DOCENTI: Mariella Rizzo Pinna, M.Teresa Sammartino, Alba Siracusa SCUOLA MEDIA STATALE “L. PIRANDELLO” AGRIGENTO Laboratorio di Educazione Ambientale ANNO SCOLASTICO 2006-2007 Classi: 3^C – 3^I DOCENTI: Mariella Rizzo Pinna, M.Teresa Sammartino, Alba Siracusa

Energia Eolica dalla leggera brezza che soffia sul mare alla tempesta che solleva le onde il vento ci circonda sempre ……

Come funziona una centrale Struttura dell’aerogeneratore Energia Eolica Energie rinnovabili Definizione Storia Come funziona una centrale Perchè sì Struttura dell’aerogeneratore Perchè no

Energie rinnovabili Fonti rinnovabili “nuove” (NFER) “classiche” I crescenti problemi legati all’inquinamento atmosferico, agli alti costi dell’energia elettrica, all’esaurimento dei giacimenti fossili, hanno spinto a ricercare nuove fonti di energia che non si esauriscono nel tempo ma che si rinnovano continuamente. Fonti rinnovabili “nuove” (NFER) (solare, eolica, da biomassa) “classiche” (idroelettrica e geotermica)

Energie rinnovabili Energia del moto ondoso Energia idroelettrica Energia solare Energia del moto ondoso Energia geotermica Energia idroelettrica Energia da biomasse Energia da olii vegetali Energia da rifiuti Energia da termovalorizzazione Energia da biogas Energia biodiesel Energia eolica

Perché energia eolica Oltre ad essere continuamente disponibile e non inquinante, può essere utilizzata per compiere svariati lavori: meccanici ed elettrici. La sua utilizzazione pratica non richiede particolari modifiche al modo di vivere, come può accadere per una casa solare. È disponibile sia di giorno che di notte, e in zone temperate è disponibile in modo proporzionale alla richiesta. I meccanismi che sfruttano l’energia eolica non richiedono necessariamente tecnologie d’avanguardia Ecologicamente parlando non è assolutamente inquinante e non influisce per nulla sugli ecosistemi in cui è inserita. L’energia eolica, infine, può essere sfruttata sul posto ove è richiesta e non ha bisogno di lunghi e fastidiosi collegamenti con i luoghi di utilizzazione.

Definizione di energia eolica Per energia eolica si intende la conversione dell’ energia cinetica del vento in energia meccanica o elettrica. Durante il giorno l’aria sopra i mari e i laghi è più fredda rispetto a quella sopra la terra: il calore solare, in buona parte riflesso, riscalda l’aria in superficie. Quest’ultima, espandendosi, diventa leggera e tende a salire, mentre quella fredda più pesante prende il suo posto causando i venti di superficie. Di notte succede il contrario. Nelle ore diurne si ha, quindi, la brezza di mare che soffia dal mare verso la terra, viceversa di notte si ha quella di terra.

Eolico…da sempre L’energia posseduta dal vento è stata la prima ad essere utilizzata dall’uomo nella navigazione a vela sotto forma di energia meccanica I primi mulini a vento comparvero in Mesopotamia, Cina ed Egitto. Nel XVII secolo a.C. il re di Babilonia, Hammurabi, progettò di irrigare la pianura mesopotamica per mezzo di mulini a vento costituiti da un sistema ruotante attorno ad un asse verticale.

La differenza tra l’applicazione navale e quella prodotta dai mulini è sostanziale: nel caso della navigazione si sfrutta la spinta esercitata dal vento su una superficie resistente; nel caso dell’irrigazione c’è un vero e proprio motore ad energia eolica che aziona una macchina operatrice, la pompa idraulica. L’ uso dei mulini a vento come macchine di uso corrente risale al VII secolo d.C. durante il regno del califfo Omar

Ecco qui i mulini europei In Europa, già al tempo delle crociate, i mulini a vento erano di grandi dimensioni, ad asse orizzontale, tecnologicamente complessi e con rendimenti elevati. I miglioramenti furono dovuti alle scoperte della dinamica delle vele navali: ci si accorse che, sfruttando la portanza anziché la resistenza, si poteva ottenere una quantità maggiore di energia. I primi mulini a vento europei pompavano acqua o muovevano le macine per triturare i cereali.

In Olanda erano utilizzati per pompare l'acqua dei polder, migliorando notevolmente il drenaggio dopo la costruzione delle dighe. Questi mulini erano formati da telai in legno sui quali era fissata la tela che formava, così, delle vele spinte in rotazione dal vento. Nel corso del XIX secolo entrarono in funzione migliaia di mulini a vento, soprattutto per scopi di irrigazione. In seguito, con l'invenzione delle macchine a vapore, vennero abbandonati.

