LA RISORSA EOLICA
VANTAGGI ENERGIA RINNOVABILE: utilizzo nel lungo tempo inesauribile e gratuito ENERGIA PULITA : riduzione emissioni di anidride carbonica responsabile dell effetto serra CONVERSIONE DIRETTA in energia meccanica COSTO LIMITATO in rapporto agli altri tipi di energia rinnovabile
SVANTAGGI IRREGOLARITA : la fornitura dell energia che è possibile sfruttare non è costante nel tempo LIMITATA DENSITA ENERGETICA: il suo sfruttamento necessita impianti ingombranti (Aerogeneratori) RISORSA LOCALIZZATA: la sua potenza non è sfruttabile in ogni dove ma in ben determinati siti
IL VENTO E L ENERGIA EOLICA ENERGIA SOLARE ENERGIA EOLICA L energia del vento è legata direttamente all energia solare. Infatti essa è in pratica dovuto al riscaldamento non uniforme della superficie terrestre da parte del sole. Quanto vale l energia che il sole invia sulle terra? C s = 1365 W/m 2 L energia che il sole invia sulla terra è stimabile tramite la costante solare che esprime la potenza per unità di superficie incidente su una superficie disposta fuori dall atmosfera e normale ai raggi solari
La potenza intercettata dalla superficie terrestre è quella incidente su una superficie circolare di raggio pari a quello terrestre (6370 Km) P sole =π R 2 T C s =1,74 10 17 W L energia annua varrà: E sole, annua = Psole 24 365 3600= 5,5 10 24 J / anno Tale valore di energia è addirittura 13.000 volte superiore all attuale consumo globale di energia
Tuttavia la costante C s non esprime realmente la potenza solare incidente sulla terra. Infatti in considerazione della rotazione della Terra intorno al proprio asse e del rapporto fra la superficie terrestre e la superficie del disco che effettivamente intercetta l energia solare (tale rapporto fra le superfici è pari a 4), la potenza solare media per unità di superficie terrestre è pari al 25% della costante solare, ovvero circa 342 W/m 2. P REALE INCIDENTE = 342 W/m2
- Bilancio energetico semplificato della Terra -
La potenza solare che giunge al suolo è stimata pari circa 50000 TW, quindi circa 3800 volte consumi mondiali di energia. Dell energia inviata dal Sole sulla Terra, una frazione pari circa lo 0,2% viene convertita in energia meccanica del vento e delle correnti marine. In sintesi, pertanto, l energia solare convertita in energia cinetica dell aria (vento) e dell acqua (correnti marine) può essere stimata pari a circa 350-400 TW (corrispondenti a circa 260-300 miliardi di tep/anno).
Come si origina il Vento? FORMAZIONE DEL VENTO LA RISORSA EOLICA L irraggiamento intenso di un area della terra provoca un forte riscaldamento della massa d aria sovrastante il terreno. Quest ultima si dilata, diventa più leggera e tende a salire verso l alto creando una forte depressione (zona di bassa pressione). Questa depressione viene colmata da aria più fredda proveniente da zone limitrofe (zone di alta pressione). Lo spostamento di queste masse d aria sono all origine del vento. L intensità del vento, ovvero la sua velocità, è proporzionale al gradiente di pressione esistente tra le due zone; E tanto più alta è la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d aria, tanto più forte sarà il vento.
L intensità dei venti è misurata con la classificazione proposta dall ammiraglio inglese Beaufort nel 1805
Dove avviene la circolazione dei venti? LA RISORSA EOLICA La circolazione dei venti avviene esclusivamente nelle Troposfera, vale a dire lo strato dell atmosfera fino a 9-17 Km di altezza. VENTI Scala globale: VENTI GEOSTROFICI a circa 10 km di altezza. Influenza del gradiente di Pressione e della Forza di Coriolis Scala locale: VENTI LOCALI. Influenza delle caratteristiche orografiche locali (presenza di rilievi montani, collinari o superfici marine) VENTI DI SUPERFICIE al di sotto dello Strato Limite Atmosferico (ABL). Influenza dell attrito con la superficie terrestre ( Rugosità del terreno)
I VENTI SU SCALA PLANETARIA LA RISORSA EOLICA Al di sopra dell ABL, il sistema dei venti è tutto sommato prevedibile poiché è a grandi linee guidato da 2 fattori: Il riscaldamento della superficie terrestre causato dalla radiazione solare che crea un certo Gradiente di Pressione. la forza di Coriolis Effetto della FORZA DI CORIOLIS
LA FORZA DI CORIOLIS La Forza di Coriolis è una forza dovuta alla rotazione terrestre. Essa agisce perpendicolarmente alla direzione del moto verso destra nell Emisfero Nord, verso sinistra nell Emisfero Sud. Inoltre è molto più forte ai poli dove è maggiore l accelerazione Essa influenza ad esempio le traiettorie degli aerei e delle correnti marine, ed anche la circolazione dei venti.
