4/10 - wind energy - fundamentals of energy technology (italian)

SEMINARIO DI ENERGETICAdott . R iccardo Mais tre l loITIS G. Marconi (Verona)

merco l ed ì 21 marzo 2012 , au l a 110

Lezione nr. 3ENERGIA DAL VENTO

Seminario di Energetica – ITIS G. Marconi (VR) – dott. Riccardo Maistrello

Cenni storici

E’ da almeno 3000 anni che l’uomo sfrutta l’energia posseduta dal vento.

Fino al XX sec. questa veniva utilizzata per azionare pompe idrauliche e macine.

Agli inizi della moderna era industriale si perse interesse per l’intermittente e scostante energia del vento, preferendole motori azionati da combustibili fossili o, più recentemente, da energia elettrica.


Cenni storici

Negli anni ‘70, con il prezzo del greggio alle stelle, l’interesse per le fonti rinnovabili riemerge.

Ma c’è una novità: l’interesse e’ ora rivolto alla generazione elettrica e non più agli impieghi “meccanici” dell’energia del vento. Il consumo energetico si fa più raffinato e l’attenzione si rivolge a fonti e vettori più pregiati.

Negli anni ‘90 l’eolico è il grande protagonista della riscossa delle rinnovabili e nell’ultimo decennio del XXI sec. la potenza installata raddoppia ogni 3 anni.Seminario di Energetica – ITIS G. Marconi (VR) – dott. Riccardo Maistrello

Cenni storici

Oggi (2011) l’elettricità da eolico ha costi di generazione sui 5-7 c€/kWh (Nord Europa) e sugli 8-9 c€/kWh (Italia), un valore molto vicino a quello della generazione termoelettrica tradizionale (4-6 c€).

In Italia la potenza installata è cresciuta da 1 GW (Gen/2008) a 4,85 GW (Dic/2009) per arrivare a 5,8 GW nel 2010.

Dopo il boom 2008-2009, la diffusione di nuovi impianti eolici sta rallentando in Italia, anche a causa della corsa agli investimenti sul solare e, in particolare, al fotovoltaico.


Origine del vento

Il riscaldamento della Terra da parte del sole avviene disomogeneamente, e produce gradienti di temperatura tra zone differenti del pianeta.

I venti sono masse d’aria che si spostando dalle zone ad Alta Pressione verso zone a pressione più bassa (configurazione di minima energia).

A complicare il tutto, la forza di Coriolis (causata dalla rotazione terrestre) devia il moto delle correnti.(questo a livello globale)


Celle climatiche e venti


Potenza del vento

A livello locale ostacoli come colline, montagne ed edifici o la presenza di città, fiumi, laghi e mari influenzano la dinamica del moto dei venti e ne modificano le traiettore e le caratteristiche termodinamiche.

In condizioni normali l’aria contiene approssimativamente 78,08% di azoto (N2), 20,94% di ossigeno (O2), 0,93% di argon (Ar), 0,04% di biossido di carbonio (CO2) e tracce di altri gas.

In prima approssimazione, trattando l’aria come un gas perfetto valgono le leggi di Boyle e Gay-Lussac.

Fluido perfetto -> densità costante, viscosità nulla


Potenza del vento

Legge di BoyleSe la temperatura e’ costantev * p= cost.

Leggi di Gay-LussacA pressione costanteV = V(0) + (1 + ∂ Tc)A volume costantep = p(0) + (1 + ∂ Tc)

Equazione dei gas idealip * v = n R T

v = volumep = pressioneTc = temperatura in CelsiusT = temperatura in Kelvinn = numero di moli R = costante universale


Potenza del vento

Si stima che il sole invii alla Terra ogni anno (per irraggiamento) circa 130’000 Gtep, di cui il 25/35-per-mille è convertito in energia cinetica del vento (2-300 Gtep/anno). (tep = tonnellata equivalente di petrolio → toe = ton of oil equivalent)

quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ

Consumo mondiale annuo di energia (stime) ≈ 10 Gtep

Se riuscissimo ad utilizzare l’1-per-mille dell’energia che il sole invia alla Terra ogni anno avremmo energia per 10 anni per tutte le nazioni di tutto il mondo…


Potenza del vento

Potenza cinetica di una vena fluida di vento(calcoli e definizioni alla lavagna)

La teoria di Betz (anni ‘20) individua la quota di potenza massima estraibile (sottraibile) dal vento in 16/27 ovvero ≈ 59%

Attenzione alle unità di misura:• Potenza [W];• Velocità [m/s] → [m2/s2]• Densità [kg/m3]• Area rotore [m2].