L’uso dell’eolico Nel secolo scorso i mulini a vento conobbero uno sviluppo davvero eccezionale: a metà del 1800 in Olanda se ne contavano 9000 esemplari in funzione; tra il 1880 ed il 1930 solo negli Stati Uniti ne furono installate milioni di unità per usi agricoli e domestici, e molte di queste macchine funzionano ancora. È in questo periodo che nacquero i primi generatori di energia elettrica. A Cleveland, ad opera dell’americano C.F. Brush, vennero realizzati aerogeneratori di potenze crescenti da 3 a 30 kW. Successivamente, in Danimarca, si giunse alla costruzione di macchine tecnologicamente più potenti ed evolute, ad asse orizzontale e a basso numero di pale, capaci di soddisfare il fabbisogno energetico nazionale.

Come funziona una centrale eolica Un impianto eolico e' costituito da un gruppo di aerogeneratori di media (600-900 kW) o grande (>1MW) taglia, disposti in modo da sfruttare meglio la risorsa eolica del sito; gli aerogeneratori sono connessi fra loro elettricamente attraverso un cavidotto interrato. All'impianto eolico e‘ associata una cabina-stazione di consegna connessa alla rete elettrica nazionale.

Struttura di un aerogeneratore trasformatore sistema di controllo alternatore moltiplicatore supporto cuscinetto rotore torre trasformatore anemometro anemometro

Struttura dell’aerogeneratore Gli aerogeneratori sono costituiti da una navicella o gondola, sostenuta da una struttura metallica connessa ad un rotore costituito da pale fissate su un mozzo e progettate per trasformare l’energia cinetica del vento in energia meccanica. Al soffiare del vento il rotore gira e aziona il generatore che, tramite un moltiplicatore di giri, trasforma l'energia meccanica in elettrica. Tramite un sistema di controllo e trasformazione viene regolata la produzione di elettricita‘e il suo eventuale allacciamento in rete. L'energia elettrica prodotta in navicella viene convogliata al suolo attraverso cavi elettrici; sempre al suolo vengono inviati mediante opportuni cavi i segnali necessari per il controllo del corretto funzionamento dell’aerogeneratore.

Il lavoro che può svolgere un aerogeneratore dipende dall’area del rotore e dalla sua efficienza aerodinamica. La produzione di energia dipende dalla grandezza e dalla tipologia delle turbine: si passa dai 100.000 kWh all’anno delle turbine più piccole ai 9.000 MWh all’anno delle più grandi. La capacità generativa dell’energia eolica installata nel mondo è cresciuta dal 1995 al 2003 di 8 volte. Basti pensare che la sola Danimarca, che per il momento soddisfa il 20% del suo fabbisogno energetico dal vento, è il primo produttore ed esportatore di turbine eoliche nel mondo e che entro il 2020 potrebbe coprire l’intero fabbisogno energetico della regione. Gli ultimi miglioramenti del design permettono alle turbine eoliche di operare a velocità di vento inferiori rispetto a prima; consentono poi una migliore resa. L’energia eolica potrebbe diventare un’alternativa al gas naturale o al carbone. L’Europa, dimostrando il potenziale di sfruttamento dell’energia eolica, sta inaugurando la new economy per il resto del pianeta.

Trasformatore Il trasformatore e' una macchina elettrica statica che, sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, trasforma i parametri della potenza in ingresso, tensione e corrente in valori di corrente e tensione di uscita prestabiliti a potenza costante (a meno delle perdite di trasformazione).. Schematicamente un trasformatore e' costituito da due avvolgimenti, ciascuno formato da un certo numero di spire di filo di rame avvolte attorno a un nucleo di ferro di elevata permeabilita' magnetica. Uno degli avvolgimenti riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l'altro e' collegato ai circuiti di utilizzazione.

Anemometro L'anemometro e' formato da un'asse verticale e da coppette che 'catturano‘ il vento. Comprende il sensore di velocita' e di direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente il generatore qualora la velocita' del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo.

Sistema di controllo Il sistema di controllo e' formato da una serie di congegni computerizzati che monitorizzano le condizioni di funzionamento dell'aerogeneratore e controllano il supporto-cuscinetto. Nell'eventualita' di malfunzionamento, il sistema di controllo blocca automaticamente l'aerogeneratore e invia al punto di teleconduzione dell'impianto un avviso di intervento.

Moltiplicatore di giri L'albero lento e' collegato a un moltiplicatore di giri da cui si diparte un albero veloce, che ruota con velocita' angolare data da quella dell'albero lento per il rapporto di moltiplicazione del moltiplicatore

Supporto cuscinetto Il moto della navicella (gondola) rispetto al sostegno e' realizzato mediante ingranaggi mossi da un attuatore che puo' essere di tipo elettrico o idraulico.

Rotore E’ un mozzo con 2 o 3 pale che possono ruotare ad una velocita' superiore ai 200 km orari. Le pale sono realizzate con materiali innovativi o compositi rinforzati con fibra di vetro Il mozzo e' collegato a un primo albero, detto albero lento, che ruota alla stessa velocita' angolare del rotore. Data la variabile intensita‘ dei venti non e' economico adottare aerogeneratori con rotore a passo fisso, giacchè sono molto costosi, per sfruttare i limitati periodi di forti venti, ma è preferibile utilizzare pale a passo variabile la cui regolazione consente di ridurre il rendimento aerodinamico del rotore. Il passo puo' essere variato in modo continuo o a gradini; nelle macchine piu' recenti di grossa taglia viene adottato un tipo di pala orientabile soltanto nella parte piu' vicina alla punta.

