ENERGIA EOLICA. Metodologia per la stima dell energia prodotta da una fattoria del vento

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1 ENERGIA EOLICA Metodologia per la stima dell energia prodotta da una fattoria del vento

2 * Università di Roma Tor Vergata, Facoltà di Ingegneria, Via del Politecnico 1, Roma ˆ CRATI Scrl c/o Università della Calabria, CP 38, Rende (CS)

3 Carlo Bellecci* Livio Casella* Stefano Federicoˆ Energia eolica Metodologia per la stima dell energia prodotta da una fattoria del vento

4 Copyright MMIV ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: febbraio 2004

5 Indice Premessa PARTE A. ENERGIA EOLICA E SUE APPLICAZIONI Introduzione A. Energia eolica e sue applicazioni A1. Impieghi del vento nel corso del tempo A2. Sistemi eolici A3. Principali elementi di un aerogeneratore A4. Controllo di potenza A5. Applicazioni dell eolico A6. Il sito A7. Il vento A8. I numeri dell Eolico A9. Considerazioni sull eolico A9.1. Wind farm A9.2 Sistemi eolici di piccola taglia A9.3 Sistemi offshore PARTE B. IL MODELLO WASP E CALCOLO DELLA POTENZA PRODOTTA DA UNA WIND FARM Introduzione B. Il Modello WASP e calcolo della potenza prodotta da una wind farm B1. Struttura del vento nello Strato Limite Planetario B2. Il vento geostrofico B3. Elaborazione dei dati anemometrici B4. Descrizione del sito B4.1 Classificazione del territorio B4.2 Descrizione degli ostacoli B4.3 Introduzione dell orografia B5. Il modello WASP B6. Climatologia del vento B7. Calcolo dell AEP B8. Considerazioni sugli effetti orografici indotti sul vento B9. La Wind farm nel modello B10. Esempio di configurazione di una wind farm B11. Attendibilità dei risultati B12. Confronto con i dati sperimentali

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7 Premessa Nel presente lavoro è illustrata una metodologia attualmente operativa presso il CRATI s.c.r.l. (Consorzio per la Ricerca e le Applicazioni di Tecnologie Innovative) atta a valutare la risorsa eolica di una particolare zona. Le elaborazioni si basano sui risultati previsti da un modello numerico, il WASP (Wind Atlas and Application Program), che, una volta messo a punto, grazie ad elaborazioni statistiche del vento ed a principi fisici di base, è in grado di predire l energia eolica prodotta da una fattoria del vento. È noto come in questi ultimi anni, queste fattorie del vento o wind farm sono state oggetto di molte discussioni legate ai loro possibili vantaggi e svantaggi nel produrre energia elettrica il cui consumo, specie in Italia, è in costante crescita. Infatti, se da un lato l eolico rappresenta, per una serie di motivi, una realtà consolidata a livello mondiale tra le fonti di energia rinnovabili, d altro canto esistono dei limiti alla costruzione di impianti eolici, legati all esigenza nel disporre di spazi estesi e consoni al sistema, oltre che ai costi elevati di installazione. Per questo motivo è utile, nel progettare un parco eolico, essere a conoscenza della sua reale energia producibile, cosa che può essere dedotta in base alle conoscenze anemologiche del sito e mediante previsioni basate su calcoli che derivano dai risultati di modelli numerici, come quelli adoperati e descritti nel presente studio. Il lavoro è suddiviso in due parti. Nella prima parte sono descritti gli aspetti più importanti dell energia eolica, partendo dai principi di base. Nella seconda parte è descritto il procedimento che permette di arrivare, tramite il modello WASP, alla stima dell energia prodotta da una o più aerogeneratori, illustrando inoltre l attendibilità dei risultati predetti dallo stesso modello. 7

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9 PARTE A ENERGIA EOLICA E SUE APPLICAZIONI