Tubo di flusso (tdf):• non c’è scambio di energia o massa attraverso i bordi;• portata massica costante: i [kg/s] che entrano sono gli stessi che escono in ogni momento;• il flusso è laminare, non ci sono turbolenze.

Portata di massa (m’):

m’ = Δm / Δt [kg/s] = [kg] / [s]


Potenza del vento

L’aria contenuta nel tubo di flusso incontra l’ostacolo costituito dal rotore di un aerogeneratore; via via che si avvicina alle pale del rotore, l’aria del tubo di flusso viene progressivamente rallentata; la pressione, invece, aumenta.(in base al principio di conservazione dell’energia, l’energia cinetica persa nel rallentamento dell’aria diventa energia di pressione – trinomio di Bernoulli)

Al passaggio attraverso il rotore, l’aria gli cede energia. Nell’ipotesi che il rotore sia di spessore infinitesimo ( 0), la pressione cala bruscamente a gradino. (l’aria cede definitivamente energia alla macchina nel passaggio attraverso il disco attuatore, l’energia di pressione si trasforma in energia meccanica trasferita alle pale, che ruotano)

E’ proprio grazie al “salto”Δp di pressione che sul rotore viene esercitata una forza e trasferita potenza.


Potenza del vento

Grandezze caratteristiche di una macchina eolica sono: Fattore di interferenza (descrive l’interferenza delle pale, indica

quanto queste frenano il vento ed è intuitivo capire che più il vento viene frenato dalle pale, più queste gli sottraggono energia)

dP(a)/da = 0 a = 1; a = 1/3

a = 1 non ha senso poichè sarebbe Vr = 0 ovvero l’aria dovrebbe fermarsi in prossimità del rotore (paradosso fisico)

a = 1/3 (interferenza ottimale) invece ha senso, ed è il valore di a che dà la massima estrazione di potenza

Attenzione: a è adimensionale, non ha cioè unità di misura, essendo data dal rapporto tra due velocità: [m/s]/[m/s]


Potenza del vento

Coefficiente di potenza (o prestazione) (Indica quanto buona è la prestazione, in termini di potenza, della nostra macchina, esprimentola in un intervallo 0÷1. Un Cp grande è preferibile ad un Cp piccolo, tenendo sempre presente che Cp è funzione di a e perciò la potenza estratta dipende da quanto le pale riescono ad interferire e rubare energia al vento. Per gli aerogeneratori attuali ad asse orizzontale, tri- o bipala, un normale Cp è compreso tra 0,4 e 0,5.)

Cp = potenza estratta / potenza vento (sono [kW/kW] quindi è un numero, una grandezza adimensionale, non ha UdM [-])

Cp (a=1/3) = 16/27 = limite di Betz (Si dimostra che tale limite non può essere superato, pertanto le macchine che studieremo avranno sempre Cp < 0,6. Se da un esercizio vi risulta un Cp più grande avete fatto un errore di calcolo.)

Attenzione alle unità di misura:• Densità [kg/m3];• Coeff. prestazione [-];• coeff. interf. [-];• Velocità [m/s] → [m3/s3]• Area rotore [m2].


Potenza del vento

Potenza estratta

Dipendenza: Lineare con la densità dell’aria (0.9÷1.4 kg/m3,

dipende da temperatura, pressione atmosferica, umidità nell’aria etc.)

Lineare con Cp (specifica tecnica della macchina) Cubica con la velocità del vento (range tipico 0-25 m/s) Lineare con l’area spazzolata dalle pale

Attenzione alle unità di misura:• Potenza [W];• Densità [kg/m3];• Coeff. prestazione [-];• Velocità [m/s] → [m3/s3]• Area rotore [m2].


Esercizi nr. 1

Una macchina tripala (lunghezza palare = 15 m) è immersa in un vento costante con velocità 20 nodi. È il 3 marzo ed il tempo è mite e soleggiato. Quale sarà la massima potenza che la macchina può estrarre dal vento?


Esercizio nr. 2

In presenza di un aerogeneratore eolico il vento contenuto in un tubo di flusso riduce la propria velocità da v1 = 40 km/h a vr = 32 km/h. Ipotizzando le stesse condizioni climatiche dell’esercizio precedente, e sapendo che il diametro del rotore è di 45 metri, calcolare il coefficiente di prestazione Cp della macchina.

