Via col vento: prospettive per l’eolico

Via col vento: prospettive per l’eolico

Ing. Lorenzo Ferrari

[email protected]

23 novembre 2011

Polo Scientifico di Sesto Fiorentino

Giornata di studio e divulgazione sull’energia

Lorenzo Ferrari – [email protected]

Energie rinnovabili a confronto

23 novembre 2011

Dipartimento di Energetica “Sergio Stecco”

Energia dal vento?

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Mulino persiano (2000 a.C.)



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… trovate l’intruso

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Ram air turbine

Ram air turbine



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Quanta ce n’è?

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Diffusione attuale

Mix di produzione dell’EE nel mondo Mix di produzione dell’EE in Italia

Fonte: IEA – Dati 2008

• Consumo di energia elettrica nel mondo pari a 20.260.838 GWh• Consumo di energia elettrica in Italia pari a 359.165 GWh



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Via col vento …

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Zitto e rema!

C’è niente di più

affidabile dell’energia

eolica?



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… che aria tira?

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Il sole è il motore alla base del vento:

• Il movimento delle masse d’aria è generato dalle differenze di temperatura della superficie terrestre



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… che aria tira?

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Dato che la terra ruota intorno al proprio asse, il moto apparente delle masse d’aria dai poli all’equatore subisce una deviazione verso destra nell’emisfero nord, verso sinistra nell’emisfero sud.

Venti geostrofici

Questi dipendono prevalentemente dalle differenze di temperatura e di pressione e non sono molto influenzate dalla superficie terrestre (h > 1000 m).

Le celle si frammentanoe si crea un sistemacomplesso di sottocelle



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… volando basso …

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Avvicinandosi al suolo entrano in gioco altri fattori, che possono essere predominanti:• Brezze locali



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Avvicinandosi al suolo entrano in gioco altri fattori, che possono essere predominanti:• Brezze locali • Rugosità superficiale



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Avvicinandosi al suolo entrano in gioco altri fattori, che possono essere predominanti:• Brezze locali • Rugosità superficiale• Orografia



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Avvicinandosi al suolo entrano in gioco altri fattori, che possono essere predominanti:• Brezze locali • Rugosità superficiale• Orografia• Ostacoli



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Veloce come il vento

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Caratteristiche del vento al suolo molto complesse, con dipendenza stagionale e caratteristiche molto variabili nel tempo.

• Dipendenza della direzione• Le brezze sono più frequenti dei venti forti



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Energia dal vento

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• L’energia disponibile nel vento è legata al cubo della sua velocità ed all’area considerata• Conversione dell’energia contenuta nel vento in energia meccanica (e poi elettrica) utilizzando

elementi aerodinamici (turbine eoliche)• Esistono dei limiti fisici alla massima energia estraibile (circa il 59%)

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1AUP



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Per averne di più?

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• Per aumentare l’energia prodotta, oltre ad aumentare l’area di captazione, si cerca di avere elevate velocità del vento sul rotore:

• Quote sempre maggiori con basse rugosità superficiali

• Siti privi di ostacoli o scie e ben esposti ai venti (crinali, valli, zone aperte)

• … off-shore?



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La più grande

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• Potenza nominale: 7500 kW • Diametro del rotore: 127 m • Area spazzata: 12668 m²• Quota della navicella: 135 m • Velocità di rotazione: variabile, 5 – 11.7 rpm• Velocità di avvio: 3 m/s• Velocità di taglio: 28 – 34 m/s• Regolazione del pitch indipendente per ogni pala

Enercon E126



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Eolico off-shore

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• Rugosità superficiale bassissima (ma variabile con il vento). Profilo di velocità che varia poco con la quota: possibilità di usare torri di altezza limitata (0.75 D)

• Bassa intensità di turbolenza e quindi maggiore aspettativa di vita• Costi di installazione superiori a quelli on-shore che aumentano con la profondità (1800€/kW

a 10-20m; 2540€/kW a 40-50m)• In fase di studio l’installazione galleggiante per alte profondità (Prototipo da 80kW installato a

20 km dalle coste di Brindisi nel 2008 da Blue H, profondità 108m)



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Potenza installata mondiale

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(fonte: ENEA)



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La top ten

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Porzione della domanda EE

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(fonte ENEA 2008)

• Complessivamente in Europa la porzione è il 3.5%, 118.734 GWh su 3.373.072 GWh• Potenza installata in Europa: 64.935 MW (EU-27 dati IEA – 2008)



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• … il dato importante non è la potenza installata, ma l’energia prodotta.

