Alma Mater Studiorum- Università di Bologna FACOLTA’ DI INGEGNERIA Corso di laurea in Ingegneria Gestionale Insegnamento: Principi di Ingegneria elettrica EOLICO OFFSHORE Anno Accademico 2006 - 2007

Obiettivi Descrizione tecnica Analisi delle fondamenta Collegamento alla rete Analisi dei costi Manutenzione Impatto ambientale Effetti socio-economici Panoramica politica europea Nuovi impieghi dell’offshore

Evoluzione nel tempo della tecnologia eolica

Analisi delle fondamenta Strutture fisse al sottosuolo: - gravity based - monopila - tripalo Strutture galleggianti - strutture a boa - navi semi-sommergibili

Strutture gravity based Richiedono la preparazione del suolo Non adatti per acque con profondità superiori ai 10 metri Non consigliati per siti ripidi Vengono realizzati in cantieri navali Trasporto con grosse navi Implicano l’utilizzo di grandi navi-gru per l’installazione In sostituzione per ridurre i costi è adottata una struttura d’acciaio

Strutture monopila utilizzate nella maggior parte delle installazioni usate in acque con profondità inferiori ai 25 metri diametro tra 3- 4,5metri e peso da 100 a 400 ton penetrazione nel sottosuolo dai 18 ai 25 metri non richiede la preparazione del fondale fissati tramite vibrazione o trivella tempo d’installazione circa 30 ore

Struttura monopila Rappresentazione grafica della fase d’installazione:

Struttura trepiede diametro tubi di supporto 0,9 metri profondità di penetrazione 10 – 20 metri adatto per acque profonde rischio di urto in acque profonde 6 – 7 metri struttura realizzata in cantieri navali e poi trasportata non richiede la bonifica del suolo piloni installati tramite trivella

Strutture a boa e semi-sommergibili possibilità di sfruttare maggiori profondità sistemi di ormeggio sofisticati grandi zavorre per garantire la stabilità richiesta di grandi sforzi economici coprono circa il 40% del costo totale d’installazione le strutture semi-sommergibili sono molto più costose e richiedono maggiori sforzi poca esperienza pratica il prezzo del KWh aumenta rispetto ad altri sistemi possibilità installare più turbine con strutture semi-sommergibili maggiori problemi per il collegamento e la manutenzione

Collegamento alla rete elettrica sistemi di collegamento ad alta tensione in corrente continua HVDC sistemi di collegamento ad alta tensione in corrente alternata HVAC

Sistemi HVAC

la turbina genera corrente a media tensione e il trasformatore la passa il alta tensione e la trasferisce al trasformatore sulla terra che la riporta alla tensione della rete; in teoria la tensione può raggiungere livelli di 800 KV; la struttura dei cavi è fondamentale per la messa in posa, composta da metallo e plastica; il metallo serve per la corrosione e per attutire e assorbire le forze meccaniche; possibilità di avere tre cavi separati o un unico cavo con tre conduttori; con i cavi singoli si ha maggiore capacità di trasmissione; maggiore profondità maggiore possibilità di rottura o danneggiamento dei conduttori;

Sistemi HVAC

utilizzo di grosse piattaforme per l’installazione e il trasporto dei cavi la portata di corrente dipende dal diametro mentre la tensione dallo spessore degli isolanti; vantaggi: campo magnetico neutralizzato con un unico cavo; svantaggio: maggiori perdite all’aumentare della lunghezza del cavo; si riescono a contenere le perdite con distanze inferiori a 120 Km;

Sistemi HVDC la media tensione generata dalla turbina è trasformata in alta tensione AC e dopo convertita in alta tensione DC. La corrente viene trasferita sulla terra ad alto voltaggio in corrente continua con dei cavi. Sulla terra ferma l’alta tensione in DC viene convertita i tensione AC con frequenza a 50Hz è dopo viene portata da un trasformatore al livello di tensione della rete di connessione; Tipologia di trasmissione: tramite tiristore;

Sistemi HVDC La tensione in corrente alternata viene convertita in corrente continua da un raddrizzatore. All’uscita del sistema la DC è convertita in AC da un ponte tiristore che commuta i poli DC alternativamente alla trifase del sistema in corrente alternata. Questo classico convertitore HVDC richiede la presenza di una rete AC per operare dalla quale attira potenza reattiva. La corrente AC risultante ha la forma a gradino e richiede ampie unità di filtro, i due convertitori lavorano simmetricamente, uguagliando in uscita livelli positivi e negativi. Un vantaggio di questi sistemi è la capacità di trasmette energia ad alta tensione. Uno svantaggio è che non può generare una propria rete di tensione e di frequenza e vi è un generatore diesel o un cavo in corrente continua parallelo a quello in corrente alternata che porta la tensione alla turbina.

