INDICE - Università degli Studi della Basilicata
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INDICE PREMESSA ........................................................................................ - 2 CAPITOLO 1 - L’ENERGIA NEL MONDO................................. - 4 1.1 LA QUESTIONE ENERGETICA .....................................................................................................................- 5 1.2 G EOPOLITICA D ELL’ENERGIA, CONSUMI E DIPEND ENZA ..................................................................- 8 - CAPITOLO 2 – I LIMITI DELLO SVILUPPO ........................ - 17 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 ECONOMIA SO STENIBILE ..........................................................................................................................- 20 IMPRONTA ECOLOGICA .............................................................................................................................- 22 L’ENERGIA COME Q UESTION E ETICA ....................................................................................................- 25 CONCLUSIONI ED INSEGN AMENTI .........................................................................................................- 26 ENERGIE RINNOVABILI : LA SOLUZIONE? .............................................................................................- 27 - CAPITOLO 3 - L’ENERGIA EOLICA ........................................ - 29 3.1 L’EOLICO NEL MONDO ...............................................................................................................................- 30 3.2 PRINCIPI DI FUNZIONAM ENTO DI UN AEROGENERATORE ........................................................- 33 3.3 LE TECNOLOGIE EOLICHE .........................................................................................................................- 39 ASSE DI ROTAZIONE ……………………………………………………………………………………………….- 39 TAGLIA…………………………………………………………………………………………………………………..- 46 SISTEMA DI GENERAZIONE ELETTRICA…………………………………………………………………..- 46 SISTEMA DI CONTROLLO DELLA SOVRAVELOCITà…………………………………………………..- 48 - 3.4 ALCUNE GENERALITÀ TECNICHE ...........................................................................................................- 52 3.5 VANTAGGI DELL’ENERGIA EOLICA .........................................................................................................- 55 3.6 CLASSIFICAZIONE ........................................................................................................................................- 56 - CAPITOLO 4 – LA SCELTA DEL GENERATORE ................ - 58 4.1 AEROGENERATORI A VELOCITÀ FISSA .................................................................................................- 59 4.2 AEROGENERATORI A VELOCITÀ VARIABILE .......................................................................................- 60 4.3 G ENERATORE SINCRONO (DIRECT DRIVE ).........................................................................................- 61 4.1.1 Generatore sincrono ad avvolgimento……………………………………………………………………..- 62 4.1.2 Generatore sincrono a magneti permanenti…………………………………………………………….- 62 - 4.2 G ENERATORE ASINCRONO .......................................................................................................................- 67 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 GA con rotore a gabbia di scoiattolo………………………………………………………………………..- 69 GA con rotore ad avvolgimento ……………………………………………………………………………….- 70 Configurazione doubly-fed (DFIG)…………………………………………………………………………….- 70 Configurazione GA e convertitore…………………………………………………………………………….- 73 - 4.3 IN SINTESI .......................................................................................................................................................