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11 Introduzione Le fonti di energia rinnovabili, a differenza dei combustibili fossili e nucleari che sono destinati ad esaurirsi in un tempo nito, possono essere considerate virtualmente inesauribili. Oggi rappresentano circa il 20% delle fonti di energia mondiale, percentuale questa che sembra destinata a crescere. Non a caso la combustione del carbone, che in Europa contribuisce ai due terzi della produzione di elettricità, non è più in aumento e sta lasciando spazio alle energie alternative. L eolico, fra queste nuove fonti di energia, ha conosciuto una notevole crescita tanto che oggi è ormai una realtà consolidata a livello mondiale. Va detto che in Italia, dove oltre l 80% dell energia consumata viene importata, continua la tendenza all aumento del consumo energetico, soprattutto quello elettrico. Da questo punto di vista l eolico sembra essere una delle soluzioni più appropriate presentando inoltre molteplici vantaggi. Dal punto di vista socio economico esso rappresenta un potenziale di sviluppo molto alto potendo dare nuovo impulso alle industrie favorendo una maggiore diversi cazione delle fonti energetiche ed un maggiore utilizzo delle risorse locali con importanti sbocchi occupazionali. Dal punto di vista ambientale l eolico, insieme alle altre energie rinnovabili, può contribuire alla stabilizzazione delle emissioni di gas serra ed alla riduzione di altri inquinanti. È infatti noto come il clima stia subendo una evoluzione considerevole, legata al potenziamento antropico dell effetto serra, per cui utilizzare fonti pulite di energia sarebbe un passo fondamentale per ovviare problemi legati ai mutamenti climatici. 11

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13 A. Energia eolica e sue applicazioni A1. Impieghi del vento nel corso del tempo Il vento, con le sue svariate applicazioni, ha assunto nel corso della storia una funzione importante interagendo con lo sviluppo delle civiltà e dei suoi sistemi tecnologici. Il suo utilizzo ha origini antiche. In alcune raf gurazioni egiziane del 2500 a.c., è palese l utilizzo di questa risorsa come propulsore per le imbarcazioni a vela. Più tardi, nel XVII secolo a.c., comparvero i primi mulini a vento per il pompaggio dell acqua dai umi, impiegati dal re di Babilonia (Hammurabi) per irrigare i campi del suo regno. In Europa l impiego del vento, a livello più tecnologico, subentrò nel tardo Medioevo con le Crociate, ed i mulini europei che rispetto ai loro antenati presentavano una diversa evoluzione ed una tecnologia più complessa, erano caratterizzati da una resa più ef ciente. Il secolo scorso fu segnato dalla diffusione delle aeropompe, caratterizzate da piccole giranti multipala, per applicazioni tipiche delle fattorie. Queste negli USA e nelle colonie italiane ebbero un rapido sviluppo ed ancora oggi ne esistono esemplari in uso. Per effetto dell evoluzione della tecnologia eolica, agli inizi del 900, comparvero anche i primi generatori di energia elettrica a vento, i quali, nel periodo tra le due guerre mondiali subirono un grande sviluppo. In tale contesto, la Danimarca riuscì a soddisfare buona parte del fabbisogno energetico installando localmente piccoli generatori. Con l avvento dei combustibili convenzionali (carbone, petrolio ecc.), questa tecnologia fu abbandonata, per dare spazio a produzioni energetiche di più semplice ed immediato utilizzo. Infatti l impiego delle fonti energetiche convenzionali offriva migliori garanzie di utilizzo rispetto ad una sorgente (il vento), che per le sue caratteristiche, si presentava di dif cile sfruttamento. Successivamente, la crisi petrolifera degli anni settanta, e pressanti e- sigenze di carattere ambientale, hanno favorito un ritorno verso questa tecnologia. 13

14 14 Parte A A2. Sistemi eolici L energia eolica è l energia posseduta dal vento ed il suo impiego come risorsa energetica risulta di antica applicazione. L energia cinetica dell aria in movimento può essere convertita, con opportuna tecnologia, in altra forma direttamente disponibile per soddisfare diversi utilizzi. In particolare le applicazioni tipiche sono quelle che consentono di convertire l energia cinetica dell aria, per mezzo di una macchina eolica, direttamente in energia meccanica di rotazione disponibile all asse della stessa energia che può essere utilizzata in modo diretto da macchine operatrici o per produzione di energia elettrica. Nelle applicazioni moderne, l impiego del vento è interessante per la produzione di energia elettrica. Le tecnologie a disposizione risultano oggi competitive relativamente alle tradizionali fonti energetiche, con una buona applicazione commerciale, e buoni rendimenti di conversione. I sistemi che utilizzano l energia del vento vengono de niti Sistemi Eolici, ed in particolare si riscontrano tre con gurazioni tipo: Sistemi eolici di pompaggio meccanico; Sistemi eolici di pompaggio elettrico; Sistemi eolici elettrici. Sistemi eolici di pompaggio meccanico Sono sistemi che utilizzano l energia del vento per convertirla direttamente in energia meccanica disponibile all asse di una pompa. Questa tecnologia appare interessante specialmente in quelle aree rurali dei Paesi in Via di Sviluppo, dove l approvvigionamento energetico comporta dif coltà e costi eccessivi. Sistemi eolici di pompaggio elettrico Si tratta di sistemi di applicazione dell energia eolica mediante la quale si converte siffatta energia in energia elettrica e con questa si alimenta la pompa. Tale sistema è conveniente poiché l ef cienza complessiva del sistema è sicuramente maggiore rispetto al sistema precedente e nello stesso tempo non si ha bisogno di energia elettrica "pulita". Ciò signi ca che non hanno particolare importanza le variazioni della frequenza elettrica causata dalla velocità non costante del vento. Sistemi eolici elettrici Sistemi con i quali si converte l energia del vento direttamente in