• Questa dipende dalla taglia, quindi si usa la Producibilità (espressa in ore):

– Rapporto fra energia prodotta in un anno e la potenza installata.

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Attenzione!

(fonte: Con tutta l’energia possibile – Maugeri)



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… ed in Italia?

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… qual buon vento?

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Producibilità in Italia

• Velocità medie abbastanza basse, spesso sotto la soglia di inserzione• 12% di fermo macchine per indisponibilità di rete per problemi di bilanciamento• Producibilità media circa 1300 h/anno

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Carta di identità dell’eolico• Stato di avanzamento della tecnologia

– Tecnologia matura e ben consolidata• Affidabilità

– Carattere intermittente ed aleatorio• Costi di installazione

– Contenuti, circa 800-1100€/kW• Costo del kWh prodotto

– Basso rispetto alle altre ER, ma dal 50 al 100% in più di quello da fonte fossile

• Densità di potenza– 200-300 W/m2 riferita al rotore (le scie ?)

• EROEI (energy returned on energy investment)– 6-80 (Fotovoltaico: 3.7-12; Hydro: 43-205)

• Taglia massima commerciale– 7.5 MW con diametri di circa 130 m

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“Questo è stato il progetto più redditizio. Quando abbiamo scavato le fondamenta della turbina abbiamo trovato il petrolio.”



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Carta di identità dell’eolico• Producibilità

– 1500-2500 ore su 8760 annuali (anche a causa di problemi di bilanciamento della rete)

• Potenzialità– Potenziale ancora disponibile; i siti più semplici

già sfruttati. Attesi 1.500 GW nel 2020.• Indotto

– 550.000 persone (2009), raddoppio nel 2013• Segni particolari

– Non tutto il vento è sfruttabile: limiti di avvio e velocità massima della turbina

– Limiti legati all’allacciamento elettrico che incide sulla convenienza dell’installazione

– Impatto ambientale rilevante (visivo, acustica, elettromagnetico)

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Mini e Microeolico

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• Con minieolico si intendono impianti con potenza inferiore ai 100kW, microeolico sotto i 20 kW

• Recente nell’ambito di un crescente interesse verso la generazione diffusa:

– Gran Bretagna: 100 GWh /anno; 30.000 unità (BWEA)

– USA: prevista l’installazione complessiva di1700 MW nel 2013

• Geometrie accattivanti (asse verticale – asse orizzontale) che ben si prestano ad essere inseriti in nuovi contesti:

– edifici, cavalcavia, altri installazioni urbane, etc

– Impatti visivi ed acustici ridotti

“Come impegno verso l’ambiente è già dotata della propria turbina eolica.”



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Mini e Microeolico

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• Aspetti critici:

• Basse quote di installazione

• Ambienti con elevate rugosità

• Presenza di ostacoli

• Costi al kW installato elevati (mediamente 4000 €/kW)

• Attività di ricerca:

• Macchine ottimizzate per lavorare a basse velocità del vento (start-up)

• Produzione a costi ridotti

• Grosse attenzioni alle condizioni del sito di installazione

“La turbina eolica produce sufficiente energia per far funzionare la telecamera a circuito chiuso”



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Esempi

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• Interessanti prospettive grazie alla sua elevata producibilità in confronto alle altre energie rinnovabili che permetterebbe di raggiungere bassi costi del kWh anche in assenza di incentivazione

• Coefficiente di utilizzazione medio intorno al 18-19% a causa delle velocità sempre inferiori a quelle nominali dell’aerogeneratore (15-16 m/s)

• Possibili sviluppi delle caratteristiche aerodinamiche delle macchine al fine di incrementare la potenza prodotta alle basse velocità del vento.

• Spazio per nuove installazioni, ma i posti “migliori” sono già stati occupati …• Ventosità più alte• Facilità di accesso (infrastrutture necessarie per l’installazione e manutenzione)• Connessione alla rete elettrica

• … non basta installare nuove macchine ci vuole un’adeguata ricettività della rete• Interessanti sviluppi nel campo del mini e microeolico con nuovi contesti di installazione,

geometrie accattivanti e bassi impatti visivi ed acustici

… con il vento in poppa!

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Fonte eolica

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Vento in Toscana

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Produzione di EE da fonte eolica

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(fonte: Con tutta l’energia possibile – Maugeri)

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