Quindi, aiutandosi con il grafico a destra, ipotizzare la tipologia di macchina oggetto di studio in questo esercizio (ignorando la grandezza sull’asse delle ascisse).

Cp


Esercizio nr. 3 (per casa)


Aerodinamica dell’iterazione vento-pale (cenni)

Il rotore della turbina eolica estrae una parte dell’energia cinetica posseduta dal vento e la impiega per azionare un alternatore.

Solo la massa d’aria che attraversa il disco attuatore (l’area spazzata dalle pale) cede energia al rotore e diminuisce perciò la propria velocità (rallenta).

Fermo restando che l’aria nel tdf rallenta, non è possibile sottrarre energia in maniera brusca attraverso una variazione a gradino della velocità sul disco attuatore (avrei accelerazioni e quindi forze infinite).

L’energia sottratta a gradino è energia di pressione. Infatti l’aria rallenta prima delle pale ma per il principio di conservazione dell’energia, il calo di energia cinetica deve essere compensato da un aumento della pressione dell’aria.

da Bernoulli E(fluido) = Eh + Ek + EpSeminario di Energetica – ITIS G. Marconi (VR) – dott. Riccardo Maistrello


In prossimità del rotore la pressione crolla, c’è uno sbalzo Δp a gradino, e la variazione di energia di pressione del fluido costituisce l’energia ceduta al rotore.

Dopo le pale, ma sempre nel tdf, la pressione – che inizialmente si trova ad un valore inferiore di quella atmosferica – torna ad aumentare sottraendo energia cinetica all’aria (che quindi continua a rallentare).

All’uscita dal tdf la pressione del fluido è nuovamente quella dell’ambiente ma la velocità è molto ridotta.

La variazione di energia totale del fluido è stata trasmessa alla macchina e, a meno delle perdite di conversione, diverrà energia elettrica.


Tipologie di macchine

I convertitori eolici (sistemi che convertono l’energia del vento in energia meccanica e/o elettrica) posso essere di due tipi:

A resistenza: la pala si muove di moto rettilineo nella direzione della velocità del vento u. Il dispositivo attuatore ruota attorno al punto 0 con asse ortogonale al piano del disegno.

La forza F è puramente resistente ed è proporzionale all’energia cinetica (relativa) vista dal profilo.



A portanza: la pala ruota su un piano ortogonale alla velocità del vento, attorno ad un asse parallelo alla velocità del vento.

Si sviluppa sulla pala una forza F che, associata ad un braccio b, crea un momento M che fa ruotare la pala intorno al mozzo.

F è somma di due componenti, una parallela al vento, detta D (drag - attrito), ed una perpendicolare L (lift - spinta).



Si distinguono poi in macchine: Ad asse verticale (bassa velocità di rotazione, coppia

elevata, Cp modesto, funzionano con vento da qualsiasi direzione), poco diffuse ma utili per alcuni utilizzi molto specifici;

Ad asse orizzontale (alte velocità rotazione, Cp elevati, necessità di orientare il disco attuatore, delicatezza della progettazione, costi molto elevati), sono diffuse in tutto il mondo e si utilizzano principalmente per la generazione elettrica.


Componenti di un aerogeneratore

1) Pale2) Rotore3) Pinch4) Freno5) Albero lento6) Moltiplicatore di

giri7) Generatore8) Controllore9) Anemometro10)Direzione vento11)Navicella12)Albero veloce13)Guida navicella14)Motore navicella15)Torre/traliccio16)Trasformatore e

stazione elettrica a terra


Caratteristica della macchina(vedi dispensa)


Parco eolico

• Un parco eolico o wind farm (fattoria del vento) è un insieme di aerogeneratori (torri o pale eoliche) localizzati in un territorio delimitato e interconnessi tra loro, che producono energia elettrica sfruttando la forza del vento. La generazione di energia elettrica varia in funzione del vento e della capacità generativa degli aerogeneratori.

• Per accertare che un sito sia adatto all’installazione di aerogeneratori è necessario procedere alla misurazione della velocità del vento e della direzione, in modo costante (anche ogni minuto) e per un periodo di almeno un anno (minimo!).

• È fondamentale inoltre acquisire il maggior numero di dati meteorologici disponibili, anche dalle stazione vicine.


Parco eolico

Nella realizzazione di un parco eolico occorre tenere in considerazione questi effetti:

• Rugosità del terreno: meno piano e senza ostacoli è il terreno, più il vento è frenato e meno energia dà alla turbina (classi di rugosità).

