Originalità della ricerca e motivazione del premio

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1 Controllo di profili alari per la generazione di energia eolica di alta quota Il ruolo chiave di metodologie avanzate di controllo automatico per un'innovazione radicale nella generazione di energia rinnovabile Motivazioni della ricerca Circa l 80% dell energia mondiale è prodotta da fonti fossili come carbone, gas e petrolio. Come noto, esse presentano due svantaggi rilevanti. Il primo è legato alle emissioni in atmosfera, con conseguenti danni all ambiente ed alla salute a causa dei mutamenti climatici e degli agenti inquinanti. Il secondo è relativo ai problemi geopolitici legati ad un economia energetica basata sull uso delle fonti fossili, in quanto la maggior parte di queste fonti è concentrata in pochi paesi. Il problema della sostenibilità energetica è quindi determinante, considerata anche la crescita economica e demografica dei paesi in via di sviluppo. I dati IEA (International Energy Agency) mostrano che attualmente la produzione di energia da fonti rinnovabili è limitata a circa il 13% della produzione globale (i sistemi idroelettrici ne coprono da soli il 12.2%), ma potrebbe potenzialmente coprire l intero fabbisogno mondiale. Tuttavia, le attuali tecnologie per la generazione di energia rinnovabile presentano problemi rilevanti quali l elevato costo, la disponibilità non uniforme e la bassa densità di potenza per unità di superficie occupata. Focalizzando l attenzione sull energia eolica, studi recenti indicano che l energia del vento potrebbe da sola coprire l intero fabbisogno energetico mondiale. Tuttavia, la tecnologia eolica attuale è in grado di sfruttare solo una piccola parte di questa grande quantità di energia e non sono previsti significativi miglioramenti in futuro. Le attuali torri eoliche su terra arrivano ad altezze di circa 100 m, con rotori di m di diametro e una potenza nominale di 3 MW. In un buon sito, una torre eolica produce in media solo il 30-40% della sua potenza nominale. Una fattoria di torri eoliche presenta vincoli di progettazione che obbligano a posizionare le torri ad una distanza minima l una dall altra, per evitare interferenze aerodinamiche. Di conseguenza, la superficie necessaria per generare mediamente 1 GW di potenza con una fattoria eolica è di km2, contro 1-2 km2 di una centrale termica di pari potenza. La tecnologia eolica tradizionale è il risultato di più di 30 anni di sviluppo incrementale ed è ormai vicina ai suoi limiti tecnologici ed economici. Studi scientifici indicano infatti che non ci si aspetta nessuna innovazione sostanziale nella tecnologia eolica, ma una serie di ulteriori miglioramenti che possono portare ad un incremento di efficienza complessivo, nel caso migliore, pari al 40% circa. D altra parte, in base alle considerazioni sopra riportate, sarebbe necessaria una vera e propria rivoluzione tecnologica nel settore eolico per poter sfruttare la potenza disponibile nel vento. Descrizione e risultati della ricerca Una rivoluzione nel campo dell energia eolica può essere ottenuta con lo sviluppo di una tecnologia innovativa per la conversione dell energia dei venti di alta quota (fino a 1000 m rispetto al suolo) in elettricità. Tale tecnologia, oggetto di studio della tesi di dottorato, si basa sull utilizzo di profili alari (kite) collegati a terra da due cavi. I cavi sono avvolti attorno a due tamburi, posti al suolo e collegati a loro volta a motori/generatori elettrici. I due cavi vengono utilizzati sia per controllare il volo del profilo alare, tramite un azione differenziale, sia per trasmettere a terra le forze aerodinamiche sviluppato durante il volo. Il sistema elettromeccanico al suolo permette di convertire le forze agenti sui cavi in potenza meccanica ed elettrica. I kite, comandati da un sistema di controllo automatico, sono in grado di volare ad altezze dal suolo pari a metri (più elevate rispetto ai metri a cui operano le attuali torri eoliche) dove soffiano quasi ovunque nel mondo venti più forti e meno variabili. Inoltre, volando ad elevata velocità in direzione perpendicolare rispetto al vento, i kite generano forze di trazione sui cavi di notevole entità, che si traducono in valori di potenza elevati.

