CORSO DI PRODUZIONE DI ENERGIA RINNOVABILE A.A Eolico

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1 CORSO DI PRODUZIONE DI ENERGIA RINNOVABILE A.A Eolico Prof. Ing. Sergio Montelpare Dipartimento INGEO Università G. d Annunzio Chieti-Pescara

2 Pag. 2 Storia della Fonte Rinnovabile Eolica 1700 B.C.: Prima Tes;monianza Storica Il primo reperto archeologico di mulino a vento è stato iden(ficato in Mesopotamia (Iran- Iraq). Da fon( storiche sembrerebbe che il re di Babilonia Hammurabi tento di u(lizzare il vento per l irrigazione dei campi mediante generatori ad asse ver(cale, che avevano defle?ori mobili. 700 A.D.: Il Mulino a Vento Persiano Documen( cer( mostrano che già in epoca persiana vennero introdo5 sistemi eolici per la macinatura del mais, il pompaggio dell acqua ed il raffreddamento delle case. Questo (po di generatori era ad asse ver(cale e sostanzialmente basato sulla resistenza aerodinamica di vele re?angolari. Dai reper( pervenu(, è possibile notare come non fosse possibile orientare il sistema eolico con la direzione del vento; il funzionamento era infa5 garan(to solo nelle situazioni in cui il vento giungeva in direzione allineata con l apertura della camera di contenimento della girante. Nel caso della macinatura, alla base della girante era collegata una macina in pietra. Questa (pologia di mulino fu largamente u(lizzata nell Asia centrale ed orientale, sino alla Cina e all India.

3 Pag. 3 Storia della Fonte Rinnovabile Eolica 1219: Cina Una prima rappresentazione di generatore eolico u(lizzato in Cina per il pompaggio di acqua e la macinatura del grano, risale a Yehlu Chhu- Tshai nel Analogamente ai mulini persiani, quelli cinesi erano ad asse ver(cale, ma in aggiunta avevano la possibilità di regolare la posizione delle vele in relazione alla direzione del vento. Successivamente si hanno no(zie e rappresentazioni di mulini ad asse orizzontale usa( per il pompaggio dell acqua. 1270: Post Mill (Mulino a Palo). Le prime informazioni di mulini a vento in Europa risalgono al La configurazione dei Post Mill prevedeva lo sviluppo della stru?ura del mulino a?orno ad un singolo albero centrale che consen(va la rotazione di tu?o l insieme. Per garan(re l allineamento alla direzione del vento il mugnaio si occupava di girare la stru?ura mediante una lunga asta di comando. Nella stru?ura, il moto rotatorio dell albero orizzontale della girante veniva conver(to da ingranaggi in legno per o?enere il moto rotatorio dell albero ver(cale che trascinava le macine di pietra.

4 Pag. 4 Storia della Fonte Rinnovabile Eolica 14 secolo: Smock Mill (Mulino a Grembiule) Successivo al Post Mill è lo Smock Mill, che si diffuse principalmente in Olanda. Il corpo principale in legno era fisso rispe?o al suolo ed accoglieva al suo interno i macchinari per la macinatura. La parte superiore del mulino, in cui si trovava la girante, era invece svincolata dal corpo principale per consen(re l allineamento al vento. Questa scelta proge?uale consen_ di realizzare mulini più larghi ed al(, con la conseguente possibilità di avere pale più lunghe. Tower Mill (Mulino a Torre) Alla fine del 14 secolo lo Smock Mill venne sos(tuito dal mulino a torre, che aveva la stru?ura principale in ma?oni invece che in legno. Il vantaggio della stru?ura in ma?oni era chiaramente legato alla maggiore solidità, che consen(va stru?ure più imponen(, giran( più grandi e la possibilità di suddividere l interno del mulino in più piani des(na( a vari usi. Erano quindi previs( il locale per la macinatura, quello per la rimozione della pula ed il magazzino. Alcuni di ques( mulini sono in uso ancora oggi.

