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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA Anno Accademico 2006/2007 ESAME DI PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS Prof. Negrini Francesco IMPIANTI DI PRODUZIONE.

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA Anno Accademico 2006/2007 ESAME DI PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS Prof. Negrini Francesco IMPIANTI DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA MEDIANTE GENERATORI EOLICI E MICRO-EOLICI

2 Lo scenario energetico Oltre l80% dellenergia utilizzata nel mondo viene prodotta bruciando combustibili fossili, quali petrolio, carbone e metano. È ormai accertato che proprio negli impianti in cui si utilizzano combustibili fossili si generano quei gas inquinanti che, una volta immessi nellatmosfera, danneggiano lambiente.

3 Uno sviluppo sostenibile Per fronteggiare i diversi problemi ambientali è necessario adottare un modello di sviluppo sostenibile per conciliare la crescente domanda di energia, e quindi il crescente consumo di combustibili fossili, con la salvaguardia dellambiente. Lunica soluzione possibile è comunque la DECARBONIZZAZIONE DELLENERGIA

4 IMPEGNO ALLA DECARBONIZZAZIONE luso più esteso delle FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI, in quanto sono in grado di garantire un impatto ambientale più contenuto di quello prodotto dalle fonti fossili. Tra le fonti rinnovabili, limpiego dellenergia eolica per la produzione di energia elettrica è ormai una realtà consolidata, e rappresenta un caso di successo tra le nuove fonti rinnovabili.

5 Le fonti rinnovabili di energia Le fonti rinnovabili di energia sono quelle fonti che, a differenza dei combustibili fossili e nucleari destinati ad esaurirsi in un tempo definito, possono essere considerate inesauribili. Sono fonti rinnovabili di energia lenergia solare e quelle che da essa derivano: lenergia idraulica, lenergia idraulica, del vento, del vento, delle biomasse, delle biomasse, delle onde e delle correnti, delle onde e delle correnti, lenergia geotermica, lenergia geotermica, lenergia dissipata sulle coste dalle maree, lenergia dissipata sulle coste dalle maree, i rifiuti industriali e urbani. i rifiuti industriali e urbani. Con opportune tecnologie è possibile convertire queste fonti in energia termica, elettrica, meccanica o chimica.

6 Le caratteristiche delle fonti rinnovabili VANTAGGI Rinnovamento della disponibilità in tempi brevi Rinnovamento della disponibilità in tempi brevi Inquinamento ambientale trascurabile Inquinamento ambientale trascurabile non provoca effetti irreversibili sullambiente e il ripristino delle aree utilizzate non ha costi eccessivi non provoca effetti irreversibili sullambiente e il ripristino delle aree utilizzate non ha costi eccessivi LIMITI Forniscono energia in modo intermittente (soprattutto eolico e solare) Il loro utilizzo può contribuire a ridurre i consumi di combustibile nelle centrali convenzionali, ma non può sostituirle completamente. per produrre quantità significative di energia, spesso è necessario impegnare rilevanti estensioni di territorio

7 La nascita delle fonti rinnovabili Paesi arabi produttori di petrolio aumentarono improvvisamente il suo prezzo + nel mondo della ricerca crebbe la consapevolezza della esauribilità dei combustibili fossili. si diffusero i termini di risorse alternative e rinnovabili: ALTERNATIVE allidea che lenergia potesse prodursi solo facendo bruciare qualcosa RINNOVABILI nel senso che, almeno virtualmente, non si potessero mai esaurire.

8 La situazione oggi Oggi, lutilizzo delle fonti rinnovabili di energia è ormai una realtà consolidata e il loro impiego per la produzione di energia è in continuo aumento. Questo è reso possibile non solo dal continuo sviluppo tecnologico, ma soprattutto perché gli Stati hanno attribuito a tali fonti un ruolo sempre più strategico nelle scelte di politica energetica, sia nel tentativo di ridurre la dipendenza economica e politica dai paesi fornitori di combustibili fossili, sia per far fronte alla loro esauribilità e alle diverse emergenze ambientali.

9 Il contributo delle fonti di energia rinnovabile nel mondo Nel 1996 le fonti rinnovabili hanno contribuito per circa il 17% al soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica mondiale; nellUnione Europea il dato scende a circa il 6%, mentre in Italia se si includono i grandi impianti idroelettrici è di circa il 20%.

10 Il contributo delle fonti rinnovabili in Italia Il fabbisogno energetico nazionale è di circa 173 Mtep/anno. oltre l80% viene soddisfatto con fonti fossili importate. oltre l80% viene soddisfatto con fonti fossili importate. Il contributo delle fonti rinnovabili, se si escludono i grandi impianti idroelettrici, è del 7,4%, pari a circa 12,8 Mtep di cui: Il contributo delle fonti rinnovabili, se si escludono i grandi impianti idroelettrici, è del 7,4%, pari a circa 12,8 Mtep di cui: 9,5 Mtep sono prodotti dai piccoli impianti idroelettrici, 9,5 Mtep sono prodotti dai piccoli impianti idroelettrici, 1 Mtep da impianti geotermici 1 Mtep da impianti geotermici circa 2,15 Mtep dalluso domestico delle biomasse per la produzione di calore circa 2,15 Mtep dalluso domestico delle biomasse per la produzione di calore Rispetto al potenziale sfruttabile e allo stato dellarte a livello internazionale, è ancora trascurabile il ricorso alle altre fonti rinnovabili (solare, eolico, biocombustibili, rifiuti, ecc.).

11 Lenergia eolica Fra le fonti energetiche rinnovabili, il vento è una risorsa disponibile, ecologica e sostenibile. Tra le fonti rinnovabili derivanti dal Sole, lenergia posseduta dal vento è stata la prima ad essere stata utilizzata dalluomo sotto forma di energia meccanica (navigazione ed energia prodotta dai mulini a vento per le applicazioni più svariate, dal pompaggio dellacqua, alla macinazione dei cereali, alla spremitura delle olive, alle industrie manifatturiere) Tra il 1880 e il 1930 nacquero i primi generatori di energia elettrica, con la costruzione nel a Cleveland (Ohio)del primo impianto eolico ad opera dell'americano Charles F.Brush iniziò la produzione di elettricità sfruttando il vento, gli aerogeneratori avevano potenza variabile fra i 3 ed i 30 kW. Successivamente, con la realizzazione di aerogeneratori di potenze crescenti (dai 50 kW ai 4500 kW dei più grandi di oggi) si giunse alla costruzione di macchine tecnologicamente evolute, ad asse orizzontale e basso numero di pale (da 1 a 3) con sezione a profilo alare, ed in alcuni paesi, come la Danimarca, si arrivò a soddisfare una consistente parte del fabbisogno nazionale di energia elettrica.

12 Gli sviluppi più moderni In questi ultimi anni in Europa sono notevolmente aumentati i siti per la produzione di energia elettrica dal vento (Wind Farm), nei luoghi dove le condizioni climatiche, orografiche e ambientali permettono il migliore sfruttamento della risorsa vento. ha contribuito ad affinare le tecnologie ed a ridurre i costi delle attrezzature eoliche: attualmente infatti sono disponibili sul mercato macchine eoliche di tutte le taglie, sicure e tecnologicamente affidabili. La produzione di energia elettrica eolica è normalmente associata allimmagine di grandi di siti con numerose ed enormi macchine sui crinali o in mare aperto: impianti spesso non graditi dalle popolazioni per limpatto visivo sul paesaggio e, quando sono vicini alle abitazioni, per il continuo rumore che provocano. Gli impianti eolici di piccole e piccolissime dimensioni, invece, hanno un impatto visivo ed ambientale sostanzialmente nullo, di poco superiore a quello di unantenna parabolica. Essi possono essere utilizzati, da soli o accoppiati con i pannelli fotovoltaici, per fornire elettricità a zone remote o difficilmente raggiungibili dalla rete elettrica (abitazioni isolate, riserve naturali, stazioni meteo, rifugi alpini, ecc.). Piccoli generatori eolici vengono impiegati anche per alimentare le piccole utenze di bordo delle imbarcazioni da diporto (frigorifero, quadro di controllo, luci, etc.). Collegati alla rete nazionale, infine, possono integrare lenergia occorrente alle infrastrutture turistiche (campeggi, hotel, porti turistici, agriturismi, ecc.) e a tutte le altre utenze situate in zone ventilate. Con i microimpianti eolici cè quindi uno spazio significativo per produrre energia elettrica su piccola scala, in modo sostenibile e compatibile con lambiente.