15 Energia eolica e sue applicazioni 15 energia elettrica ottenendo buoni rendimenti di conversione. Tali sistemi rappresentano l applicazione di maggiore spicco della tecnologia eolica. A3. Principali elementi di un aerogeneratore Come abbiamo già accennato, in sintesi i sistemi eolici sono un insieme di elementi tutti concorrenti al raggiungimento di un unico obiettivo quale quello della produzione di energia elettrica. In Figura A1 sono riportati i principali elementi di un sistema eolico ad asse orizzontale. Rotore. L elemento fondamentale di un aerogeneratore è il rotore costituito da un mozzo sul quale sono fissate le pale. Queste sono solitamente realizzate in fibra di vetro o in materiale composito per garantire solidità resistenza e leggerezza. Possono variare da un minimo di 1 (rotori monopala) fino a 20 e più, caratterizzando diversamente le prestazioni della macchina. Infatti all aumentare del numero delle pale, diminuisce il numero di giri del rotore ed aumenta la coppia di spunto. I rotori con molte pale vengono impiegati solitamente per azionare direttamente le macchine operatrici come ad esempio le pompe. Esistono dei rotori nei quali l angolo di inclinazione delle pale è regolabile in modo da controllare la potenza in uscita. Figura A1. Schematizzazione di un aerogeneratore

16 16 Parte A Il rotore, inoltre, può essere ad asse orizzontale o ad asse verticale a seconda della tipologia di turbina eolica, ma di frequente e in maniera più diffusa vengono impiagati gli aerogeneratori ad asse orizzontale. La potenza della macchina eolica è proporzionale al diametro del rotore. All aumentare della potenza, aumentano le dimensioni della macchina ed in relazione a questi due parametri si identificano aerogeneratori di grande taglia, media taglia e piccola taglia (Figura A2). Ad esempio un aerogeneratore di media taglia ( kw di potenza) ha un diametro del rotore di circa 30 m, ed un aerogeneratore di grande taglia (da 1,5 MW) ha un rotore del diametro di circa 60 m. Gondola o navicella. Si tratta sostanzialmente di una cabina all interno della quale sono montati il moltiplicatore di giri, il generatore e i sistemi di controllo. Il moltiplicatore di giri, posizionato tra il rotore e il generatore, riceve il moto dall albero del rotore e lo trasferisce al generatore con un numero di giri adeguato al suo funzionamento. Il generatore ruotando produce energia elettrica. Il sistema di controllo ha il compito sia di gestire automaticamente l aerogeneratore nelle diverse situazioni sia di azionare i dispositivi di sicurezza nei casi di cattivo funzionamento e di velocità del vento elevate. La navicella o gondola è posizionata su una torre (traliccio o struttura tubolare) Figura A2. Classificazione degli aerogeneratori ad asse orizzontale 16

17 Energia eolica e sue applicazioni 17 ed ha la possibilità di ruotare intorno all asse verticale in modo da potersi sempre disporre in modo allineato alla direzione del vento. Per gli aerogeneratori di piccola taglia l allineamento è realizzato tramite una pinna direzionale che fa da timone, mentre per gli aerogeneratori di media e grande taglia questo movimento avviene mediante un dispositivo di orientamento (Sistema di imbardata) costituito da un sensore che rileva la direzione del vento ed aziona un motore che fa ruotare la navicella allineandola alla direzione del vento. A4. Controllo della potenza La potenza disponibile all asse di un aeromotore è funzione della velocità del vento ed aumenta al crescere di questa con legge cubica. Comunque non è economico realizzare delle macchine eoliche di grandi potenze che però utilizzano venti con elevatissime velocità. In Figura A3 è riportato l andamento della potenza prodotta da un aerogeneratore in funzione della velocità del vento. Come si può notare, fino a quando la velocità del vento non raggiunge il valore della velocità di inserimento (cut in) la macchina eolica non è in grado di funzionare, ma da questo punto in poi all aumentare della velocità la potenza aumenta fino a raggiungere il valore nominale a cui corrisponde la velocità nominale. Figura A3. Andamento della potenza in funzione della velocità del vento

