che trae origine dai movimenti delle masse atmosferiche e si intende dal vento per la produzione di energia meccanica o elettrica. che raggiunge la terra è convertita in vento. fattori geografici: Orografia brezza di mare e brezza di terra Fluttuazioni della pressione atmosferica alta pressione a aree di bassa pressione proporzionale alla differenza di pressione

4 Introduzione -5% del terreno disponibile) La conversione della potenza del vento in elettricità è efficiente (rendimento teorico 59%). Non produce emissioni climalteranti lavorativa e il sito può essere riportato nelle condizioni iniziali I progetti sono semplici e poco costosi da mantenere La tecnologia è ben affermata La vita di una turbina è di almeno 20/25 anni La capacità delle macchine varia da poche centinaia di W a molti MW e ciò può

5 Impatto visivo Rumore Interferenze elettromagnetiche Effetti su flora e fauna Accessibilità del sito Trasporto delle apparecchiature Linee elettriche di collegamento Iter autorizzativi molto complessi Introduzione Aspetti ambientali Aspetti progettuali Aspetti

6 A livello la potenza installata ha raggiunto i MW dei quali aggiunti nel 2009 crescita media del 31% dal 2001 con trend sempre crescente considerando tutte le turbine installate alla fine del 2009 si ha una generazione di energia elettrica pari a 340 TWh/anno, equivalente ad oltre il 2 % dei consumi elettrici globali annui. Il settore eolico ha creato, a livello mondiale, posti di lavoro con risultato atteso per il 2012 di oltre 1 milione di addetti

7 WWEA (World Wind Energy Agency) stima che la produzione di energia eolica continuerà a crescere anche negli anni a venire. Investimenti a medio termine basso rischio di investimento Necessità di dotarsi di fonti energetiche pulite e rinnovabili Politiche incentivanti da parte di molti governi mondiali Stime cautelative calcolano che entro il 2020 almeno il 12% del fabbisogno di energia elettrica mondiale sarà soddisfatto da fonte eolica ( MW) Gennaio 2009 Nascita Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili: lo scopo è quello di catalizzare e accelerare la diffusione delle energie rinnovabili soprattutto fornendo il know-how ai suoi 76 membri.

8 SCENARIO MONDIALE ENERGIA EOLICA Continental Total Installed capacity Top 10 new capacity

9 SCENARIO EUROPEO ENERGIA EOLICA

10 SCENARIO ITALIANO ENERGIA EOLICA Trend crescente anche grazie alla maturità tecnologica raggiunta e forme di incentivazione (certificati verdi). Nel 2009 sono stati installati MW di potenza (record). Tasso di crescita del 30% rispetto al 2008 (costante) A livello nazionale, al , si è raggiunto la quota di MW di potenza installata che corrisponde a una produzione di energia elettrica di 6,7 TWh, più del 2% del Consumo Interno Lordo (circa 2,2 milioni di famiglie)

11 SCENARIO ITALIANO ENERGIA EOLICA Installazione per taglia Confermata la tendenza tecnologica degli ultimi anni: al crescere di turbine cresce anche la potenza media unitaria delle turbine eoliche che a fine 2009 si attesta a kw

12 Fisica e Natura del vento

13 Fisica e Natura del vento

14 Fisica e Natura del vento Caratteristiche dei Profili di velocità del vento La struttura caratteristica del vento è influenzata principalmente da: 1) Tipologia del suolo 2) Stabilità atmosferica La presenza del suolo e delle sue asperità naturali ed artificiali, inducono una serie di effetti quali lo sviluppo di uno strato limite, tanto più esteso in senso verticale quanto la rugosità del terreno è grande (in termini di altezza equivalente delle asperità). La classe di rugosità (Roughness class) e la altezza di rugosità z 0 (Roughness lenght) fanno riferimento alla quota cui la velocità del vento è teoricamente uguale a zero. VARIAZIONE DEL PROFILO DI VELOCITÀ IN FUNZIONE DELLA RUGOSITÀ

15 Fisica e Natura del vento Classi di rugosità CLASSE 0 (mare, lago, ecc.) CLASSE 1 (aree agricole con bassa vegetazione) CLASSE 2 (aree agricole con alta vegetazione) CLASSE 3 (aree urbane, aree boscate)