13 Lorigine del vento Dal sole giungono sulla Terra 1367W/m2 di energia radiativi il flusso totale netto è di MW. Questenorme quantità di energia che si ripartisce fra: aria formazione dei venti acqua correnti marine terra fotosintesi clorofilliana Si stima che circa il 2% dellenergia irradiata dal sole si converta in energia eolica. Al movimento di masse daria generato dalle differenze di pressione viene comunemente dato il nome di vento. I fattori che ne determinano lintensità e la direzione sono molteplici, tuttavia, fra esse prevale certamente la variabilità dellirraggiamento solare: in uno stesso momento, fra le zone equatoriali e quelle polari; in uno stesso luogo, nelle differenti ore della giornata.

14 Le cause 1. variabilità della radiazione solare che genera un gradiente termico: i venti, al livello del suolo, si muovono dalle zone di alta pressione verso le zone di bassa pressione la formazione del vento si può spiegare con laccelerazione subita dalla parte di atmosfera esposta alla radiazione solare, che è contemporanea al rallentamento della restante parte in ombra, e con il movimento di masse daria calda equatoriale che, salite verso le parti alte dellatmosfera, si dirigono verso i poli richiamando altra aria dai tropici. 2. linclinazione dellasse terrestre 3. il moto di rivoluzione attorno al Sole, che spostano stagionalmente le fasce di maggiore insolazione tra i due tropici 4. la disomogeneità della superficie terrestre caratterizzata da aree con differente capacità di assorbimento e cessione del calore (terre, mari, deserti, ghiacciai,...) 5. lorografia dei suoli che modifica la direzione delle masse daria in movimento 6. la forza di Coriolis, dovuta alla rotazione terrestre e che agisce sulle masse in moto relativo rispetto alla Terra, e la variazione della velocità periferica dei punti della Terra a diversa latitudine provocano ulteriori deviazioni che determinano il caratteristico moto a spirale

15 Meccanismo di formazione del vento per differenze di pressione atmosferica Circolazione dei venti dovuta alle fasce di alta e di bassa pressione che si creano alle diverse latitudini terrestri

16 A livello locale i fattori determinanti sono quelli di natura climatica, a cui sono legati lintensità e la frequenza del vento, e quelli derivanti dallorografia e dal tipo di superficie terrestre che può essere più o meno rugosa: si passa da superfici lisce quali ghiaccio, fango, neve, mare, a superfici molto rugose, quali le aree boschive ed urbane. Alla rugosità è legata la forza dattrito che il vento incontra a livello del suolo, in particolare nei primi 100 metri (che sono quelli dinteresse per lo sfruttamento attraverso macchine eoliche). La corrente daria nel vincere tale forza dissipa energia, per cui si instaurano dei gradienti di velocità Andamenti della velocità del vento al variare della quota e della rugosità della superficie terrestre Orografia+ Tipo di superficie Dissipazione di energia Rugosità h è la quota generica, H è la quota a cui la velocità del vento risulta indisturbata, v e V sono le velocità del vento alle quote h e H, α è il coefficiente di rugosità del terreno, Attrito

17 Analisi anemometrica Lenergia eolica disponibile dipende da: velocità del vento (al cubo) velocità del vento (al cubo) sezione di passaggio (ovvero dal quadrato del diametro della turbina) sezione di passaggio (ovvero dal quadrato del diametro della turbina) densità dellaria dalla sua temperatura e dalla sua pressione densità dellaria dalla sua temperatura e dalla sua pressione Le difficoltà che si incontrano nel valutare lenergia disponibile (e di conseguenza quella producibile dalla turbina eolica, una volta che ne siano note le caratteristiche) sono legate alla aleatorietà della sorgente eolica, essendo il vento una grandezza fortemente dipendente dal tempo (con variazioni a livello stagionale, giornaliero ed istantaneo) e dal luogo, con differenze anche sostanziali in relazione alla distanza dal suolo ed alle caratteristiche orografiche del sito.

18 La velocità del vento La velocità istantanea del vento u(t) può essere scomposta in una componente responsabile del trasporto di massa u e in una componente legata ai moti turbolenti u*: Poichè le componenti turbolente nelle tre direzioni spaziali sono per loro natura casuali, il loro valore medio tende ad annullarsi considerando un intervallo temporale sufficientemente elevato. Ai fini della valutazione delle potenzialità energetiche dei siti eolici, viene di solito utilizzata una velocità del vento mediata su intervalli di tempo dellordine di 10 minuti. Per rilevare la velocità del vento si usa uno strumento detto ANEMOMETRO, solitamente del classico tipo a coppa, la cui velocità di rotazione è legata alla velocità del vento.

19 La variabilità nel tempo Le rilevazioni giornaliere evidenziano che, nella maggior parte dei luoghi, il vento ha una maggiore intensità durante il giorno rispetto alla notte; in particolare i maggiori valori si rilevano nelle prime ore del pomeriggio. Le rilevazioni giornaliere evidenziano che, nella maggior parte dei luoghi, il vento ha una maggiore intensità durante il giorno rispetto alla notte; in particolare i maggiori valori si rilevano nelle prime ore del pomeriggio. Le figure evidenziano la differenza di velocità del vento tra il giorno e la notte, nonché quella tra lestate e linverno. Ai fini della produzione di energia elettrica con impianti eolici, la presenza di vento prevalentemente durante il giorno è un aspetto estremamente positivo, dato che anche i consumi di energia seguono tale distribuzione

20 La variabilità con la quota La presenza di ostacoli e di rugosità superficiali determina una progressiva diminuzione (strato limite) della velocità del vento rispetto alla velocità del flusso indisturbato. Landamento della velocità del vento u in funzione della quota z (profilo verticale di velocità, o wind shear) viene solitamente espresso attraverso relazioni del tipo: dove u1 è la velocità del vento misurata alla quota z1 (un valore tipico è 10 m) e α (wind shear exponent) è un parametro che dipende dalla classe di rugosità del suolo e dalle condizioni di stabilità dellaria, ed è generalmente compreso tra 0,1 e 0,4

21 Gli anemometri utilizzati dalle classiche stazioni meteorologiche sono di solito posizionati a 10 m dal suolo, mentre quelli utilizzati per specifiche campagne di misura sui siti eolici sono posizionati a metri. In ogni caso, poiché laltezza dei moderni aerogeneratori è dellordine di m, risulta sempre necessario fare ricorso alla relazione sopra citata, e quindi occorre conoscere lesponente α. Ovviamente tale esponente può essere facilmente determinato sempre attraverso la citata relazione se si dispone di sufficienti misure a due diverse quote, ragion per cui, su una stessa torre, vengono spesso installati due anemometri a diversa altezza (per esempio 15 e 30 m):

22 La variabilità con lorografia Lorografia rappresenta un elemento estremamente rilevante ai fini della valutazione delle potenzialità eoliche di un sito. Infatti, a parità di vento geostrofico, (vento ad alta quota che si suppone non influenzato dallorografia e dalla rugosità del suolo) un suolo liscio determina velocità maggiori al suolo. Inoltre, a causa dellaumento di velocità del vento indotto dalla presenza di rilievi collinari, si preferisce installare le turbine eoliche sulla cresta delle colline piuttosto che nelle vallate. Immediatamente a monte e a valle del rilievo risulta notevolmente inferiore (20-40%) alla velocità del flusso indisturbato. Effetto di un rilievo collinare sul profilo di velocità del vento.