In sostanza la forza fa sì che il movimento delle masse d aria da zone di alta a zone di bassa pressione non avvenga solo dall equatore ai Poli ma subisca una deviazione. Tale deviazione è: da Ovest verso Est nell Emisfero Nord da Est verso Ovest nell Emisfero Sud Inoltre regola il senso di circolazione attorno ai centri di pressione. Nell'emisfero Nord, il vento spira in senso orario attorno alle zone di alta pressione (circolazione anticiclonica: dall'alta alla bassa pressione deviando verso destra), in senso antiorario attorno alle zone di bassa pressione (circolazione ciclonica: verso la bassa pressione deviando verso destra).
Circolazione dei venti a Livello Planetario con le celle di circolazione e le direzioni prevalenti dei venti
I venti su scala locale LA RISORSA EOLICA I venti LOCALI giocano un ruolo molto importante nella determinazione dei venti dominanti in un sito. Essi sono influenzati dalle caratteristiche orografiche di una zona, in particolare dalla presenza di mari e di catene montuose. In particolare troviamo: Brezze Costiere Brezze Montane
BREZZE DI MARE E DI TERRA Brezza di Mare Grazie alla sua maggiore inerzia termica, il mare si scalda più lentamente della terra di giorno e si crea una forte differenza di temperatura tra le masse d aria. L aria sovrastante la terra calda e più leggera sale lasciando posto a quella fredda che staziona sopra il mare. Si crea così un movimento convettivo dal mare verso la terra, la cosìdetta Brezza di Mare.
Di notte succede praticamente il contrario d il processo si inverte; il mare si raffredda più lentamente della terra e si crea un movimento convettivo dalla terra verso il mare, chiamata appunto Brezza di terra. Brezza di Terra
BREZZE DI MONTE E DI VALLE In montagna la differenza di riscaldamento giornaliero tra fondovalle, pendii e pianure adiacenti crea un doppio sistema di circolazione. Di giorno, il riscaldamento maggiore delle pianure crea una brezza dalla pianura verso le montagne Brezze di valle
Di notte le montagne si raffreddano più lentamente delle vallate; l aria fredda tende a scivolare verso valle La brezza che si viene a creare spira dunque da monte verso valle. Brezze di monte
Analogo effetto si ha tra i fondovalli ed i pendii. Di giorno a causa del riscaldamento dei fianchi disposti a Sud (A nord nell emisfero australe) si creano correnti d aria verso le creste (Venti Anabatici). Di notte la brezza inverte la sua direzione (Venti Catabatici) Brezze di Pendio Le Brezze di Pendio hanno generalmente intensità inferiori a quelle di monte e di valle
I VENTI DI SUPERFICIE Al di sotto dello Strato limite, il vento comincia ad avvertire la presenza della superficie terrestre e subisce una diminuzione d intensità. Nella zona si verifica un gradiente di velocità: il vento si annulla in superficie e riprende la sua velocità media indisturbata ad un altezza funzione del tipo di superficie. Lo strato atmosferico considerato (fino a 100 m dal suolo) è la zona d interesse per la produzione di energia eolica.
ABL Strato Limite Ambientale u=u La velocità può essere descritta da una legge di tipo logaritmico. Essa rappresenta bene il profilo del vento in prossimità del terreno, nei primi 100 metri dello ABL u( z) = u k * ln Legge Logaritmica z z 0
u* è la Shear Velocity (Velocità d attrito) dovuta alle forze viscose k è la Costante di Von Karman = 0,4 z 0 è l altezza di rugosità, rappresentata come la dimensione media dei vortici causati dalle irregolarità del terreno; in pratica è la quota in cui si registra velocità nulla ed inizia il profilo di velocità Categorie di terreno I. Mare aperto, laghi con almeno 5 km di estensione sopravvento e campagna senza ostacoli. II. Terreno agricolo con recinzioni, piccole fattorie, case o alberi. III. Aree suburbane o industriali o foreste permanenti. IV. Area urbana in cui almeno il 15% della superficie sia coperta da edifici la cui altezza media superi i 15 m. z 0 [m] 0.01 0.05 0.3 1 α 0.12 0.16 0.22 0.30
Legge di Potenza (Power Law) Conoscendo una velocità di riferimento u 1 ad un altezza z 1, è possibile calcolarsi il profilo con la legge di potenza u = u 1 z z 1 α a è un parametro che dipende dalla classe di rugosità del suolo Valore di a al variare della rugosità del suolo La legge di potenza è la relazione teoricosperimentale più utilizzata per la sua semplicità. Tuttavia essa va presa con le pinze per la sua inesattezza negli strati bassi.
SCELTA DEL SITO: INFLUENZA DELL OROGRAFIA La collocazione degli aerogeneratori deve essere fatta tenendo conto dell influenza dell orografia locale del sito prescelto SPEED-UP EFFECT Sulla sommità delle colline la velocità risulta maggiore che nelle vallate
SCELTA DEL SITO: INFLUENZA DELL OROGRAFIA Tunnel Effect Un altro effetto vantaggioso dell orografia si ha nel posizionamento delle macchine tra due pendii. Anche in questo caso si verifica un notevole aumento d intensità del vento (Speed-up effect)
Nella scelta del sito occorre dunque considerare diversi fattori venuti fuori nel nostro studio: Direzione dei venti dominanti LA RISORSA EOLICA Caratteristiche dell orografia locale Rugosità del terreno nel sito scelto