Simulazione del comportamento energetico di una turbina eolica: bilanci energetici ed analisi economica

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1 Università del Salento Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica a.a 2006/2007 Esame di Energetica industriale Simulazione del comportamento energetico di una turbina eolica: bilanci energetici ed analisi economica Docente: Prof Ing Antonio Ficarella Studente Gabriele Conversano ( )

2 Obiettivo del lavoro svolto Nel presente lavoro ci si propone di simulare il bilancio energetico di una turbina eolica installata in un sito di ventosità nota ed accoppiata ad un utenza industriale in media tensione. I calcoli verranno effettuati mediante un modello Simulink, e con i risultati delle simulazioni verrà stilata un analisi economica preliminare, basandosi sui costi dell energia per dicembre Descrizione del modello Il modello Simulink utilizzato per i calcoli effettua, in ogni secondo un bilancio tra l energia prodotta dalla turbina eolica e l energia richiesta dal carico elettrico. Figura 1 Calcolo della potenza prodotta dalla turbina eolica Il modello legge il valore medio della velocità del vento per ogni ora dell anno dal workspace di Matlab, e calcola, con tecnica alla Montecarlo, in ogni secondo la velocità del vento. La distribuzione risultante è statisticamente equivalente ad una Weibull don assegnato fattore di forma. Nota la velocità istantanea del vento, la potenza prodotta [kwh/s] viene calcolata secondo la formula: 3 k v P = 3600 In cui la costante k è ovviamente funzione delle dimensioni della turbina e del suo rendimento. Per avere un riscontro con le macchine realmente acquistabili sul mercato, sono stati stimati i valori di k per aerogeneratori di diverse taglie, basandosi sulle curve di potenza fornite dai costruttori. Dati turbina Curva di potenza VESTAS V47 Potenza nominale 660 kw K = 0,55 0,65

3 VESTAS V52 Potenza nominale 850 kw K = 0,55 0,65 (il valore di k è praticamente identico alla precedente; Per questa turbina tuttavia il ginocchio della curva di potenza arriva per velocità del vento maggiori e quindi potenze maggiori) VESTAS V80 Potenza nominale 2.0 MW K = 1,2 1,3 VESTAS V90 Potenza nominale 3.0 MW K = 1,7 1,8 Calcolo del carico elettrico La potenza elettrica richiesta dall utilizzatore viene stimata con una tecnica analoga a quella utilizzata per il calcolo della velocità istantanea del vento. Per i calcoli è stato assunto un carico medio di 100 kw, distribuito secondo una gaussiana con scarto quadratico medio di 20 kw. Bilancio di energia nel corso di un anno Per ogni istante di integrazione il modello calcola lo squilibrio tra energia prodotta ed energia richiesta. Nel caso in cui è l energia prodotta in eccesso, il surplus viene ceduto alla rete elettrica. Viceversa nei momento in cui è maggiore la richiesta rispetto alla produzione, l energia viene acquistata dalla rete. Il modello integra nell arco dell anno le quantità di energia cedute ed acquistate dalla rete.

4 Si riporta di seguito un grafico riassuntivo dei risultati ottenuti al variare di k. I valori numerici di tutti i calcoli effettuati sono riportati nella tabella relativa all analisi economica Bilancio Annuale di Energia al Variare della costante k Ceduta alla rete Acquistata dalla rete Prodotta Fabbisogno Energia [MWh] K

5 Analisi economica Sulla base dei bilanci di energia ottenuti al variare di k, e quindi per turbine di diverse potenze nominali installate nelle stesse condizioni di ventosità e asservite alla stessa tipologia di utenza, si è proceduto ad effettuare una analisi economica preliminare. I valori utilizzati per tutte le voci di costo sono riportati nella tabella seguente. La tariffa elettrica cui si fa riferimento è la M1V di Eneldistribuzione per fornitura di energia elettrica in media tensione con potenze impegnate minori di 500 kw Tabella 1 Costi e ricavi per la turbina eolica Costi di installazione 1000 /kw Studio di fattibilità economicofinanziaria per un impianto eoliconel comune di Rialto (SDA Bocconi) Prezzo di riferimento per i certificati 137,49 /MWh verdi per il 2007 Prezzo di vendita dell energia alla rete 8 c /kwh (???) Costi per la fornitura di energia elettrica Quota fissa 537,1027 /anno Corrispettivo per la potenza impegnata 22,68 /kw*anno Costo fisso componenti A, U e MCT 22,68 /anno Costo energia 0,1161 /kwh Costo variabile A, U e MCT 0,0158 /kwh E opportuno effettuare alcune precisazioni sui valori riportati 1. Il costo di installazione di 1000 /kw è solo una stima di larga massima. Sono molto variabili infatti i costi di trasporto e messa in opera degli aerogeneratori in funzione della natura del terreno stesso sul quale viene installato l impianto. 2. Il prezzo di vendita dell energia alla rete è anch esso una stima, dal momento che non è stato possibile reperire dati certi in merito Per ogni scenario calcolato la potenza impegnata (120 kw) è stata mantenuta costante, dal momento che la risorsa eolica non è affidabile nel tempo. I costi fissi in bolletta ammontano quindi, per tutti gli scenari, a 4034,70 /anno. Il costo dell energia (o il ricavo derivante dalla vendita di questa) è stato calcolato a partire dal bilancio energetico annuale (differenza tra energia ceduta ed energia acquistata) per ogni scenario, considerando che: Bilancio positivo Bilancio negativo Ricavo = 5,00 c /kwh Costo = 13,19 c /kwh Calcolati i costi fissi ed i costi variabili è stato possibile, per ogni scenario, calcolare il saldo annuale. A tale saldo va aggiunto il ricavo derivante dalla vendita (ipotizzata al prezzo di riferimento) dei certificati verdi, per ottenere il flusso di cassa annuale. Il numero dei certificati verdi da poter vendere è stato ottenuto considerando che la taglia di ciascun certificato è di 50 MWh. Nella tabella seguente si riportano i calcoli effettuati al variare di k:

6 Tabella 2 k Potenza impegnata [kw] Fabbisogno [MWh] Energia acquistata dalla rete [MWh] Energia ceduta alla rete SALDO ENERGETICO [MWh] Costi fissi in bolletta [ /anno] Costo dell'energia in bolletta [ /anno] Saldo totale bolletta [ /anno] Energia eolica prodotta [MWh] n di certificati verdi Incentivo da certificato verde [ /anno] FLUSSO DI CASSA TOTALE [ /anno] Risparmio annuale [ ] Investimento stimato Simple payback period Modello turbina V47 V52 V80 V90

7 Come si evince dalla tabella riepilogativa, una prima analisi sconsiglierebbe l installazione di una turbina eolica nel sito di cui sono stati analizzati i dati di ventosità, dal momento che il simple payback period non scende mai sotto i 4,7 anni. E inoltre comprensibile come il pareggio economico calcolato in questo modo sia minore per le turbine più piccole: 1. All aumentare della taglia della turbina aumenta la quantità di energia ceduta alla rete, che vale di meno di quello autoconsumata 2. In questa analisi non sono stati stimati i costi per eventuali opere di movimento terra o di infrastrutture elettriche, che sarebbero percentualmente meno incidenti su una turbina di dimensioni maggiori.

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