23 La Misura della velocità del vento Ai fini di una corretta valutazione delle potenzialità energetiche di un sito eolico risulta estremamente importante effettuare precise misurazioni della velocità del vento. Infatti, poiché la potenza resa disponibile dal tubo di flusso che investe il rotore di una turbina eolica è proporzionale al cubo della velocità, un errore sulla misura della velocità del 10% comporta un errore sul calcolo della potenza, e quindi dellenergia producibile, del 33%. anemometri con tolleranze di misura inferiori all1-2%. Rilievi Sperimentali: Velocità misurata su intervalli di 10 min Valori Mediati Organizzazione in classi definite dal valore medio +/- 1-2% Istogramma

24 Velocità Media Dalla distribuzione della velocità del vento si può facilmente calcolare la velocità media annua del vento uM, che rappresenta un primo parametro per la valutazione delle potenzialità eoliche di un sito. Essa è infatti la media pesata delle velocità del vento essendo pesi le relative frequenze.

25 Potenza Disponibile La Potenza Disponibile è sempre crescente con la velocità del vento: Densità di potenza in funzione della velocità del vento.

26 Energia Disponibile La corrispondente energia messa a disposizione annualmente dipende dalla distribuzione di frequenza del vento e presenta un andamento prima crescente poi decrescente: Densità di energia in funzione della velocità del vento.

27 Potenza ed Energia Effettiva La potenza PE effettivamente prodotta (in forma meccanica o elettrica) da un convertitore eolico è correlata alla potenza disponibile mediante un coefficiente di potenza CP, che definisce una sorta di rendimento globale di conversione dellenergia eolica in energia meccanica attraverso il relativo aerogeneratore. Lenergia utile EE effettivamente prodotta dal convertitore eolico risulta poi legata, oltre che alla potenza PE, anche al tempo di effettivo utilizzo dellaerogeneratore, e pertanto alla distribuzione di frequenza del vento ed alla disponibilità stessa della turbina eolica, ovvero: Una turbina eolica riesce a convertire annualmente in energia elettrica circa il 20-25% dellenergia globalmente messagli a disposizione dal vento. Le moderne turbine eoliche lavorano in genere per circa ore/anno equivalenti, ovvero una turbina avente una potenza nominale di 1 MW produce annualmente circa MWh/anno di energia elettrica.

28 Energia Utile Lenergia utile prodotta da una turbina eolica dipende: dal sito nel quale è installata dal sito nel quale è installata densità dellaria densità dellaria la pressione la pressione la temperatura ambiente la temperatura ambiente dalla distribuzione di velocità del vento dalla distribuzione di velocità del vento dalla macchina dalla macchina dimensioni dimensioni coefficiente di potenza (varia con la velocità del vento) coefficiente di potenza (varia con la velocità del vento) disponibilità. disponibilità.

29 Massima Energia estraibile dal vento è minore di 1 anche in assenza di qualunque tipo di perdita nel convertitore eolico, essenzialmente perché la velocità del flusso non può essere di fatto completamente azzerata. Schematizzazione del disco attuatore inserito in un tubo di flusso.

30 Dalla Conservazione dellenergia… essendo trascurabile la variazione di quota e di entalpia (la pressione e la temperatura sono di fatto costanti), ed essendo la trasformazione adiabatica, si evidenzia che la potenza meccanica scambiata con lesterno attraverso il disco attuatore dipende soltanto dalla variazione di velocità: per aumentare la potenza scambiata dal disco attuatore occorrerebbe ridurre la velocità u2 rispetto alla velocità u1, con un valore minimo della u2 pari a zero (che corrisponderebbe al massimo di potenza)

31 Dall Equazione di Continuità… Dallequazione di continuità fra le sezioni 1 e 2, si ha: Considerando che la densità ρ nelle diverse sezioni del tubo di flusso risulta sostanzialmente costante, la condizione u2 S1 tubo di flusso con sezione crescente. dalla quale si evince che la condizione u2=0, che da un lato renderebbe massima lenergia specifica estratta dal flusso daria, renderebbe però nulla anche la portata elaborata (da una superficie finita), e di conseguenza la potenza P estratta. dalla quale si evince che la condizione u2=0, che da un lato renderebbe massima lenergia specifica estratta dal flusso daria, renderebbe però nulla anche la portata elaborata (da una superficie finita), e di conseguenza la potenza P estratta. Dovendo pertanto risultare u2>0, la potenza massima ottenibile sarà sicuramente inferiore a quella disponibile ( P 0, la potenza massima ottenibile sarà sicuramente inferiore a quella disponibile ( P

32 Nellattraversare il tratto compreso fra le due sezioni 1 e 2 laria modifica la sua quantità di moto. La variazione della quantità di moto di un fluido risulta pari alla risultante FE delle forze esterne che agiscono sul fluido Per il principio di azione e reazione, la risultante F delle forze che il fluido applica sul disco attuatore è uguale alla FE ma ha segno opposto Tale forza F, che agisce nella direzione del vento, è applicata dal fluido sul disco. Indicata con u la velocità del vento (compresa fra u1 e u2) misurata in corrispondenza del disco, si avrà pertanto una potenza scambiata pari a: Poiché le due espressioni che forniscono la potenza estratta dal disco attuatore non possono che essere uguali, risulterà anche: Ossia la velocità del vento misurata in corrispondenza del disco attuatore è la media fra quella misurata a monte e a valle della turbina. La portata massica che attraversa il disco attuatore (di superficie S) è allora pari a:

33 Il coefficiente Teorico di potenza Il valore teorico del coefficiente di potenza risulta pertanto pari a: Il quale può essere diagrammato in funzione del rapporto cinetico u2/u1, come mostrato nella figura: Coefficiente di potenza teorico in funzione del rapporto cinetico u2/u1

34 CP Massimo Derivando la funzione che esprime landamento del coefficiente di potenza rispetto al rapporto cinetico, ed uguagliando a zero tale derivata si determina il rapporto cinetico u2/u1 che rende massimo tale coefficiente. Nella fattispecie, tale rapporto risulta pari a: Ossia la velocità a valle della turbina deve essere 1/3 di quella a monte (flusso indisturbato). Poiché poi la velocità del vento in corrispondenza del disco è la media fra le velocità nelle due sopraccitate sezioni, questa velocità sarà pari a 2/3 della velocità del vento a monte della turbina. Il valore del coefficiente di potenza ottenuto in tali condizione è infine pari a: Tale coefficiente viene comunemente indicato come limite di Betz, e consente di valutare la massima potenza che può essere estratta da una vena fluida tramite una turbina eolica.

35 Andamento velocità e pressione nel tubo di flusso La velocità del vento diminuisce progressivamente dalla sezione 1 alla sezione 2, a valle della quale essa cresce nuovamente per riportarsi su un valore pari a quello iniziale grazie alla miscelazione con laria circostante dovuta ai moti turbolenti. Il vento riacquista la velocità del flusso iniziale indisturbato solo ad una distanza pari a diversi diametri palari della macchina. È questa la ragione per cui non è conveniente disporre altre macchine entro questa zona del tubo di flusso. La pressione aumenta nel tratto compreso fra la sezione 1 e il disco attuatore a causa della diminuzione di velocità; tra monte e valle del disco, avendosi uno scambio di lavoro, la pressione presenta una discontinuità per poi aumentare ancora a causa della continua diminuzione di velocità.

36 Una volta valutato il valore massimo della potenza estraibile dal vento, occorre individuare la forma più conveniente per il dispositivo di conversione, che fino ad ora è stato rappresentato come un generico disco attuatore. Le prime macchine eoliche erano ad asse verticale e di fatto sfruttavano semplicemente la spinta prodotta dal vento. Alla luce delle attuali conoscenze in campo aerodinamico, si può dimostrare che questo non è il modo migliore per ricavare energia da una vena fluida, ma risulta molto più conveniente utilizzare un profilo alare, ossia sfruttare leffetto della portanza piuttosto che leffetto indotto dalla resistenza. pale realizzate secondo profili alari.