- 73 - CAPITOLO 5 – SIMULAZIONE ................................................ - 77 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 CURVE DI FREQUENZA ...............................................................................................................................- 78 PROFILO DIURNO MEDIO ..........................................................................................................................- 82 SCELT A DELLA TURBINA ...........................................................................................................................- 85 RAFFRONTO ECONOMICO .........................................................................................................................- 87 CONCLUSIONI ................................................................................................................................................- 88 - BIBLIOGRAFIA .............................................................................. - 90 APPENDICE.................................................................................... - 92 - RINGRAZIAMENTI ....................................................................... - 93 - Premessa In questo periodo di rapidi cambiamenti, siamo arrivati ad accorgerci che l’uomo è una creatura che capisce le sue origini, anche se indistintamente, e che ha qualche potere sul suo futuro, ma che manca di ogni concreto senso d’orientamento; la tecnologia ne ha esteso enormemente il potere materiale, ma sembra averne influenzato poco o nulla il modo di ragionare e il discernimento. I mutamenti climatici e il progressivo esaurimento delle risorse naturali, energetiche fossili in particolare, ci impongono di ripensare la nostra economia in direzione della sostenibilit{, della tutela dell’ambiente e delle generazioni future. In quest’ottica le fonti rinnovabili rappresentano certamente una via obbligata, oltre che una grande opportunità di sviluppo economico ed occupazionale per i Paesi che saranno in grado di coglierla. L’Europa è da tempo in prima linea ed occupa una posizione leader nella promozione delle energie rinnovabili. Tuttavia l’autore di questo lavoro ritiene che una corretta politica economica sostenibile non possa prescindere da un attento sviluppo delle risorse locali, da un’economia solidale prevalentemente rivolta al sostegno dell’uomo e all’indipendenza energetica, monetaria e produttiva. In tal senso questo lavoro di tesi potrebbe fungere da viatico ispirativo per chi riconosce in tali ideali l’unica possibilit{ di sviluppo per le future generazioni. -2- Sia l’economia al servizio dell’uomo , non l’uomo al servizio dell’economia. "Se un uomo non è disposto a battersi per le proprie idee, o le sue idee non valgono nulla o non vale nulla lui" . (Ezra Pound) -3- CAPITOLO 1 - L’ENERGIA NEL MONDO Non esiste sulla Terra il problema della scarsità di energia, né ora né per qualche altro miliardo di anni. In natura tutto è energia: le piante, gli animali, la pioggia producono nella loro maniera energia; alcune tipologie sono misurabili e rilevabili, altre più nascoste. La principale forma di energia proviene dal Sole, il quale è il “motore” principale di tutto ciò che avviene e di tutte le forme di energia disponibili sulla Terra. L'energia solare ricevuta dalla Terra, è pari a circa 170’000 Terawatt, considerata la stima di 15 TW di potenza erogata nel 2004 secondo l’agenzia americana EIA [1] (nel 1900 erano 0.7), esso sarebbe potenzialmente in grado di soddisfare oltre 10’000 volte l’attuale fabbisogno energetico del genere umano. Questi 170'000 si distribuiscono nelle seguenti forme principali: 50’000 TW vengono riflessi dagli strati superiori dell’atmosfera; 30’000 TW vengono assorbiti dall’atmosfera; 90’000 TW arrivano alla superficie terrestre. Di questi 90’000 TW (55%), la maggior parte viene riflessa oppure viene assorbita e