• Effetto collina: colline morbide, con pendici poco ripide, sono ottimi corridoi per accelerare il vento verso la sommità (dove posso installare gli aerogeneratori).

• Ostacoli: hanno un impatto enorme sul vento e vanno opportunamente rimossi o considerati nei calcoli.

• In un parco eolico (molte turbine) ogni aerogeneratore interferisce con gli altri (sono ostacoli enormi): vanno rispettate opportune geometrie.


Effetto di un ostacolo sul vento

esame!


esame!

Effetto collina


Layout di un parco eolico

esame!


Anemometri

• 3-4 coppiglie di uguale geometria• Asse rotante centrale• Drag device (disp. a resistenza)• Accelerazione rapida con l’aumento del vento,

decelerazione lenta con la scomparsa del vento (inerzia delle parti rotanti)

• Non adatto a misurare raffiche e turbolenze• Siccome l’attrito (Cd) dipende dalla densità dell’aria, al variare di questa varia l’accuratezza dello strumento

• il vento è misurato attraverso la variazione di velocità di un’onda sonica (suono = vibrazione nell’aria)• il segnale acustico viaggia da un emettitore al suo ricettore, rallentato o accelerato dal vento• ottimo per misurare venti tra 0 e 65 m/s ma molto costoso• necessitano di manutenzione (polvere, escrementi di uccelli etc.) possono causare il fuori servizio dello strumento


Stazioni anemometricheItaliaSe

min

ario

di E

nerg

etic

a –

ITIS

G. M

arco

ni (V

R) –

dot

t. R

icca

rdo

Mai

stre

llo

• L’Italia può contare, specie nelle zone mediterranee meridionali e nelle isole, su venti di buona intensità, quali il maestrale, la tramontana, lo scirocco e il libeccio; la producibilità (numero di ore equivalenti di funzionamento alla potenza nominale dell’aerogeneratore) supera però le 2’000 ore in poche aree.• il potenziale eolico sfruttabile al 2020 è pari a circa 12.000 MW (terraferma + offshore), con una produzione di energia elettrica di circa 22.6 TWh (circa 1’850 h di producibilità media);• le regioni più interessanti sono quelle del Sud, in particolare Campania, Puglia, Molise, Sicilia e Sardegna;• Costo impianto chiavi in mano: 1’000-1’200 €/kW (Europa), 1’500-1’600 (Italia);• Costo annuale di esercizio e manutenzione = 3% Investimento iniziale• In Italia, in un sito con una producibilità annua di 2000 ore equivalenti alla potenza nominale, con tasso di sconto pari al 6% e costo di impianto pari a 1600 €/kW, il costo di produzione dell’energia può essere stimato intorno a 8.5 c€/kWh

Conclusioni


• Occupazione del suolo ed impatto visivo• Rumorosità• Morte dei volatili e modifica delle rotte migratorie

Impatto ambientale


Attualità

Buttati al vento! • Investiamo nell’eolico 3,5 miliardi ma la rete non regge e una pala su cinque deve essere fermata. • Il Gestore ferma le pale ma deve pagare la mancata produzione: è come chiamare un taxi e pagarlo per stare fermo nel parcheggio…

Articolo del numero di Gennaio 2012

-La rete AT (alta tensione > 300 kV) è più sviluppata nell’industrializzato Nord Italia ma la potenza più consistente viene prodotta nel ventoso Sud e nelle Isole. Occorrerebbe costruire nuovi elettrodotti (linee aree AT) ma l’opposizione di comunità locali e ambientalisti è troppo forte, ci vorranno anni/decenni.- Inoltre Terna tratta con diffidenza fonti di energia volatili e variabili come quella del vento più difficili da gestire.


Istruzioni per lo studio personale

Studiare le slide viste in classe;Fare l’esercitazione nr. 3 per la prossima

lezione;Leggere con attenzione la dispensa

sull’energia eolica.

Per ogni dubbio/domanda/segnalazione:[email protected]

Fonti

“L’energia eolica”, prof. G. Zollino, Università di Padova;

“Wind energy systems”, prof. G. Pavesi, Università di Padova.

4/10 - wind energy - fundamentals of energy technology (italian)

Documents

traiettore e

e r c o

r i o d i e n e r g

i s t r e

cenni storici e

energetica itis

marconi vr dott

r c o n i v e r o n