5 Pag. 5 Storia della Fonte Rinnovabile Eolica 1887: Generazione elekrica da turbina eolica; James Blyth. La prima turbina eolica u(lizzata per la produzione di energia ele?rica fu proge?ata a Glasgow dal Prof. James Blyth. Essa era un generatore eolico ad asse ver(cale avente un diametro di 17 metri. Le pale erano superfici concave funzionan( a resistenza. 1888: Produzione elekrica su larga scala - Charles Brush Il primo tenta(vo di produrre energia ele?rica su una larga importante è a?ribuito a Charles Brush nel 1887 in Ohio, USA. La turbina eolica era ad asse orizzontale, con un rotore di 17 metri di diametro, ed un hub a 18 metri di altezza. La solidità del rotore era molto elevata e la potenza nominale era di 12 kw. La produzione ele?rica era des(nata ad autoconsumo ed al caricamento di ba?erie.

6 Pag. 6 Storia della Fonte Rinnovabile Eolica 1891: Primi accorgimen; aerodinamici - Poul La Cour Poul La Cour fu il primo a sviluppare i generatori eolici introducendo i primi principi di sviluppo aerodinamico. La Cour (Danese) fu uno dei pionieri della moderna aerodinamica e condusse mol( dei suoi studi in una propria galleria del vento. La Cour si dedico al problema dell immagazzinamento dell energia ele?rica, convertendo l ele?ricità prodo?a dalla turbina in idrogeno mediante ele?rolisi. Tra il 1891 ed il1918 costruì più di 100 generatori eolici con taglie comprese fra 20 e 35 kw. 1920: La Teoria del Disco AKuatore di Betz 1931: La turbina Darrieus Nel 1931 l ingegnere aeronau(co francese Georges Jean Marie Darrieus costruì e breve?ò la turbina eolica Darrieus. La turbina eolica è di (po ad asse ver(cale, è u(lizzata largamente anche oggi e si basa sullo sfru?amento della portanza alare.

7 Pag. 7 Storia della Fonte Rinnovabile Eolica 1941: Prima Turbina Eolica Mul;- MegawaK Nel 1941 Smith- Putman realizzò la prima turbina eolica mul(megawa? al mondo. La sua potenza nominale era di 1.25 MW, era ad asse orizzontale, aveva due pale cen(nate per un diametro di 54 m, un altezza di 37 m e un rotore di (po downwind. La turbina era connessa ad un generatore ele?rico sincrono e l angolo di pitch delle pale veniva variato per mantenere costante la velocità di rotazione. Per problemi meccanici ad una pala, la turbina lavorò solamente 1100 ore; alla ro?ura infa5 non venne riparata per la scarsità di materiali durante la seconda guerra mondiale. Ci vollero 40 anni per vedere una turbina eolica di potenza maggiore. h?p:// works.org/photos/smith- PutnamPhotos.html

8 Pag. 8 Storia della Fonte Rinnovabile Eolica 1978: Inversione del senso di rotazione A par(re dal 1978, per uniformare la percezione delle turbine eoliche, si inizio a produrre le turbine ad asse orizzontale con un moto orario anziché an(orario. Anni 90: Diffusione delle turbine mul; megawak A par(re dai primi anni novanta la riduzione dei cos( delle turbine mul(megawa? rese più compe((ve queste macchine che iniziarono a diffondersi in Olanda, Germania e Danimarca. 1980: Il primo parco eolico Il primo parco eolico risale al 1980, nel sud del New Hampshire (USA) ed era cos(tuito da 20 macchine con potenza nominale di 30 kw 2008: Realizzazione della turbina su terra più grande (7 MW) Nel 2008 la Enercon ha costruito la più grande turbina eolica su terra: la E- 126, con 7.5 Megawa? di potenza nominale, un altezza dell hub di 135 m ed un rotore di 127 m. 2011: Installazione della turbina offshore più grande (5 MW) Il 22 marzo 2011 è stata installata presso la Ormonde Offshore Wind Farm, nei mari irlandesi, la turbina Repower 5M da 5 Megawa?. Il rotore ha un diametro di 126 m, un hub a 100 m e una velocità di rotazione fra 7.7 e 12.1 RPM. 2012: Realizzazione del proto;po offshore più grande (7 MW) Il 30 marzo del 2011 la Vestas ha annunciato per il 2012 il primo proto(po della turbina offshore V164 da 7 MW. La turbina avrà un diametro del rotore di 164 m, una velocità di avvio di 4 m/s, una velocità di rotazione nominale di 10.5 RPM ed un peso della pala di 35 tonnellate. L inizio della produzione è previsto per il 2015