37 La valutazione della produzione annua di energia Dati: distribuzione di frequenza della velocità del vento, valutata allaltezza media del rotore, distribuzione di frequenza della velocità del vento, valutata allaltezza media del rotore, la curva di potenza della macchina. la curva di potenza della macchina. Per ciascuna classe di velocità, il prodotto della potenza prodotta dalla turbina eolica per il corrispondente numero di ore/annue di persistenza di tale velocità del vento fornisce direttamente la produzione netta di energia. La somma delle produzioni energetiche relative a tutte le classi di velocità del vento è pari alla produzione energetica annua totale:

38 Rendimento di schiera Fattore molto rilevante per la valutazione della produzione di energia e della redditività delliniziativa è il cosiddetto rendimento di schiera del parco eolico. Infatti, per effetto del disturbo aerodinamico creato da ciascuna macchina sulle altre, la produzione di energia di una turbina inserita in un gruppo di macchine è minore della produzione energetica della stessa macchina installata in posizione isolata. Al fine di evitare linterferenza fra le macchine, la distanza fra le stesse dovrebbe essere superiore ad almeno volte il diametro palare, cosicché macchine con diametro di 50 metri dovrebbero essere installate a distanze maggiori di 2-3 km luna dallaltra. Allo scopo di ottenere efficienze di schiera superiori a circa il 95%, le turbine debbano essere posizionate a distanze superiori a circa 15 volte il diametro nella direzione del vento e a circa 5 volte il diametro nella direzione trasversale. In linea di massima, il rendimento di schiera di un parco eolico assume valori dellordine del 90-95%.

39 Fattore di disponibilità Un altro parametro da considerare per la produzione di energia è il fattore di disponibilità dellimpianto fDISP che tiene conto del fatto che la macchina, pur avendo vento di sufficiente intensità, può non essere disponibile a cause di stati di fermo per riparazione o manutenzione. La disponibilità di una turbina eolica è valutata in base al rapporto tra le ore di effettivo funzionamento e le ore teoriche di funzionamento considerate in base alla disponibilità di vento con sufficiente velocità e, nelle macchine recenti, assume valori dellordine del 95-98%.

40 Calcolo finale dellenergia Numero di macchine Energia Effettiva singola macchina Rendimento di schiera Variazione di T e p rispetto alle condizioni di riferimento Fattore di disponibiltà Obbiettivo: Ottimizzare il risultato economico derivante dalla realizzazione di un parco eolico RIDUZIONE DEL COSTO DI PRODUZIONE DEL KWh

41 Fattori di progetto La progettazione di una turbina eolica non segue solo i criteri dettati dalle esigenze tecnologiche, ma piuttosto anche quelli legati ad una combinazione di specifiche tecniche ed economiche massimizzare la produzione annua non è lo scopo primario se questo comporta un aumento troppo elevato dei costi di costruzione. Lottimizzazione sito-turbina coinvolge numerose scelte a livello di: taglia della singola macchina taglia della singola macchina numero e disposizione delle turbine, numero e disposizione delle turbine, altezza del mozzo, altezza del mozzo, velocità di rotazione del rotore, velocità di rotazione del rotore, tipo e potenza del generatore elettrico, ecc. tipo e potenza del generatore elettrico, ecc. Installando un generatore di potenza maggiore sulla stessa turbina si raggiunge una maggiore potenza nominale ma in corrispondenza anche di una velocità nominale del vento più grande bisogna tenere conto della distribuzione della velocità del vento, la quale mette in evidenza che al crescere della velocità la frequenza prima cresce ma poi diminuisce. è importante conoscere la distribuzione delle velocità del vento e la rispettiva densità di energia, affinché si possa scegliere una combinazione di ottimo tra la taglia del generatore e del rotore. è importante conoscere la distribuzione delle velocità del vento e la rispettiva densità di energia, affinché si possa scegliere una combinazione di ottimo tra la taglia del generatore e del rotore.

42 Impianto Eolico: Aerogeneratori Un impianto eolico è costituito da uno o più aerogeneratori (Fig. 3.1) posti ad adeguata distanza gli uni dagli altri così da non interferire dal punto di vista aerodinamico Gli aerogeneratori sono collegati, mediante cavi interrati alla rete di trasmissione presso cui viene realizzato il punto di consegna dellenergia.

43 Elementi costitutivi Pale della macchina + Mozzo = Rotore Pale della macchina + Mozzo = Rotore Primo albero - albero lento – collegato al mozzo ruota alla stessa velocità angolare del rotore + moltiplicatore di giri + albero veloce ruota con velocità angolare data dal prodotto di quella del primo albero per il moltiplicatore di giri. Primo albero - albero lento – collegato al mozzo ruota alla stessa velocità angolare del rotore + moltiplicatore di giri + albero veloce ruota con velocità angolare data dal prodotto di quella del primo albero per il moltiplicatore di giri. Sullalbero veloce è poi posizionato un freno, a valle del quale si trova il generatore elettrico, da cui si dipartono i cavi elettrici di potenza. Tutti questi elementi sono ubicati in una cabina detta navicella o gondola la quale a sua volta è posizionata su di un supporto-cuscinetto, orientabile in base alla direzione del vento. La navicella è poi completata da: La navicella è poi completata da: un sistema di controllo di potenza: duplice scopo di regolare la potenza in funzione della velocità del vento istantanea, così da far funzionare la turbina il più possibile vicino alla sua potenza nominale, e di interrompere il funzionamento della macchina in caso di vento eccessivo un sistema di controllo di potenza: duplice scopo di regolare la potenza in funzione della velocità del vento istantanea, così da far funzionare la turbina il più possibile vicino alla sua potenza nominale, e di interrompere il funzionamento della macchina in caso di vento eccessivo da uno di controllo dellimbardata: consiste in un controllo continuo del parallelismo tra lasse della macchina e la direzione del vento. da uno di controllo dellimbardata: consiste in un controllo continuo del parallelismo tra lasse della macchina e la direzione del vento. Lintera navicella è poi posizionata su di una torre che può essere a traliccio o tubolare conica, ancorata al terreno tramite unopportuna fondazione in calcestruzzo armato.

44 Aerogeneratore Laerogeneratore è composto dai seguenti componenti: rotore rotore moltiplicatore di giri moltiplicatore di giri alternatore alternatore sistema di controllo sistema di controllo supporto cuscinetto supporto cuscinetto anemometro anemometro torre torre trasformatore trasformatore

45 Rotore

46 Moltiplicatore di giri

47 Alternatore

48 Sistemi di controllo

49 Anemometro

50 Supporto

51 Trasformatore Il trasformatore è una macchina elettrica statica atta a trasferire, sfruttando il fenomeno dellinduzione elettromagnetica, energia elettrica e corrente alternata da un circuito a un altro modificandone le caratteristiche. Schematicamente un trasformatore è costituito da due avvolgimenti, ciascuno formato da un certo numero di spire di filo di rame avvolte su un nucleo di ferro di elevata permeabilità magnetica, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre laltro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