2 L insieme di aquilone, cavi, parti meccaniche, motori, sensori è detto Kite Steering Unit (KSU, Figura 1, sinistra). La KSU può essere utilizzata per generare energia in diversi modi: ad esempio, nella configurazione denominata yoyo, viene compiuto ripetutamente un ciclo (mostrato in Figura 1, destra) composto da una fase di trazione (in cui il profilo alare tira e svolge i cavi, mettendo in rotazione i generatori elettrici) e da una successiva fase passiva (in cui circa il 10% dell energia generata in precedenza viene spesa per riavvolgere parzialmente i cavi, in modo da iniziare una successiva fase di trazione). La tesi di dottorato di Lorenzo Fagiano, la prima al mondo in questo settore, è stata sviluppata nel corso di due progetti di ricerca co-finanziati dalla Regione Piemonte e svolti dal gruppo di ricerca coordinato dal prof. Mario Milanese del Dipartimento di Automatica e Informatica del Politecnico di Torino, con la partecipazione di piccole imprese hi-tech piemontesi. Un terzo progetto, mirato allo studio dell applicazione della tecnologia per il trasporto navale ( è tuttora in fase di svolgimento. Le attività di ricerca svolte durante il dottorato, presentate nella tesi, includono analisi teoriche e numeriche legate a diverse configurazioni possibili di generatori di alta quota, oltre a studi di ottimizzazione del sistema, analisi di dati del vento di alta quota, analisi di fattorie eoliche di alta quota e attività sperimentali condotte con un prototipo di piccola scala costruito durante il progetto (il primo al mondo, con 20 kw di potenza nominale e costruito nel 2006, Figura 2). Le analisi hanno permesso di valutare la fattibilità dell idea, di ricavare un modello matematico del sistema e di progettare il sistema di controllo automatico dei kite, in modo da svolgere simulazioni numeriche per valutare la potenza ottenibile con un singolo generatore e con una fattoria dei generatori. Tali simulazioni, combinate con le analisi dei dati del vento misurati in più di 20 siti in diverse parti del mondo, hanno quindi permesso di stimare la quantità di energia producibile e il relativo costo. I risultati della tesi, pubblicati su importanti riviste scientifiche internazionali e presentati a diversi congressi internazionali, indicano che l eolico di alta quota ha le potenzialità per poter produrre energia rinnovabile a costi inferiori rispetto alle fonti fossili e in notevoli quantità, praticamente ovunque nel mondo. La tesi evidenzia infatti come fattorie di generatori eolici di alta quota possano raggiungere una potenza media generata per unità di superficie occupata da 20 a 50 MW/km2, notevolmente superiore ai circa 3.5 MW/km2 ottenibili con una attuale fattoria eolica in un buon sito. Questo risultato è ottenibile grazie al fattore di utilizzo (potenza media su potenza nominale, Capacity Factor, CF) di un generatore eolico di alta quota, che risulta essere almeno doppio rispetto ad una torre eolica di pari potenza nominale (Tabella 1). E stato possibile di conseguenza ricavare una stima del costo dell energia eolica di alta quota (Tabella 2), che risulta essere inferiore a quello dell energia ricavata da fonti fossili, senza i relativi svantaggi. La tecnologia di generazione di energia eolica di alta quota è altamente multidisciplinare, in quanto coinvolge aspetti di aerodinamica, materiali, meccanica, elettronica di potenza. Tra tutte le discipline coinvolte, la teoria dei sistemi e dei controlli automatici gioca un rulo chiave nella ricerca e sviluppo dell eolico di alta quota. La seconda parte della tesi è quindi dedicata allo sviluppo metodologico di tecniche avanzate di controllo automatico, che consentono di risolvere problemi complessi come quelli legati all eolico di alta quota, in cui è necessario mantenere il controllo del profilo alare, massimizzare l energia prodotta rispettando allo stesso tempo limiti operativi e vincoli di sicurezza. Originalità della ricerca e motivazione del premio I primi studi in campo scientifico della tecnologia innovativa della generazione di energia eolica di alta quota con profili alari controllati risalgono alla fine degli anni 70 e solo in tempi recenti piccole aziende e gruppi di ricerca nel mondo hanno iniziato a studiare e sviluppare l idea dal punto di vista teorico e applicativo-sperimentale. Il gruppo di ricerca del Politecnico di Torino è riconosciuto a livello internazionale come precursore e riferimento in questo settore.

3 La tesi del dr. Fagiano è la prima tesi di dottorato al mondo nel campo dell eolico di alta quota ed è stata premiata in quanto rappresenta un contributo importante ed originale per la generazione elettrica dal vento ad alta quota che include analisi teoriche, progettazione di sistemi, simulazioni, analisi economiche. I risultati della tesi indicano che tale tecnologia ha le potenzialità di portare ad una rivoluzione nello scenario energetico mondiale, producendo energia rinnovabile in grandi quantità a costi inferiori rispetto alle fonti fossili. Documenti aggiuntivi La tesi è disponibile on-line al sito Inoltre, un breve filmato delle prove sperimentali è disponibile on-line: Infine, il seguente sito riguarda il progetto KiteNav per l applicazione navale della tecnologia: Stima di Capacity Factor Sito 2-MW turbina tradizionale 2-MW generatore eolico di alta quota Nice (FR) 9% 33% Brindisi (IT) 31% 60% Linate (IT) 0.6% 33% De Bilt (NL) 36% 71% Bodø (NO) 28% 56% Leba (PL) 38% 71% Murcia (ES) 3% 35% Tabella 1: esempi di CF di una torre eolica e di un generatore di alta quota della stessa potenza nominale (2 MW) in diversi siti in Europa. In un buon sito per l eolico tradizionale (CF>30%) l energia ricavabile da un generatore di alta quota di pari potenza nominale è circa il doppio. Inoltre, in un sito poco ventoso a bassa quota (CF<10%), un generatore eolico di alta quota è in grado di operare con valori di fattore di utilizzo di circa il 30%, pari ad una turbina eolica in un buon sito Fonte Costo stimato Costo stimato Costo stimato medio minimo ( /MWh) massimo ( /MWh) ( /MWh) Carbone Gas naturale Eolico tradizionale Solare fotovoltaico Eolico di alta quota Tabella 2: proiezione IEA per il 2030 dei costi dell'energia per diverse fonti confrontate con i costi stimati per la tecnologia eolica di alta quota. I costi tengono conto, per ogni tecnologia, anche delle innovazioni tecnologiche previste nei prossimi 20 anni.

4 Figura 1. Sinistra: Schema di una Kite Steering Unit, l unità base della tecnologia di generazione di energia eolica di alta quota. Destra: schema del ciclo di generazione di energia della configurazione yoyo, composta da una fase generativa di trazione e una successiva fase passiva per il riavvolgimento parziale dei cavi.

5 Figura 2. Primo prototipo di generatore eolico di alta quota durante test sperimentali svolti vicino a Torino. Il prototipo, equipaggiato con 1000 m di cavi, è già in grado di operare ad altezze comprese tra 200 e 1000 metri dal suolo, con aquiloni di 20 m2 di area.