Sistemi HVDC I conduttori DC sono rivestiti da un isolante; Hanno un’armatura per attutire le forze meccaniche; Non vi sono perdite di corrente; Il campo magnetico è neutralizzato dai due poli; Possibilità di usare due cavi separati o un cavo concentrico o un cavo con due conduttori; Importante sotterrare i cavi in parallelo a una distanza tra 1 e 10 metri; Massima neutralizzazione ottenuta con il cavo concentrico; Maggiore utilizzo di isolante con cavi concentrici; Maggiore potenza di trasmissione con cavi separati; Tipo di cavo Massima tensione capacità di trasmissione Bipolare o concentrico ± 400 KV 800 MW Due cavi separati ± 600 KV Da 800 MW a 1GW, in futuro a 2,5GW

Confronto sistemi di trasporto di corrente HVAC HVDC Tecnologia tiristore Tecnologia IGB-transistore Perdita di trasmissione Alta e aumenta con la distanza bassa Bassa Approvvigionamento di tensione e frequenza possibile impossibile Possibile Approvvigionamento di potenza reattiva si No Si, ma invertita Controllo della potenza attiva e reattiva Impossibile dal sistema di trasmissione Possibile dal sistema Direzione della trasmissione bidirezionale Uni-direzionale Bi-direzionale Spazio richiesto Piccoli Molto ampi ampi Vantaggi Semplice tecnologia Testato in numerose applicazioni onshore Capacità di trasmissione molto alte Trasmissione bi-direzionale svantaggi Alte perdite che aumentano con la lunghezza del cavo Nessuna fornitura di potenza reattiva Nessuna generazione di una rete di tensione Capacità di trasmissione limitata Usato solo in poche applicazioni Andamento dei costi dei due sistemi in funzione della distanza:

Costi negli ultimi 15 anni il suo costo è diminuito dell'85% l'economia eolica dipende molto dalla ventosità del sito Attuali costi d’installazione 1650 €/KW Riduzione dei costi negli ultimi anni da 0,064 a 0,049 € a KWh Nel 2010 costi d’installazione pari a 750 €/KW

Costi Esiste un trend di media-alta taglia (30-70 metri di diametro) che si incrementa all’aumentare delle dimensioni del diametro del rotore

Costi turbine con potenza tra 2 e 2,5 MW rispondono molto bene come costo per KW dovuto a una più alta velocità grazie a un maggior rapporto di prestazioni nominali del diametro del rotore.

Manutenzione Manutenzione molto difficile e costosa (accesso con navi o elicotteri) Importanti per la valorizzazione economica modelli di manutenzione correttiva e preventiva È fondamentale lavorare sull’accessibilità introduzione di: - piattaforme fisse - passaggi flessibili - pilastri di sostegno per ormeggiare i battelli - navi con sistemi di sollevamento più semplici accessibili dal personale e dall’equipaggio Miglioramento delle turbine, dei set-up delle sottostazioni e dei sistemi di cablaggio per migliorare la disponibilità e l’affidabilità e diminuire la manutenzione

Impatto ambientale È un’energia pulita, non vi è né impatto chimico né radioattivo dei componenti Bilancio costi ambientali/beneficio ambientale ampiamente positivo Aspetti ambientali considerati: - emissioni evitate - occupazione del territorio - impatto visivo - rumore - effetti elettromagnetici - interferenze elettromagnetiche - effetti su flora e fauna