16 Fisica e Natura del vento

17 Stabilità atmosferica Fisica e Natura del vento

18 Effetti orografici Fisica e Natura del vento

19 Presenza di ostacoli Fisica e Natura del vento

20 Fisica e Natura del vento

21 Fisica e Natura del vento

22 Fisica e Natura del vento

23 Variazioni giornaliere e stagionali Fisica e Natura del vento

24 Lo sfruttamento del vento come quello delle altre fonti rinnovabili è reso problematico da fattori di distribuzione temporale (quotidiana o stagionale) della disponibilità. In prima approssimazione, per risultare vantaggiosa una installazione eolica dovrebbe essere sottoposta a una velocità media di vento di circa 20 km/h (5,5 m/s). ore equivalenti annue, ossia le ore di funzionamento alla potenza nominale. Tale parametro è determinato da: Distribuzione di frequenza della velocità dl vento Curva di durata della velocità del vento,

25 Ec=½ m * v 2 da cui la potenza ottenibile (m è la portata di aria) P= ½* *A*v 3 dove: A è la sezione di deflusso (area intercettata dal rotore) 0,9-1,4 kg/m3 (valori minori per climi più caldi e maggiori latitudini) costante con la velocità.

26 Teoria eolica semplificata TEORIA DI BETZ Il flusso che fa funzionare la turbina eolica cede la propria energia cinetica. Per convertire tutta la potenza disponibile in energia meccanica il vento dovrebbe ridurre a zero la velocità immediatamente a valle del rotore, con di una massa in movimento prima e di una massa perfettamente immobile subito dopo il rotore. Si può definire, per le turbine eoliche, un coefficiente di potenza C P :Pt/Pv dove Pt rappresenta la potenza effettivamente ricavata dal vento. Tale rapporto è minore di 1 anche in assenza di qualunque tipo di perdita nel convertitore eolico, essenzialmente perché la velocità del flusso non può essere di fatto completamente azzerata. La teoria di Betz dimostra che il limite teorico massimo è pari al 59% (16/27).

27 Teoria eolica semplificata

28 Teoria eolica semplificata TEORIA DI BETZ e RENDIMENTO 35% - 45%. Il sistema eolico completo, incluso il sistema di trasmissione, il generatore, il sistema di accumulo e gli ausiliari è in definitiva caratterizzato da un rendimento complessivo compreso tra il 10% e il 30% eolica.

29 Teoria eolica semplificata

30 La curva caratteristica di una turbina eolica rappresenta la potenza del generatore elettrico in funzione della velocità del vento. Teoria eolica semplificata CURVA CARATTERISTICA

31 CURVA CARATTERISTICA Teoria eolica semplificata

32 CURVA CARATTERISTICA Teoria eolica semplificata

33 Potenza sviluppata Teoria eolica semplificata

34 Potenza sviluppata Teoria eolica semplificata

35 Potenza sviluppata Teoria eolica semplificata

36 Previsione produzione energia

37 Previsione produzione energia

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39 Previsione produzione energia

40 Previsione produzione energia

41 Previsione produzione energia

42 Previsione produzione energia

43 Previsione produzione energia Total power input Usable power input (Betz law) Turbine power output Al termine della campagna di acquisizione dati, si ottiene la distribuzione delle velocità del vento, ovvero le ore annue per cui si hanno le varie velocità del vento. Integrando la potenza associata ad ogni velocità del vento con la distribuzione di velocità del vento si ottiene la distribuzione a differenti velocità (power density). Applicando poi la legge di Betz si ottiene la potenza idealmente generabile (area blu) rossa indica invece la potenza elettrica generata, tenuto conto dei rendimenti. La maggior percentuale di energia prodotta si ottiene del valor medio di velocità.

44 Procedura Previsione produzione energia della velocità

45 Valutazione potenziale eolico

46 Valutazione potenziale eolico

47 ATLANTE EOLICO - CESI Valutazione potenziale eolico

48 Valutazione potenziale eolico ATLANTE EOLICO - CESI Esistono studi specialistici, come quello effettuato dal CESI, che mostrano la distribuzione delle velocità del vento sul suolo nazionale avere solo una valutazione di massima. Le mappe sono relative a varie quote rispetto al livello del terreno (25m 50m 70m). Quella rappresentata è relativa alla quota di 70m Utile nel caso di mini-eolico, ove una campagna di monitoraggio con anemometro non risulti possibile o conveniente Utile nella fase preliminare di individuazione del sito per lo sfruttamento energetico (in alternativa studio con modello meteorologico 3D)

49 ATLANTE EUROPEO Valutazione potenziale eolico

50 Valutazione potenziale eolico

51 Valutazione potenziale eolico

52 Valutazione potenziale eolico

53 Valutazione potenziale eolico

54 INSTALLAZIONE ANEMOMETRI Valutazione potenziale eolico

55 Valutazione potenziale eolico

56 Valutazione potenziale eolico

57 Micrositing

58 MIcrositing

59 Micrositing

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