9 Pag. 9 Classificazione dei Generatori Eolici Azione Aerodinamica Resistenza Portanza Orientamento Asse Orizzontale Generatori Eolici Verticale Taglia Micro Mini Maxi Solidità Piano Rotorico Controll o Tubo Flusso Sito Alta Upwind RPM Libero Onshore Bassa Downwind Pitch Intubato Offshore

10 Pag. 10 Classificazione dei Generatori Eolici Taglia Micro Mini Maxi La classificazione di un generatore eolico in relazione alla sua taglia può essere fatta sulla base delle normative IEC 61400, relativamente alle problematiche di progettazione e scelta delle macchine per dato sito, oppure sulla base di considerazioni legislative, per quel che riguarda gli iter autorizzativi dell impianto eolico. Le norme IEC definiscono aerogeneratori di piccola taglia i sistemi, aventi area del rotore inferiore ai 200 mq, che convertono energia cinetica del vento in energia elettrica. Le turbine con area superiore ai 200 mq (un diametro di circa 16 m per una turbina tripala ad asse orizzontale) devono essere progettate secondo le norme IEC ; le turbine sotto tale soglia seguono la procedura descritta nella IEC e nel caso l area del rotore sia inferiore a 2 mq (un diametro di circa 1.6 m) le prescrizioni si semplificano escludendo il palo di supporto dalla progettazione. L Allegato A alla DGR 829/2007 della regione Marche stabilisce che vanno considerati impianti di piccola taglia quelli in cui le turbine hanno un altezza fuori tutto, ovvero altezza dall estremità palare nel punto più alto sino a terra, minore o uguale a 40 m. Gli impianti di grande taglia sono quelli con altezze superiori a 40 m e/o potenze superiori ad 1 MWe.

11 Pag. 11 Classificazione dei Generatori Eolici Azione Aerodinamica Resistenza Portanza Una macro-divisione può essere fatta sulla base dell azione aerodinamica che viene principalmente sfruttata dal sistema eolico. Si possono distinguere i generatori a resistenza, come ad esempio il Savonius e quelli a portanza come i tipici aerogeneratori tripala usati nella produzione elettrica multi-megawatt. L azione di resistenza è sostanzialmente associata alla resistenza di forma (pressione) che un oggetto evidenzia una volta investito da un flusso; essa è dovuta ad importanti fenomeni di separazione del flusso. L azione di portanza deriva invece dalla curvatura che un oggetto aerodinamico induce alle linee di flusso ed agli effetti di depressione che si innescano a bilanciamento delle forze centrifughe nelle traiettorie curvilinee dei volumi di fluido. Le azioni di portanza, per un profilo alare lontano dallo stallo, sono decisamente più importanti rispetto a quelle di resistenza ed un loro sfruttamento consente di ottenere prestazioni dell aerogeneratore più significative.