Emissioni evitate 1491,65 ton di CO2 17,34 ton di SO2 5,2 ton di NOX La riduzione di emissioni può essere calcolata usando la seguente formula: CO2 (in ton)= (A x 0.3 x 8760 x 860)/1000 SO2 (in ton) = (A x 0.3 x 8760 x 10)/1000 NOX (in ton) = (A x 0.3 x 8760 x 3)/1000 dove A la stima della capacità di sviluppo dell’energia eolica in MW 0.3 è una costante che tiene in conto l’intermittente natura del vento, la disponibilità delle turbine eoliche e le ordinarie perdite 8760 è il numero di ore in un anno Una tipica turbina di 0.66MW contribuisce alla riduzione di emissioni con: 1491,65 ton di CO2 17,34 ton di SO2 5,2 ton di NOX

Impatto visivo l’impatto sul paesaggio e visivo è generalmente inferiore, data la distanza dalla linea di costa possono comprendere segnali per la navigazione, elementi per l’illuminazione notturna in Gran Bretagna hanno valorizzato i paesaggi diventando oggetto d’attrazione turistica si valutano progetti per installazione più a largo, con conseguente aumento dei costi e maggiore difficoltà per la gestione dell’impianto

Impatto ambientale Impatto acustico: - abbastanza ridotto - dipende dalla velocità del vento - minore rispetto a quello cittadino Interferenze sulle telecomunicazioni: - può influenzare la propagazione dei segnali - un’adeguata distanza fa si che l’interferenza sia irrilevante

Flora e fauna l’inquinamento elettromagnetico ed acustico stormi di uccelli vanno a sbattere contro le pale del rotore gli uccelli reagiscono meglio quando il vento è contrario le anatre evitano il volo a 100 metri dalla torre grandi ostacoli posti dagli animalisti problema della migrazione di uccelli l’impatto acustico va a modificare il loro comportamento dall’alimentazione al volo

Flora e fauna I mammiferi marini sono vulnerabili perché non riescono a comunicare le vibrazioni e il rumore emesso dalle pale possono rappresentare dei possibili pericoli come: - presenza di altri animali - possibili attacchi - alterazione della sensibilità al rumore

Flora e fauna Mutazione della fauna Migrazione di alcune specie di pesci Maggiori problemi durante l’installazione Vengono effettuate delle analisi per valutare l’alterazione dell’ambiente marino prima e dopo l’installazione dei cavi su fondali e i vari scavi contribuiscono notevolmente a deturpare la fauna marina distruggendo l’habitat Per ogni impianto vanno fatti degli studi specifici in quanto ogni zona è caratterizzata da animali con caratteristiche e comportamenti differenti

Conflitto d’interesse interferenza con il traffico marino: - le rotte marine non possono essere concesse per parchi eolici il traffico di aerei civili è un problema - viene concesso il permesso per installare ma non lo spazio aereo per avere accesso e fare la manutenzione le aree militari: - problema principale in Svezia e Finlandia disturbi radio e dei segnali radar: - le turbine hanno effetti negativi sui sistemi utilizzati dalla Nato - non ci sono particolari problemi con le nuove strumentazioni - il movimento delle pale è interpretato come un aeromobile - bisogna integrare le coordinate delle turbine con i sistemi di rilevamento - i problemi aumentano con l’aumentare del numero di turbine

Conflitto d’interesse conflitto con l’industria del pesce: - implicano la restrizione di alcune tipologie di pesca - comportano la migrazione di alcune specie - alcune fondamenta contribuiscono a ricreare l’habitat naturale problemi con gli archeologi: - vi sono dei fondali protetti - durante gli scavi si possono scoprire reperti che bloccano i lavori conflitto con l’industria petrolifera - nei fondali ci può essere la presenza di materie prime fondamentali e molto redditizie

Effetti socio-economici c’è il potenziale per creare maggiori posti di lavoro rispetto ai settori convenzionali impieghi nella costruzione, installazione e gestione/manutenzione maggiore richiesta di figure professionali in project management, scienze marine, meteorologia, ingegneria 2010 2020 Installazioni Impieghi/€m Manutenzione Impieghi/GWh Solare - termico 6,40 0,26 6,51 0,25 Solare – fotovoltaico 6,97 0,44 5,38 0,40 Vento – offshore 7,48 0,22 6,71 Vento – onshore 6,06 0,14 6,07 Idrogeno 5,17 0,09 5,21 Biomassa- liquido 6,08 0,86 a fronte di una produzione di 720 TWh/anno di energia eolica offshore, si genera da 1,6 a 3 milioni di euro di lavoro per l’installazione e di 158.400 in manutenzione dopo il 2020 è da considerare che si avrà una riduzione delle installazione ma dal 2025 in poi le vecchie turbine dovranno essere sostituite invece la manutenzione sarà un lavoro stabile perché le turbine lavorano di continuo