52 Classificazione delle turbine Dal punto di vista delle tipologie di impiego, le turbine eoliche possono attualmente essere raggruppate in due grandi categorie: le macchine per la produzione di energia elettrica da immettere in rete : sono di solito anche quelle di maggiore potenza (da circa 600 kW fino a circa 2 MW, pur se iniziano ad affacciarsi sul mercato macchine ancora più potenti) e che hanno contribuito maggiormente allo sviluppo del settore eolico a livello mondiale. Il loro impiego prevalente è la realizzazione di impianti a terra o a mare (impianti off-shore), costituiti da più macchine (in genere in Italia) e collegati alla rete di media-alta tensione. le macchine per la produzione di energia elettrica da immettere in rete : sono di solito anche quelle di maggiore potenza (da circa 600 kW fino a circa 2 MW, pur se iniziano ad affacciarsi sul mercato macchine ancora più potenti) e che hanno contribuito maggiormente allo sviluppo del settore eolico a livello mondiale. Il loro impiego prevalente è la realizzazione di impianti a terra o a mare (impianti off-shore), costituiti da più macchine (in genere in Italia) e collegati alla rete di media-alta tensione. le macchine per la produzione di energia per lalimentazione di utenze isolate : sono mediamente più piccole (al massimo kW) ed utilizzate singolarmente in sistemi che prevedono una qualche forma di accumulo energetico (accumulatori elettrici o sistemi idraulici) o lintegrazione con altre fonti primarie di energia (generatori diesel, fotovoltaico) le macchine per la produzione di energia per lalimentazione di utenze isolate : sono mediamente più piccole (al massimo kW) ed utilizzate singolarmente in sistemi che prevedono una qualche forma di accumulo energetico (accumulatori elettrici o sistemi idraulici) o lintegrazione con altre fonti primarie di energia (generatori diesel, fotovoltaico)

53 Classificazione delle macchine In relazione alla tipologia della macchina, le turbine eoliche possono essere classificate in funzione di diversi parametri: In relazione alla tipologia della macchina, le turbine eoliche possono essere classificate in funzione di diversi parametri: Tipo di energia prodotta Tipo di energia prodotta Aeromotori quando la catena cinematica collegata al rotore eolico viene impiegata direttamente per azionare una macchina operatrice, ad esempio una pompa per acqua. Aeromotori quando la catena cinematica collegata al rotore eolico viene impiegata direttamente per azionare una macchina operatrice, ad esempio una pompa per acqua. Aerogeneratori quando azionano invece un generatore elettrico Aerogeneratori quando azionano invece un generatore elettrico Posizione dellasse Posizione dellasse Asse orizzontale (la maggioranza) Asse orizzontale (la maggioranza) Asse verticale Asse verticale Taglia delle macchine Taglia delle macchine Macchine di piccola taglia (minieolico), costituite da turbine con potenza fino a circa 100 kW o diametro del rotore fino a circa 20 metri, Macchine di piccola taglia (minieolico), costituite da turbine con potenza fino a circa 100 kW o diametro del rotore fino a circa 20 metri, Macchine di media taglia, costituite da turbine con potenza fino a circa 800 kW e diametro rotorico fino a circa 50 metri Macchine di media taglia, costituite da turbine con potenza fino a circa 800 kW e diametro rotorico fino a circa 50 metri Macchine di grande taglia, con potenza superiore a circa 800 kW e diametro rotorico superiore a 50 metri. Macchine di grande taglia, con potenza superiore a circa 800 kW e diametro rotorico superiore a 50 metri.

54 Il potenziale eolico 1998 Conferenza Nazionale di Roma su energia e ambiente tracciare le basi per lo sviluppo del settore energetico, per ciascuna fonte per il Obiettivi eolico: MW (pianificazione nazionale) Pianificazione Regionale la nota di maggiore preoccupazione riguarda le connessioni alla rete elettrica, le quali appaiono come il principale collo di bottiglia del sistema. Non essendo avvenuta negli ultimi anni alcuna pianificazione specifica volta alla facilitazione e al supporto del collegamento degli impianti da fonti rinnovabili alla rete, nellimmediato futuro si sconterà questo ritardo con forti limitazioni alla possibilità di connessioni alle reti di trasmissione e distribuzione, specialmente a livello insulare.

55 Energia eolica in Italia Potenza installata a Novembre 2004 Campania286 MW Campania286 MW Puglia 243 MW Puglia 243 MW Sardegna208 MW Sardegna208 MW Sicilia127 MW Sicilia127 MW Abruzzo126 MW Abruzzo126 MW Basilicata 85 MW Basilicata 85 MW Molise35 MW Molise35 MW

56 Velocità media annua del vento Velocità media annua del vento a 50 metri sul livello del terreno (Fonte: Atlante Eolico dellItalia realizzato dal CESI e dallUniversità degli studi di Genova nellambito della Ricerca di Sistema nel settore elettrico) Perché un sito possa essere considerato interessante ai fini eolici occorrono velocità medie annue superiori ai 5 m/s

57 Problemi che rallentano lutilizzo dellenergia eolica Mancanza di capacità di rete in località adatte allo sfruttamento del vento Mancanza di capacità di rete in località adatte allo sfruttamento del vento Incertezze effetti sulla distribuzione della rete Incertezze effetti sulla distribuzione della rete Processo di programmazione e Processo di programmazione e approvazione ritardi amministrativi approvazione ritardi amministrativi Interferenze radio e radar Interferenze radio e radar

58 Priorità di ricerca IEA Wind creare valore aggiunto e ridurre le incertezze creare valore aggiunto e ridurre le incertezze diminuire i costi diminuire i costi consentire l'utilizzo su vasta scala consentire l'utilizzo su vasta scala (integrazione di sistema) ridurre al minimo gli impatti ambientali ridurre al minimo gli impatti ambientali integrare l'energia eolica nei futuri sistemi di approvvigionamento energetico stoccaggio, idrogeno, altre energie rinnovabili) integrare l'energia eolica nei futuri sistemi di approvvigionamento energetico stoccaggio, idrogeno, altre energie rinnovabili)

59 Fasi di realizzazione impianto eolico Scelta del sito (disponibilità dei terreni, verifica delle proprietà, dei vincoli, ecc.) Scelta del sito (disponibilità dei terreni, verifica delle proprietà, dei vincoli, ecc.) Studio anemologico per valutare lintensità del vento Studio anemologico per valutare lintensità del vento Analisi delle autorizzazioni richieste, chiedendo informazioni ai costruttori o ai professionisti del luogo che conoscono le realtà locali Analisi delle autorizzazioni richieste, chiedendo informazioni ai costruttori o ai professionisti del luogo che conoscono le realtà locali Studio di fattibilità dellimpianto e verifica dei costi, per accertare che limpianto abbia un rapporto costi/ricavi adeguato alle aspettative Studio di fattibilità dellimpianto e verifica dei costi, per accertare che limpianto abbia un rapporto costi/ricavi adeguato alle aspettative Scelta del progettista e del costruttore Scelta del progettista e del costruttore Gestione e manutenzione dellimpianto Gestione e manutenzione dellimpianto

60 Studio di fattibilità Lo studio di fattibilità di un impianto di potenza superiore a qualche kW deve accertare che un determinato layout di impianto abbia il rapporto costi/ricavi adeguato alle aspettative del futuro produttore. Qualora il risultato economico derivante dallapplicazione al progetto di un business plan fornisca un risultato accettabile per linvestitore, si può procedere con la fase autorizzativa e di costruzione. Il costo di un impianto eolico di potenza inferiore a 100 KW può variare da a /kW. COSTI DI IMPIANTO Costo aerogeneratore Costo aerogeneratore Costo opere accessorie Costo opere accessorie Costo progettazione Costo progettazione COSTI DI NATURA RICORRENTE Costi di esercizio Costi di esercizio Costi di manutenzione Costi di manutenzione Costi dei canoni Costi dei canoni RICAVI Vendita di energia elettrica Vendita di energia elettrica Risparmio (costo evitato) di energia el. Risparmio (costo evitato) di energia el. Vendita di certificati verdi Vendita di certificati verdi Proventi da altri incentivi Proventi da altri incentivi

61 Valutazione economica degli impianti eolici La redditività economica di un impianto eolico dipende fortemente dai costi di investimento iniziale >>> costi annui di gestione e manutenzione assenti i costi relativi allapprovvigionamento del combustibile scelta del sito al fine di assicurare allimpianto un numero di ore annue di funzionamento sufficiente a ripagare linvestimento iniziale. scelta del sito al fine di assicurare allimpianto un numero di ore annue di funzionamento sufficiente a ripagare linvestimento iniziale. Linvestimento complessivo richiesto per la realizzazione di un impianto eolico può assumere valori dellordine di /kW con un valore medio di circa 1050 /kW. 900/KW 1050/KW 1200/KW impianti con numerose turbine installate (almeno 10-20) e a siti con orografia non complessa, facile accessibilità e limitata distanza dalle linee di trasporto dellenergia elettrica. impianti con poche macchine installate, orografia complessa e elevata distanza dalle linee dellalta tensione.