riemessa dalla superficie della Terra. Una porzione invece si trasforma: 400 TW servono per alimentare il ciclo dell’acqua (riscaldamento ed evaporazione), 370 TW per generare cicli convettivi delle masse d’aria e d’acqua, 80 TW vengono trasformati dalla fotosintesi delle piante in energia chimica. La somma di queste tre voci (850 TW) definisce l’1% dell’energia proveniente dal Sole e rappresenta circa il 6% dell’energia utilizzata attualmente dall’uomo. Sulla Terra, quindi, non c’è scarsit{ di energia, tutt’al più il problema è la qualit{ dell’energia utilizzata. -4- A riprova di ciò, un recente studio teorico americano pubblicato su Nature Climate Change [2] ha stimato che la potenza massima ricavabile dal vento sarebbe di 2.200 TW; sebbene non si possa ricoprire il pianeta di piloni per lo sfruttamento del vento la rilevante quota di 1.800 TW è stata definita ricavabile da turbine e aquiloni eolici sospesi in quota e solo la minima parte di 400 TW ricavabile a terra con turbine montate su piloni alti fino a 100 metri. Già così si tratta di oltre venti volte il fabbisogno mondiale attuale, che sale a 100 volte nel caso delle turbine sospese. Ben oltre, dunque, di quanto il mondo consuma oggi. 1.1 La Questione Energetica Il consumo mondiale di energia cresce velocemente, sebbene con tendenza molto diversa nei vari Paesi. Nel 2010 gli abitanti del pianeta hanno consumato una quantità di energia pari a più di 12 miliardi di tonnellate di petrolio equivalente (TEP)1, facendo registrare un aumento del 5,6% rispetto all’anno precedente. Si tratta del più alto incremento dal 1973, l’anno della grande crisi energetica. A dirlo è il rapporto della BP – Statistical Review of World Energy [3]- pubblicato a fine giugno 2011. Ma come viene prodotta l’energia che utilizziamo? Leggendo l’infografica di Figura 1, che schematizza le diverse fonti dell’energia consumata nel Mondo, in Europa e nel nostro Paese, è evidente che la maggior parte dell’energia è prodotta sfruttando le risorse dei combustibili fossili, principalmente il petrolio. La tonnellata equivalente di petrolio (TEP) è un'unità di misura di energia. Rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo e vale 41,868 GJ o 11’630 KWh. Si usano anche il Mtep (milioni di tonnellate) e il Gtep (miliardi di tonnellate) 1 -5- Figura 1 - Nel 2010 il petrolio ha registrato un incremento di solo 3,1%, il più basso tra i combustibili fossili. Crescono fortemente, invece, il carbone (+7,6%) e il gas naturale (+7,4%) che oggi r appresentano, rispettivamente, il 29,6% e il 23,8% dei consumi, fonte: oggiscienza.wordpress.com Nel 2010 in Italia sono stati utilizzati 73,2 milioni di tonnellate di petrolio, per il 93% importati dall’estero, che hanno soddisfatto oltre il 40% di tutti i consumi energetici nazionali. [4]. La dipendenza dal petrolio è fortissima, essendo infatti il Paese Europeo maggiormente dipendente dalle importazioni di idrocarburi (petrolio e gas), per buona parte provenienti dal Nord Africa. In Italia è molto ridotto il contributo di rinnovabili (3,3%) ed idroelettrico (6,5%), il petrolio e i suoi derivati, infatti, benché siano divenuti quasi marginali per la generazione di energia elettrica, continuano ad essere insostituibili nel settore dei trasporti e sono largamente presenti nelle attività industriali, non solo del petrolchimico, che peraltro riveste un ruolo essenziale nell’economia nazionale. Come si può osservare dal grafico di Figura 22 le previsioni riguardanti L'unità di misura utilizzata è il British Thermal Unit (Btu) un'unità di misura usata negli Stati Uniti e nel Regno Unito per misurare l’ energia. 