18 18 Parte A Da qui in poi per un aerogeneratore ideale la potenza si mantiene costante no a quando la velocità del vento raggiunge il valore corrispondente alla velocità di fuori servizio. È a questo punto che, per evitare danni, l aerogeneratore viene fermato e staccato dalla rete. Nel campo di velocità compreso tra il valore nominale e quello di fuori servizio, la potenza viene controlla nei seguenti modi: Regolazione tramite stallo; Regolazione a passo variabile; Controllo dell imbardata. Nel primo caso si è in presenza di piccole macchine che sono realizzate con delle pale sse montate in modo tale che all aumentare della velocità del vento aumenta la resistenza aerodimanica no al punto in cui la vena uida si stacca dalla super cie delle pale (stallo), provocando una brusca diminuzione della potenza. Questo è un sistema semplice ed economico che però comporta una minore ef cienza, maggiori spinte sulle pale quando sono ferme e la necessità di un motore di avviamento iniziale. Nel secondo caso siamo in presenza di rotori con le pale a passo variabile che controllano la potenza variando l angolo caratteristico della pala. Tale sistema presenta: un maggiore controllo della potenza; maggiore ef cienza; minori spinte sulle pale a rotore fermo; non necessita di motori per l avviamento; maggiori costi rispetto ai precedenti. La regolazione con il controllo dell imbardata viene realizzato facendo ruotare la navicella intorno al proprio asse, mediante lo stesso sistema di allineamento presente nella navicella, in modo da disallineare la macchina eolica rispetto alla direzione del vento creando lo stesso effetto della regolazione del passo A5. Applicazioni dell eolico Attualmente l eolico presenta applicazioni prevalentemente indirizzate alla produzione di energia mediante delle vere e proprie centrali che immettono l energia prodotta in rete. Si tratta sostanzialmente di due tipologie di impianti: le Wind Farm (Figura A4 ) e gli Impianti offshore (Figura A5).

19 Energia eolica e sue applicazioni 19 Figura A4. Wind farm Figura A5. Impianto Offshore

20 20 Parte A Le Wind Farm (fattorie del vento) sono realizzate da un certo numero di aerogeneratori situati in una zona aperta e ventilata che producono e- nergia per tutto l anno. Gli aerogeneratori devono essere distanziati fra di loro di circa 5 10 volte il diametro del rotore per evitare interferenze reciproche, e per tale motivo occupano enormi super ci. Solitamente le Wind Farm sono istallate nei pressi delle linee elettriche di alta tensione per contenere i costi di trasporto dell energia. Gli impianti offshore sono delle Wind Farm realizzate in mare. Sono costituite da un certo numero di aerogeneratori di grande taglia situati nelle zone costiere altamente popolate e con poche disponibilità di territorio. Altre applicazioni dell eolico si riscontrano nell alimentazione di u- tenze isolate o di piccole reti, il pompaggio di acqua, la desalinizzazione, ecc.. Esistono però applicazioni di aerogeneratori che compensano l irregolarità del vento mediante sistemi di accumulo e/o di compensazione. Sono sistemi che in presenza di vento producono energia in quantità superiore alla richiesta in modo da fornire energia agli accumulatori. In assenza di vento l utenza preleva energia da questi ultimi. Per lunghi periodi di autonomia vengono soventemente impiegati motori diesel. A6. Il Sito La scelta del sito è il primo elemento da analizzare per la realizzazione di un impianto eolico. La sua individuazione deve essere condotta in modo accurato, ed infatti è necessario effettuare una serie di indagini anemologiche (misura della velocità del vento, della direzione, della durata). Solo la successiva elaborazione statistica dei dati raccolti permette una attenta valutazione del sito. Poiché in fase iniziale queste informazioni non si conoscono, si suole prendere in considerazione un sito, per poi sottoporlo a tutte le indagini, solo se questo presenta una velocità media del vento pari a 5 6 m/s. Oltre alla de nizione delle caratteristiche di ventosità del sito è necessario analizzare vincoli di diversa natura come: densità abitativa, caratteristiche paesaggistiche, accessibilità al sito, vincoli militari ecc.. Tali vincoli a volte fanno escludere località che presentano buone caratteristiche di ventosità. Per l Italia, data la sua particolare orogra a e la situazione anemologica, risulta più conveniente e più facile installare macchine di media piccola taglia che presentano minori vincoli ambientali e velocità di spunto più basse. In Figura A6 sono riportate le fasce di vento caratteristiche per l Italia.