Torre L'altezza media di una torre e' compresa tra i 40 e i 60 metri. Essa puo' essere costituita da una struttura metallica a forma tronco-conica (con una scala interna che permette le operazioni di salita e discesa per manutenzione) o da una struttura metallica reticolare a traliccio.

Impianti eolici in Europa [MW] 364 7 100 41 2 137 2916 24 803 586 56 12836 57 16 10 51 220 5 219 2 1 217 5060 800 19 354 Dati EWEA LUGLIO 2003

Effetti indesiderati Occupazione del territorio Impatto visivo Impatto acustico Interferenze elettromagnetiche Effetti su flora e fauna Questi aspetti sono tuttavia di lieve rilevanza tanto da poter affermare che il bilancio costi ambientali/benefici ambientali è ampiamente positivo.

Impatto visivo La necessità di sfruttare al meglio le risorse eoliche fa sì che gli aerogeneratori vengano posti sui crinali montani o in zone comunque molto visibili, aumentandone ulteriormente l'impatto. Ancor più se tali aree corrispondono ad aree naturalistiche di pregio, tutelate. L’impatto visivo è un problema di percezione e integrazione complessiva nel paesaggio; comunque è possibile ridurre al minimo gli effetti visivi sgradevoli assicurando una debita distanza tra gli impianti e gli insediamenti abitativi. Sono state individuate, inoltre, soluzioni costruttive tali da ridurre tale impatto: impiego di torri tubolari o a traliccio a seconda del contesto, di colori neutri, adozione di configurazioni geometriche regolari con macchine ben distanziate. E’ importante effettuare la valutazione da più punti di vista, assegnando un peso in relazione alla frequentazione e al valore della vista panoramica. In questa fase è sicuramente importante l’utilizzo di tecniche di simulazione visiva.

Occupazione del territorio Si parla di occupazione del territorio se si tiene del terreno fisicamente occupato da tutto l’impianto. Ma le macchine eoliche e le opere di supporto (cabine elettriche, strade) occupano solitamente il 2-3% del territorio per la costruzione di un impianto. La parte del terreno non occupata dalle macchine può essere impiegata per altri scopi, come l’agricoltura e la pastorizia, senza alcuna controindicazione.

Impatto acustico È causato essenzialmente dal rumore prodotto dalle pale, dal generatore elettrico e dal moltiplicatore di giri che, tuttavia, è in parte mascherato dal vento stesso. Inoltre, poiché una distanza di poche centinaia di metri è sufficiente a ridurre l’impatto acustico, la collocazione delle centrali eoliche è in genere tale da non arrecare disturbo alle aree abitate.

Interferenze elettromagnetiche Gli aerogeneratori possono, in linea di principio, dare luogo a interferenze con le telecomunicazioni, soprattutto perché le loro pale in rotazione presentano un ostacolo mobile di grandi dimensioni alle onde elettromagnetiche incidenti. Per evitare interferenze basta stabilire e mantenere la distanza minima fra l'aerogeneratore e, ad esempio, stazioni terminali di ponti radio, apparati di assistenza alla navigazione aerea e televisori. Oggi gli effetti sono ridotti dall'impiego di pale in materiali non conduttori come vetroresina e legno.

Effetti su flora e fauna Le possibili interferenze degli impianti eolici con la flora e la fauna riguardano solo l’impatto dei volatili con il rotore delle macchine. In particolare, le specie più influenzate sono quelle dei rapaci; gli uccelli migratori sembrano adattarsi alla presenza di questi ostacoli. In genere le collisioni sono molto contenute.

Sistemi off-shore Una proposta in discussione (e in parte applicata in altri paesi europei) per ridurre tale problematica è costituita dagli impianti "off-shore“, ovvero nel mare a diversi chilometri dalla costa. In tal caso viene quasi azzerata la problematica della visibilità e, nel contempo, possono essere sfruttate condizioni anemologiche (di vento) migliori (per intensità, durata e continuità) di quelle nella terraferma. Rappresentano un'utile soluzione per quei Paesi densamente popolati e con forte utilizzo del territorio che si trovano vicino al mare. Secondo alcune stime, nei prossimi anni gli impianti off-shore nei mari europei potrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri.

I prezzi dell’eolico L’ eolica è l’ energia meno costosa attualmente disponibile. Un reattore nucleare da 1600 megawatt costa 2,5 miliardi di euro, mentre il prezzo di una pala eolica da 3 megawatt costa 3mln di euro. Oltre ad avere il costo di installazione più basso, ha anche il costo di esercizio più basso.

Lavoro realizzato dagli alunni delle classi 3^C e 3^I in adesione la progetto “Educarsi al Futuro” ANNO SCOLASTICO 2006-2007 DOCENTI: Mariella Rizzo Pinna, M.Teresa Sammartino, Alba Siracusa