12 Pag. 12 Classificazione dei Generatori Eolici Orientamento Asse Orizzontale Verticale La classificazione in relazione all orientamento dell asse di rotazione prescinde dal fatto che l aerogeneratore lavori principalmente a portanza o a resistenza. Questa suddivisione si sofferma infatti solo sull orientazione dell asse di rotazione della parte captativa del vento in relazione al suolo. I tipici generatori ad asse verticale sono i Savonius e/o i Darrieus, mentre nella categoria ad asse orizzontale troviamo i tipici generatori tripala utilizzati nella produzione di energia elettrica su vasta scala. L orientamento dell asse di rotazione è importante soprattutto nell ottica dell integrazione architettonica della risorsa eolica; nell esempio riportato accanto, di un palo di illuminazione pubblica alimentato da fonti rinnovabili, lo sviluppo verticale dell elemento architettonico, tipico degli arredi urbani, si fonde con degli aerogeneratori ad asse verticale. L orientamento verticale dell asse induce inoltre una sostanziale indipendenza dalla direzione del vento. D altra parte i generatori tripala ad asse orizzontale offrono coefficienti di potenza decisamente più elevati e maggiormente adatti ad una produzione di energia elettrica.

13 Pag. 13 Classificazione dei Generatori Eolici Solidità Alta Bassa La solidità del generatore eolico esprime il rapporto fra la proiezione frontale dell area del rotore e l area spazzata dallo stesso. Esistono legami diretti fra la solidità di un aerogeneratore e la capacità di produzione, che verranno approfonditi nel proseguo. Tipici esempi di generatori ad elevata solidità sono i multipala americani, normalmente utilizzati in accoppiamento a pompe idrauliche per la captazione di acque profonde; ciò grazie all elevata coppia meccanica che sono in grado di generare a basse velocità di rotazione. Generatori a bassa solidità sono invece i tripala, che ruotano a velocità maggiori ed offrono maggiori attitudini alla produzione di energia elettrica da riversare in rete.

14 Pag. 14 Classificazione dei Generatori Eolici Piano Rotorico Upwind Downwind I generatori eolici possono avere il piano rotorico posto a valle o a monte della navicella (HUB della macchina) in relazione alla direzione del vento incidente. La soluzione maggiormente utilizzata è quella di tipo upwind, in cui il piano rotorico si trova a monte della navicella e quindi viene investito prima dal flusso d aria. La soluzione downwind presenta invece il piano rotorico a valle della navicella; questa posizione, che comporta un maggior disturbo del flusso incidente sul rotore a causa della scia della navicella e della torre di sostegno, ha il vantaggio di essere auto-allineante rispetto alla direzione del vento.

15 Pag. 15 Classificazione dei Generatori Eolici Tubo Flusso Libero Intubato Una possibile suddivisione per gli aerogeneratori è legata al confinamento del tubo di flusso attorno al rotore. I generatori maggiormente diffusi hanno il tubo di flusso libero ed in grado di espandersi nella fase di avvicinamento, attraversamento ed allontanamento dal piano rotorico per la necessità di conservare la portata massica elaborata. I generatori intubati hanno invece una carenatura attorno all asse del rotore che consente un convogliamento del flusso da elaborare verso le pale. I secondi hanno chiaramente una maggiore difficoltà realizzativa ed un impatto visivo non trascurabile.

16 Pag. 16 Classificazione dei Generatori Eolici Controllo Sito RPM Pitch Onshore Offshore La classificazione sul controllo delle macchine eoliche distingue fra controllo sui giri, fissi o variabili, e sull angolo di attacco delle pale, fisso o variabile. La soluzione più semplice è quella a giri fissi ed angolo pale bloccato, mentre quella più complessa prevede sia i giri variabili che la possibilità di modifica dell angolo di attacco delle pale. La scelta fra le varie tipologie è legata sia a considerazioni economiche che alla scelta del generatore elettrico. Un ultima classificazione dei generatori eolici può essere fatta sulla base della loro destinazione di installazione. Si possono infatti avere macchine destinate ad installazioni su terra ferma (onshore) e macchine destinate ad installazioni in mare (offshore). Le due tipologie si differenziano per i tipi di fondazione, per le taglie di potenza, per le classi IEC di appartenenza, per le caratteristiche costruttive.