Panorama Europeo IRLANDA La più importante costruzione è la wind farm di Arklow con una capacità di 520 MW situata a circa 10 Km dalla costa, le sette turbine eoliche da 3,6 MW si ergono sul livello del mare con un'altezza pari a quella di un edificio di 30 piani e con un diametro del rotore comparabile alla lunghezza di un campo da calcio, nel Nord Atlantico c’è abbastanza energia eolica per soddisfare le necessità di tutta l’Europa sarebbe possibile generare all'incirca 345 miliardi di kWh l'anno. l’EWEA ha annunciato gli obiettivi fissati per il 2010 dove si conta di riuscire ad arrivare a 75 GW di potenza installata di cui 10 GW prodotti dall’offshore; per il 2020 i target da coprire è fissato a quota 180 GW di potenza complessiva installata dove 70 GW saranno sottoforma di risorsa offshore SVEZIA Sono state identificate delle aree di interesse nazionale per lo sviluppo dell’energia eolica, lo Stato ha stanziato dei fondi per la ricerca e lo sviluppo di questo settore, molti politici hanno proposto dei cambiamenti legali e regolatori per incentivare questa risorsa DANIMARCA L’eolico ha un ruolo fondamentale, attualmente abbiamo 1200 MW installati GERMANIA Varato un piano per la realizzazione di 20-25 GW di potenza installata tra il 2025 e il 2030, ostacoli creati dal trasporto dell’energia prodotta OLANDA La costruzione della Near Shore Wind Farm è una dimostrazione di un primo grande passo verso lo sviluppo dell’energia eolica l’obiettivo di installare complessivamente 6 GW entro il 2020 INGHILTERRA È stato varato un maxi progetto al largo del Tamigi che prevede l’entrata in servizio nel 2011 di 270 turbine per una potenza complessiva di 1000 MW, nella seconda zona avremo progetti di taglia superiore dove sono stati individuati 15 siti divisi in tre aree strategiche, il governo ha preso importanti iniziative come stanziare dei fondi per la costruzione oppure creare delle linee per la connessione alla rete elettrica sulla terra ferma, l’obiettivo è quello di riuscire a soddisfare con l’eolico il 25% della potenza richiesta entro il 2020.

Cina La Cina sta progettando centrali eoliche in mezzo al mare a 50 Km dalla costa in acque profonde sino a 30 metri, i siti disponibili sono numerosi e non vi sarebbero interferenze con altre attività umane. Entro il 2020 la Cina punta a disporre di impianti eolici per circa 20 mila MW. Il potenziale da centrali eoliche off-shore è attualmente valutato in circa 750 mila MW, pari al 70% in più del totale della potenza elettrica installata. Installazione cumulativa a livello mondiale ( espressi in W)

Arklow - Irlanda

Lely - Olanda

Milddelgrunden - Irlanda

Nogrsund - Svezia

Vindeby - Danimarca

Tuno Knob - Danimarca

Horns Rev - Danimarca

Irene Vorrink - Olanda

Yttre Stengrund - Svezia

North Hoyle - Galles

Blyth - Inghilterra

Bibliografia “Analisi strutturale di una piattaforma OFF-SHORE” – Università di Bologna – Dipartimento di Ingegneria Energetica “Sea Wind Europe”- 2005 Greenpeace “Offshore wind implementino a new powerhouse for Europe”- Report 2005- Greenpeace “Wind force 12 “ – June 2005- GWEC “Enabling offshore wind development”- EWEA Focus “capire e scoprire il Mondo” – Aprile 2007 N° 174 Rapporto energia e ambiente 2006 – Enea www.enea.it www.EWEA.org www.isesitalia.it www.energialab.it www.energoclub.org www.iea.org www.offshorewindenergy.org