1 kWh è approssimativamente pari a 2 -6- lo sfruttamento del petrolio (Liquids) e dell’energia nucleare del 1995 fino al 2011 furono abbastanza accurate, anche considerato il calo dell’estrazione petrolifera del periodo 2005 -2007. Dal 1990 in poi lo sfruttamento del carbone (Coal) è stato inferiore alle attese, tuttavia si previde un incremento delle estrazioni nei decenni successivi in considerazione dei costanti aumenti dei costi del greggio; infatti negli ultimi tre anni il carbone, che è una delle fonti energetiche più economiche (ma anche la più inquinante) è diventata la fonte su cui basare la crescita dei consumi.[1] (Risorse e consumo di energia nel mondo) Figura 2 - Proiezioni di consumo di energia primaria 3 nel Mondo che mette a confronto le proiezioni del 1995 con i dati storici e questi ultimi con le proiezioni post-2011, fonte:[5] (World Energy Consumption by Fuel 1990-2035) Lo sfruttamento delle rinnovabili e del gas naturale è stato superiore al previsto, in particolare lo sfruttamento di quest’ultimo avanza 3,412 Btu. 3 In energetica una fonte di energia viene definita primaria quando è presente in natura e quindi non deriva dalla trasformazione di nessun’altra forma di energia. Rientrano in questa classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come i combustibili direttamente utilizzabili (petrolio grezzo, gas naturale, carbone) o l'energia nucleare. L’energia secondaria, invece, può essere utilizzata solo a valle di una trasformazione di energia (come la benzina, in seguito a raffinazione chimica, o l'energia elettrica o l'idrogeno). -7- prepotentemente nei Paesi dove vi sono ricchi giacimenti come Russia, Gran Bretagna e Germania. Questa crescita dei consumi energetici si accompagna, come suddetto, ad un aumento delle emissioni dei gas serra (+5,8%). Determinante il ruolo della Cina, che ha superato gli Stati Uniti, diventando non solo il più grande consumatore di energia al mondo, ma anche il Paese che emette il maggior quantitivo di gas serra. 1.2 Geopolitica dell’energia, Dipendenza consumi e Le grandi economie mondiali sono caratterizzate da consumi e da livelli di dipendenza dalle importazioni eterogenei, con importanti implicazioni dal punto di vista dello loro indipendenza e sicurezza energetica. L’unit{ di misura che si tende ad usare è la tonnellata equivalente di petrolio, ciò è dovuto al fatto che il greggio rappresenta il principale vettore energetico del mondo essendo collegato in qualche modo ad ogni consumo che sia energetico, logistico, produttivo diretto o indiretto. Secondo i dati riportati dal Statistical Review of World Energy 2013 [6] (BP), la Cina è stata il primo consumatore mondiale di energia (2.735 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio consumate), che da pochi anni ha superato gli USA, storici detentori del primato (2.209 Mtep), UE (1.673 Mtep), Russia (694 Mtep), India (563 Mtep), Giappone (478 Mtep), Brasile (267 Mtep). L’Italia al 15° posto (volendola escludere dall’UE) con 162 Mtep. Negli ultimi 10 anni i consumi cinesi sono più che raddoppiati e, per avere un’idea, il solo aumento del fabbisogno cinese è stato superiore a tutta la domanda italiana -8- nell’ultimo anno. Per l’Italia nel 2010 più del 23% delle importazioni di greggio sono venute dalla Libia, il 15% dalla Russia, 14% Azerbaijan, il 13% dall’Iran, 9.5% dall’Iraq, 7% dall’Arabia Saudita, 3.2% dalla Siria e 1.8% dall’Egitto. Nel complesso, circa il 58% delle nostre importazioni di petrolio viene dall’area araba, è indubbio dunque che i futuri scenari geopolitici per quanto concerne la domanda e l’offerta di energia saranno decisi dalla risoluzione della questione mediorientale, non solo per quanto riguarda l’Italia. Basti pensare che solo l’Arabia Saudita detiene il 61% delle riserve mondiali di petrolio con solo l’1% della popolazione. Secondo i recenti dati dello U.S Energy Information Administration disponiamo ancora di circa 3.357 miliardi di barili di riserve di petrolio4 [7]. Ciò significa che esauriremo le attuali scorte di greggio entro i prossimi 40 anni (per il gas