62 Valutazione economica Investimento iniziale Costi annui di gestione Costi annui di manutenzione Flussi di Cassa annui REDDITIVITA DELLINVESTIMENTO Stima della produzione annua di energia elettrica

63 Investimento iniziale Il costo degli studi di fattibilità e dello sviluppo del progetto - comprende gli studi relativi alla individuazione del sito, la valutazione anemometrica del sito (acquisizioni per almeno 1 anno), le valutazioni della potenziale produzione di energia, il procedimento per ottenere le autorizzazioni, il reperimento dei finanziamenti, lo studio di impatto ambientale, la progettazione preliminare ed esecutiva, la stipula dei contratti con i fornitori, etc. Nel complesso, tale voce di costo incide dal 3 al 5% dellinvestimento totale e risulta distribuito sullintero periodo di realizzazione dellimpianto (di solito almeno 2-3 anni). Il costo degli studi di fattibilità e dello sviluppo del progetto - comprende gli studi relativi alla individuazione del sito, la valutazione anemometrica del sito (acquisizioni per almeno 1 anno), le valutazioni della potenziale produzione di energia, il procedimento per ottenere le autorizzazioni, il reperimento dei finanziamenti, lo studio di impatto ambientale, la progettazione preliminare ed esecutiva, la stipula dei contratti con i fornitori, etc. Nel complesso, tale voce di costo incide dal 3 al 5% dellinvestimento totale e risulta distribuito sullintero periodo di realizzazione dellimpianto (di solito almeno 2-3 anni). Il costo di acquisto, trasporto e installazione delle turbine - Tale costo è correlato alla potenza delle macchine. Il costo per lacquisto e linstallazione delle turbine rappresenta mediamente il 65-80% dellinvestimento complessivo. Il costo di acquisto, trasporto e installazione delle turbine - Tale costo è correlato alla potenza delle macchine. Il costo per lacquisto e linstallazione delle turbine rappresenta mediamente il 65-80% dellinvestimento complessivo. Il costo delle opere civili - include le fondazioni delle macchine, le strade di accesso allimpianto e di collegamento fra le turbine, i cavidotti interrati e gli edifici di servizio. In media tale costo può essere stimato pari a circa il 3-8% dellinvestimento totale. Il costo delle opere civili - include le fondazioni delle macchine, le strade di accesso allimpianto e di collegamento fra le turbine, i cavidotti interrati e gli edifici di servizio. In media tale costo può essere stimato pari a circa il 3-8% dellinvestimento totale. Il costo delle opere elettriche. - include le spese relative alla realizzazione della sottostazione dellimpianto (quadri elettrici, trasformatore, apparecchiature di controllo, ecc.), al collegamento elettrico fra le macchine ed alla linea di trasporto (in media o alta tensione) dellenergia prodotta fino al punto di consegna. A seconda della tensione e della lunghezza della linea elettrica, tale voce di costo risulta pari a circa /kW, ovvero dall8% al 16% del costo totale. Il costo delle opere elettriche. - include le spese relative alla realizzazione della sottostazione dellimpianto (quadri elettrici, trasformatore, apparecchiature di controllo, ecc.), al collegamento elettrico fra le macchine ed alla linea di trasporto (in media o alta tensione) dellenergia prodotta fino al punto di consegna. A seconda della tensione e della lunghezza della linea elettrica, tale voce di costo risulta pari a circa /kW, ovvero dall8% al 16% del costo totale. Costi vari, corrispondenti alle spese sostenute per il pagamento degli interessi sul capitale investito durante il periodo di realizzazione dellimpianto, per gli imprevisti e per le modifiche allimpianto durante la costruzione, le licenze, le royalties, ecc. Questa voce di costo è molto variabile e può incidere per una quota pari al 3-8% del totale. Costi vari, corrispondenti alle spese sostenute per il pagamento degli interessi sul capitale investito durante il periodo di realizzazione dellimpianto, per gli imprevisti e per le modifiche allimpianto durante la costruzione, le licenze, le royalties, ecc. Questa voce di costo è molto variabile e può incidere per una quota pari al 3-8% del totale.

64 ESEMPIO DI STRUTTURA COSTI La struttura dei costi di investimento per un impianto eolico composto da 10 turbine da 850 kW per un sito di media complessità. Struttura dei costi per un impianto eolico da 8,5 MW. Linvestimento specifico risulta pari a 1080 /kW

65 Ammortamento investimento iniziale Inv. Iniziale= Tasso di Attualizzazione = 8% Vita Utile = 20 anni QUOTA AMMORTAMENTO: /anno

66 Gestione e Manutenzione I costi annui di gestione e manutenzione di un impianto eolico sono dovuti a: amministrazione (dellordine dello 0,5-1% dellinvestimento iniziale), amministrazione (dellordine dello 0,5-1% dellinvestimento iniziale), costi assicurativi (circa l1% del valore dellimpianto), costi assicurativi (circa l1% del valore dellimpianto), canoni annui per lutilizzo del terreno canoni annui per lutilizzo del terreno (solitamente dellordine di /anno a macchina, oppure pari a circa 1- 2% dei ricavi derivanti dalla vendita dellenergia elettrica) manutenzione ordinaria e straordinaria delle macchine. manutenzione ordinaria e straordinaria delle macchine. I costi annui variano dall1% al 6% del costo delle turbine, soprattutto in relazione alle ore di funzionamento accumulate dalle macchine. In particolare, tali costi sono di circa l1% del costo delle turbine per i primi 2-3 anni di funzionamento, aumentano a circa il 2-3% entro i primi 10 anni e poi a circa il 5-6% fino al ventesimo anno di funzionamento. Infatti, nella seconda metà della vita utile delle turbine (che è mediamente di 20 anni) si rende spesso necessario un intervento di manutenzione straordinaria per la sostituzione delle principali parti della turbina soggette ad usura (albero, cuscinetti, moltiplicatore, ecc.). Nel complesso, la gestione dellimpianto richiede una spesa media dellordine del 3-5% dellinvestimento iniziale.

67 Spese di gestione e manutenzione Spese gestione e manutenzione 3 ÷ 5% di ÷ /anno

68 Stima della produzione annua di energia elettrica Se si considera un sito caratterizzato da una disponibilità eolica per 2200 ore/anno equivalenti, la produzione elettrica media annua sarà di circa 18,7 GWh/anno Costo specifico di produzione = 0,07 /kWh.

69 Certificati Verdi Tale costo risulta in realtà molto inferiore in quanto durante i primi 8 anni di funzionamento, limpianto può contare sugli introiti derivanti dalla vendita dei certificati verdi. Sulla base dei recenti scambi sul mercato dei certificati verdi si può ipotizzare un prezzo medio di vendita dellordine di per certificato (100 MWh), ovvero circa 0,06-0,08 /kWh. Per limpianto in esame, la vendita dei certificati verdi si traduce in un ricavo medio di circa 1,1-1,5 M/anno per 8 anni, il quale contribuisce a ridurre il costo medio annuo di produzione sullintera vita utile fino a valori di circa 0,03-0,04 /kWh.