naturale e il carbone si parla di circa 55 e 115 anni). Per quanto riguarda i dati relativi al consumo di petrolio nei singoli Paesi, in testa troviamo gli Stati Uniti con 19,5 milioni di barili al giorno ed il 35,3% dell'energia prodotta dal petrolio. La Cina consuma 7,8 milioni di barili producendo il 19% dell'energia da petrolio. Troviamo poi il Giappone con 4,8 milioni di barili ed una percentuale del 45%. Segue l'India (2,9 milioni con il 23,7%), la Russia (2,9 milioni ed il 37%), la Germania (2,6 milioni - 32%), il Brasile (2,5 milioni - 50%), l'Arabia Saudita (2,4 milioni - 52%), il Canada (2,3 milioni - 31%) ed infine la Corea del Sud (2,2 milioni - 45%)5 con l’Italia collocata al 15° posto dopo la Gran Bretagna e precedendo la Spagna con “soli” 1,5 Il dato comprende lo shale oil anche detto « petrolio non convenzionale » di proprietà differenti, la cui estrazione è più difficoltosa e che diventa conveniente solo se il prezzo del greggio non sale oltre una data quota. 5 http://www.cadoinpiedi.it/2012/02/09/petrolio_ci_restano_41_anni_ecco_i_numeri.html 4 -9- milioni di barili. Dunque, molte economie dipendono dalle importazioni di petrolio. La fine di questo combustibile potrebbe portare al collasso di molte realtà. In Arabia Saudita sono 8,4 milioni le persone impiegate in tutto ciò che riguarda il petrolio e l'80% del Pil deriva da questo giro d'affari. In Russia sono 6,8 milioni i lavoratori impegnati per il 40% del Pil. Negli Emirati Arabi si parla di 2,5 milioni di persone che producono il 25% del Pil. In Iran abbiamo 2,4 milioni per 57,8% per Pil. In Kuwait 2,3 milioni per il 50% del Pil. Nel mondo il 66% dei mezzi è alimentato a petrolio o suoi derivati e soltanto il 30% dell'energia prodotta da un veicolo viene sfruttata come energia meccanica, il resto si disperde in calore. Quasi 9 americani su 10 si recano a lavoro in auto. Nel mondo in cui viviamo tutto dipende dal petrolio. Moltissimi beni di consumo come i pneumatici, le borse, il poliestere, le confezioni dei detergenti (solo per fare alcuni esempi) sono ottenuti con il petrolio. Servono all'incirca 2 chili di petrolio per fare 1 kg di plastica per alimenti Anche molta dell'elettricità che produciamo proviene dal petrolio. Facciamo un passo indietro e analizziamo il ruolo del suddetto elemento nella geopolitica e relativi aspetti economici. In cosa consistono? E’ con il petrolio che, per la prima volta, la crescita economica si disgiunge dalla proprietà diretta delle risorse energetiche di cui si alimenta. Un’economia è organica nel momento in cui riesce a produrre autonomamente tutto ciò che gli occorre con le risorse di cui dispone, la dipendenza dal petrolio ha rotto questo circolo virtuoso inducendo spirali debitorie ed economie sempre più dipendenti dall’estero. Tale dipendenza dal petrolio importato è andata crescendo costantemente a - 10 - partire dal 19726, dopo che fu abolito il Gold Standard7 da parte degli USA, sancendo il definitivo distacco dell’economia dall’oro e l’aggancio al greggio: fu l’inizio dell’era del petro-dollaro e fu da quel momento che l’approvvigionamento petrolifero da parte delle nazioni assunse a funzione chiave per mantenere la capacità di esercitare il potere nel campo della sicurezza. I Paesi che dominano sul piano industriale divengono progressivamente dipendenti dall’estero su quello energetico. Gli Stati Uniti consumano ogni giorno il doppio della quantità di barili che producono, basando l’intera loro economia sulle importazioni, hanno un consumo annuo di greggio che è quasi un quarto di quello di tutto il resto del mondo. [8] (Terzi) Sul futuro dell’import petrolifero italiano gravano scelte difficili che potranno essere alleviate solo perseguendo con maggiore determinazione politiche di innovazione e di avanzamento tecnologico volte a diminuire la nostra dipendenza dall’estero e ad