70 Certificati Verdi= titoli emessi dal GSE che attestano la produzione di energia da fonti rinnovabili. La Legge n. 239 del 23/08/2004 (Legge Marzano) ha ridotto a 50 MWh la taglia del "certificato verde", che in precedenza era pari a 100 MWh. Nel mercato dei Certificati Verdi, la domanda è costituita dall'obbligo per produttori e importatori di immettere annualmente una "quota" di energia prodotta da fonti rinnovabili pari al 2% di quanto prodotto e/o importato da fonti convenzionali nell'anno precedente. A partire dall'anno 2004 e fino al 2006, la quota d'obbligo è incrementata annualmente di 0,35 punti percentuali (art.4 comma 1 del D.Lgs. 387/2003). Gli incrementi della quota minima d'obbligo per il triennio e verranno stabiliti con decreti emanati dal Ministero dello Sviluppo Economico. L'offerta, invece, è rappresentata dai Certificati Verdi emessi a favore degli Operatori con impianti che hanno ottenuto la qualificazione IAFR dal Gestore dei Servizi Elettrici, così come dai Certificati Verdi che il GSE stesso emette a proprio favore a fronte dell'energia prodotta dagli impianti Cip 6. Per l'anno 2005, il valore della domanda, pari a 4,3 TWh, è stato quasi interamente soddisfatto dall'offerta dei privati. Il prezzo di riferimento individuato dal GSE per i certificati verdi per l'anno 2005 è pari a 108,92 /MWh ( al netto dell'IVA del 20 %)

71 Minori costi esterni I costi esterni nella produzione di energia elettrica sono quei costi che non rientrano nel prezzo di mercato e non ricadono sui produttori e sui consumatori ma sono globalmente imposti alla società. I costi esterni includono tutti i costi non direttamente computati nella valutazione del costo di produzione dellenergia, e legati alle spese sostenute dalla collettività in funzione del tipo di produzione dellenergia elettrica, come le spese del servizio sanitario nazionale per far fronte alle malattie causate dallinquinamento, oppure i finanziamenti a sostegno alle zone colpite da calamità naturali quali siccità e uragani, dovute essenzialmente ai cambiamenti climatici per effetto serra. Secondo un recente studio della Unione Europea (Progetto Externe), i costi esterni derivanti dalla produzione di energia mediante impianti eolici (valutati pari a circa 0,5-2,5 /MWh), risultano notevolmente inferiori a quelli relativi agli impianti alimentati con gas naturale (10-30 /MWh) e soprattutto a quelli relativi agli impianti alimentati con carbone ( /MWh).

72 Inserimento ambientale delleolico VICINANZA Funzionalità penalizzate della macchina Funzionalità penalizzate della macchina Rumore Rumore Occupazione del suolo Occupazione del suolo Disturbo alle telecomunicazioni Disturbo alle telecomunicazioni Impatto visivo Impatto visivo Effetti negativi sulla fauna e sulla vegetazione Effetti negativi sulla fauna e sulla vegetazione Effetti elettromagnetici Effetti elettromagnetici LONTANANZA Aumento costi di cablaggio Maggiore sicurezza per minori danni da possibile cedimento TRADE-OFF DISTANZA DALLUTENZA

73 Occupazione del territorio Il rapporto fra la potenza installata e la superficie del territorio complessivamente richiesto dagli impianti eolici è dellordine di 10 W/m2, ovvero circa 100 kW/ha. Tuttavia, la superficie di territorio effettivamente sottratta agli altri usi (pascolo, agricoltura, ecc.) è dellordine del 2-3% del totale (essenzialmente quella occupata dalle strade e dalle piazzole delle turbine), in relazione alla notevole spaziatura fra le macchine.

74 Interferenze con flora, fauna ed ecosistema Le interferenze con la flora sono di solito molto modeste e limitate alla fase di realizzazione dellimpianto. La presenza di impianti eolici non arreca disturbo ad animali domestici, greggi, mandrie e quanti altri animali abbiano un contatto con luomo. I possibili problemi sulla fauna sono riconducibili a: perdita di esemplari di uccelli per collisione perdita di esemplari di uccelli per collisione perdita di esemplari di uccelli per elettrocuzione (folgorazione su linee elettriche) perdita di esemplari di uccelli per elettrocuzione (folgorazione su linee elettriche) In sede di verifica dellarea dinstallazione dellimpianto dovranno essere inoltre individuate le unità ecosistemiche presenti nel territorio interessato dal progetto dimpianto e dovrà essere effettuata la caratterizzazione, almeno qualitativa, della struttura degli ecosistemi stessi ed il loro valore naturalistico.

75 Disturbi di altra natura Disturbi di natura aerodinamica: la presenza di uno schieramento di turbine eoliche di grandi dimensioni altera il campo del flusso sulla zona in modo notevole generando appunto una perturbazione aerodinamica. a monte della turbina si instaura un campo di sovrapressioni e le linee di flusso vengono deflesse verso lesterno dellelica, a monte della turbina si instaura un campo di sovrapressioni e le linee di flusso vengono deflesse verso lesterno dellelica, dietro lelica si installa una scia turbolenta vorticosa caratterizzata da una velocità locale minore della velocità del vento libero. dietro lelica si installa una scia turbolenta vorticosa caratterizzata da una velocità locale minore della velocità del vento libero. Disturbi di natura elettromagnetica: dovuti alla presenza di grandi rotori sono limitati alla zona appena circostante il parco eolico e prevalentemente interferiscono con le onde radio. L'interferenza elettromagnetica causata dagli impianti eolici è molto ridotta in quanto nella maggior parte dei casi per trasportare lenergia da essi prodotta si utilizzano linee di trasmissione esistenti. Con le telecomunicazioni la presenza degli aerogeneratori può influenzare: le caratteristiche di propagazione; la qualità del collegamento (rapporto segnale/disturbo); la forma del segnale ricevuto, con eventuale alterazione dellinformazione

76 Impatto visivo Limpatto paesaggistico è considerato in letteratura come il più rilevante fra quelli prodotti dalla realizzazione di un impianto eolico. intrusione visiva, esercita il suo impatto non solo esteticamente, ma su un complesso di valori oggi associati al paesaggio, che sono il risultato dellinterrelazione di fattori naturali e fattori antropici nel tempo. limpatto visivo è legato allaltezza e al numero delle macchine installate Esempi di impatto visivo negativo: effetto selva

77 Soluzioni di mitigazione Per ridurre limpatto visivo si possono utilizzare alcune soluzioni di mitigazione: la scelta delle torri a traliccio per ridurre limpatto visivo da lunga distanza (che si confonde con lo sfondo), oppure di quelle tubolari per limpatto a breve distanza. la scelta delle torri a traliccio per ridurre limpatto visivo da lunga distanza (che si confonde con lo sfondo), oppure di quelle tubolari per limpatto a breve distanza. colori neutri e antiriflesso, al fine di armonizzarli con lambiente circostante. colori neutri e antiriflesso, al fine di armonizzarli con lambiente circostante. introdurre appositi filari alberati. introdurre appositi filari alberati. 2 tecniche: lassimilazione : limitare la visibilità delle torri eoliche giocando sulla topografia, sulla funzione di schermo della vegetazione, sullaltezza e posizionamento delle torri eoliche, creando anche apposite alberature. lassimilazione : limitare la visibilità delle torri eoliche giocando sulla topografia, sulla funzione di schermo della vegetazione, sullaltezza e posizionamento delle torri eoliche, creando anche apposite alberature. Lintegrazione : inserire nel modo migliore limpianto nella struttura del paesaggio, valutando la complementarietà della forma delle torri con il rilievo del terreno, o di integrarlo con infrastrutture già presenti (es. dove sono presenti elementi verticali importanti come torri, ciminiere, gru ecc. ) Lintegrazione : inserire nel modo migliore limpianto nella struttura del paesaggio, valutando la complementarietà della forma delle torri con il rilievo del terreno, o di integrarlo con infrastrutture già presenti (es. dove sono presenti elementi verticali importanti come torri, ciminiere, gru ecc. ) Esempi di positivo inserimento degli aerogeneratori

78 simulazioni Nella valutazione dellimpatto visivo assumono fondamentale importanza le simulazioni che possono dividersi in: fotomontaggi; fotomontaggi; immagini virtuali immagini virtuali animazioni animazioni modelli modelli Effetto visivo delle torri tubolari di colore verde Immagine virtuale di un paesaggio con un impianto eolico con osservatore posto a 4,5 km di distanza Screen shot da animazione riproducibile a video con rendering a 30 frame/s e compressione MPEG-4

79 Impatto acustico Nelle moderne turbine eoliche le problematiche legate allimpatto acustico si sono fortemente ridotte, in quanto il livello di emissione acustica può anche essere programmato in sede di scelta delle macchine a velocità variabile. Il rumore emesso dagli impianti eolici è di tre tipi: aerodinamico: dipende dall'interazione della vena fluida con le pale del rotore in movimento; aerodinamico: dipende dall'interazione della vena fluida con le pale del rotore in movimento; meccanico: legato alla tecnologia adottata e ai materiali isolanti utilizzati; è dovuto principalmente al moltiplicatore di giri e al generatore elettrico ma, grazie a basamenti e smorzatori elastici e all'insonorizzazione della navicella, tale fonte di rumore si considera pressoché abbattuta meccanico: legato alla tecnologia adottata e ai materiali isolanti utilizzati; è dovuto principalmente al moltiplicatore di giri e al generatore elettrico ma, grazie a basamenti e smorzatori elastici e all'insonorizzazione della navicella, tale fonte di rumore si considera pressoché abbattuta rumore in fase di cantiere. rumore in fase di cantiere. Le macchine più recenti sono attualmente caratterizzate da livelli di potenza sonora dellordine di dB(A). In relazione alle specifiche caratteristiche del sito, è possibile ottimizzare la macchina al fine di ottenere un basso livello di emissione sonora, con penalizzazioni molto modeste sul fronte delle prestazioni.

80 Suono e vibrazioni Importante è anche il controllo del livello di vibrazioni prodotte dallimpianto, possibile ad esempio attraverso i recettori residenziali più prossimi, da confrontare con i livelli di disturbo per la popolazione riportati dalla normativa tecnica internazionale. è opportuno localizzare gli impianti eolici lontano dalle zone urbane (in realtà già a qualche centinaio di metri di distanza è molto difficile distinguere il rumore prodotto dalle turbine dal rumore di fondo).

81 Sicurezza Un altro aspetto che condiziona il posizionamento delle turbine è infatti quello legato alla sicurezza, necessaria per far fronte al rischio derivante dalla probabilità, se pur minima, che si verifichi la rottura di una pala. Studi specifici si occupano di valutare la distanza che coprirebbe la pala in caso di distacco. La distanza di sicurezza sia di circa m per macchine con altezza del mozzo di circa 50 metri. Traiettoria di una pala di turbina eolica.

82 Emissioni evitate emissioni evitate che derivano dal non dover produrre lenergia elettrica mediante impianti alimentati con fonti fossili. Impianto eolico 10 turbine da 850kW, 2200 ore/anno Centrale termoelettrica a carbone Rendimento 40%, carbone bituminoso (avente l1% di zolfo, il 10% di ceneri e potere calorifico di 25 MJ/kg) +moderni sistemi di controllo degli inquinanti al fine di rispettare gli attuali limiti di emissione 25,9 t/anno di SOX 13,0 t/anno di NOX 3,2 t/anno di particolato t/anno di CO2 FSOX=1,39 g/kWh FNOX= 0,69 g/kWh FPTS= 0,17 g/kWh FCO2= 879,57 g/kWh la realizzazione dellimpianto eolico eviterebbe di consumare circa 6800 t/anno di carbone e lemissione in atmosfera di:

83 Tempo di recupero Stima del tempo che limpianto stesso impiega per produrre il quantitativo di energia che è necessario utilizzare per costruire, realizzare, gestire e dismettere limpianto, tenendo conto dei consumi di energia primaria richiesti per la produzione di ciascuno di questi materiali turbina eolica da 850 kW, turbina eolica da 850 kW, 85 tonnellate di acciaio (per la struttura della navicella, lalbero, la torre, etc.), 85 tonnellate di acciaio (per la struttura della navicella, lalbero, la torre, etc.), circa 8 tonnellate di fibra di vetro (per le pale e per la navicella), circa 8 tonnellate di fibra di vetro (per le pale e per la navicella), circa 3 tonnellate di rame (per il generatore elettrico e per i cavi) circa 3 tonnellate di rame (per il generatore elettrico e per i cavi) 80 tonnellate di calcestruzzo (essenzialmente per le fondazioni). 80 tonnellate di calcestruzzo (essenzialmente per le fondazioni). richiede circa 1,6 GWh di energia primaria (circa 160 tep/MW), che corrispondono a circa 0,65 GWh in termini di energia elettrica. si ottiene un tempo di recupero dellenergia utilizzata per la realizzazione dellimpianto pari a circa 4 mesi. Tale risultato risulta molto interessante, specie se confrontato con quello relativo ad altre fonti rinnovabili come per esempio il solare fotovoltaico, il quale presenta tempi di rientro dellenergia primaria dellordine di 7-10 anni. Tale risultato risulta molto interessante, specie se confrontato con quello relativo ad altre fonti rinnovabili come per esempio il solare fotovoltaico, il quale presenta tempi di rientro dellenergia primaria dellordine di 7-10 anni.

84 Conclusioni Il futuro energetico appartiene al vento. Nell'ultimo decennio fonte energetica mondiale che è cresciuta più velocemente, aumentando di sei volte: da MW nel 1995 a MW nel Nell'ultimo decennio fonte energetica mondiale che è cresciuta più velocemente, aumentando di sei volte: da MW nel 1995 a MW nel Il vento è abbondante, economico, inesauribile, ampiamente distribuito, non danneggia il clima ed è pulito: attributi questi che nessun'altra fonte energetica può eguagliare. Il vento è abbondante, economico, inesauribile, ampiamente distribuito, non danneggia il clima ed è pulito: attributi questi che nessun'altra fonte energetica può eguagliare. Anche i costi sono scesi, e ora possono considerarsi vantaggiosi. Anche i costi sono scesi, e ora possono considerarsi vantaggiosi. I progressi operare anche a velocità del vento inferiori, Moltissimi territori potrebbero essere utilizzati per generare energia I progressi operare anche a velocità del vento inferiori, Moltissimi territori potrebbero essere utilizzati per generare energia Il vento è presente in pratica ovunque, al contrario del petrolio. Il vento è presente in pratica ovunque, al contrario del petrolio.

85 Il futuro delleolico in Europa L'Europa sta guidando il mondo nell'era dell'energia eolica. Nelle ultime previsioni del 2003, l'EWEA (European Wind Energy Association) stima che la capacità generativa dell'eolico in Europa si espanderà dai 28,400 MegaWatt del 2003 ai 75,000 MW del 2010 e ai 180,000 MW nel Entro il 2020 l'energia eolica soddisferà la domanda energetica residenziale di 195 milioni di Europei, metà della popolazione nella regione. La capacità generativa installata nel mondo, che cresce più del 30% all'anno, è passata da meno di 5,000 MW nel 1995 a 39,000 MW nel 2003, aumentando di 8 volte. La sola Germania, leader in Europa con una potenza installata di 14,600 MW ha superato gli USA nel La piccola Danimarca adesso soddisfa il 20% del suo fabbisogno energetico dal vento, ed è anche il primo produttore ed esportatore di turbine eoliche del mondo. La spinta verso lo sviluppo dell'eolico in Europa viene in parte dalle preoccupazioni per il riscaldamento climatico. L'ondata record di caldo che ha colpito l'Europa nel 2003 e che ha distrutto intere piantagioni e causato 35,000 morti ha accelerato la sostituzione del carbone con fonti energetiche pulite.


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