accelerare il processo di sostituzione di petrolio e gas. Questa esigenza è tanto più urgente, se si considerano anche gli aspetti economici, che per il nostro Paese sono di tutto rilievo. A parte l’esigenza di maggiore sicurezza delle forniture, infatti, per ridurre la bolletta energetica non è sufficiente ridurre i consumi perché nel complesso, a livello internazionale, da un lato la domanda è in forte aumento e dall’altro vi è difficolt{ a ripristinare le riserve. Le tensioni sui prezzi che ne derivano compensano abbondantemente gli eventuali minori consumi. Il livello di dipendenza è inteso come il contributo delle materie Cfr. “Geopolitica dell'ambiente: sostenibilità, conflitti e cambiamenti globali” Corrado Maria Daclon, FrancoAngeli Editore, 2008, Milano, pag. 149. 7 In italiano “sistema aureo”, è un sistema monetario nel quale la base monetaria è data da una quantit{ fissata d’oro, abolito il 15 Agosto 1971 da Richard Nixon. 6 - 11 - prime energetiche importate sul totale del consumo di energia primaria, la graduatoria vede al primo posto il Giappone (87%) poi UE (56%), India (37%), USA (20%), Brasile (10%), Cina (6%). Tra le grandi economie mondiali, l’unico Paese esportatore è la Russia, che nel 2011 ha ceduto sui mercati internazionali 606 Mtep, pari al 47% di quanto prodotto (e all’88% di quanto consumato internamente). CONSUMI DI ENERGIA PRIMARIA Milioni di tonnellate di petrolio equivalente (MTEP) 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 CINA USA UE RUSSIA 662 689 717 768 817 888 908 937 941 985 1011 1041 1106 1277 1512 1659 1832 1951 2042 2210 2403 2613 1968 1966 1998 2040 2077 2122 2192 2210 2224 2262 2314 2260 2295 2302 2349 2351 2333 2373 2320 2206 2278 2269 1650 1651 1622 1615 1612 1649 1703 1692 1707 1702 1722 1756 1742 1779 1807 1809 1816 1791 1785 1682 1745 1691 864 853 822 767 704 664 637 602 602 608 614 623 626 645 651 651 670 674 679 644 669 686 INDIA GIAPPONE BRASILE 181 191 201 206 217 236 252 261 273 281 296 297 309 317 346 364 382 416 446 488 521 559 434 448 454 460 477 492 501 508 501 506 515 513 510 511 522 527 528 523 515 474 503 478 125 129 134 140 147 154 163 172 179 182 186 182 186 190 200 207 213 226 236 234 258 267 Tabella 1 Nell’ultimo ventennio Cina, USA, India e Brasile sono i Paesi che più di altri hanno incrementato i consumi di energia primaria. (Tabella 1, [9] (Verda)) Sostanzialmente invariato il consumo nell’Unione Europea, - 12 - sebbene la componente petrolifera sia diminuita a fronte di quella da combustibili solidi, gas naturale e nucleare sia aumentata. Invariati i consumi anche in Giappone. Fa clamorosamente eccezione la Russia i cui consumi sono diminuiti del 20%. Tabella 2 DIPENDENZA CINA USA 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 -12,2% -8,8% -7,2% -3,3% -3,8% -3,9% -5,1% -3,6% -1,1% 0,1% 0,6% -2,7% -1,4% -0,9% 2,3% 1,7% 4,1% 3,9% 3,5% 5,9% 5,2% 6,4% 15,5% 15,9% 17,8% 21,5% 20,0% 21,4% 22,6% 23,0% 22,8% 25,4% 27,5% 24,9% 27,2% 28,3% 29,7% 30,7% 28,8% 29,6% 26,6% 23,4% 24,0% 20,3% UE 45,6% 46,0% 45,7% 45,2% 44,6% 44,9% 45,1% 45,5% 47,2% 47,0% 48,1% 49,0% 49,2% 50,9% 51,7% 53,7% 55,2% 55,8% 55,9% 55,3% 55,9% 56,2% RUSSIA INDIA GIAPPONE BRASILE -49,1% -41,4% -38,5% -38,2% -41,4% -46,2% -51,5% -56,2% -57,2% -58,2% -60,0% -62,9% -68,0% -74,2% -81,1% -85,1% -84,5% -85,4% -85,2% -84,4% -88,9% -88,4% 15,1% 15,6% 18,3% 19,0% 18,9% 19,4% 21,4% 23,2% 24,7% 27,4% 28,4% 28,4% 28,9% 28,4% 29,7% 30,9% 30,6% 32,6% 34,2% 35,2% 34,7% 37,3% 83,6% 83,0% 83,5% 81,6% 83,0% 81,7% 81,6% 80,7% 79,7% 80,8% 81,2% 81,0% 81,2% 84,5% 82,4% 82,7% 81,7% 83,1% 84,1% 81,2% 81,2% 86,6% 30,0% 30,5% 31,9% 32,0% 32,6% 32,5% 31,5% 30,9% 27,7% 24,3% 19,8% 20,0% 14,1% 11,8% 14,2% 10,9% 9,2% 11,2% 12,5% 7,8% 11,4% 10,0% Nota metodologica La dipendenza è ottenuta dal rapporto tra le importazioni e i consumi di energia primaria. Le importazioni sono ottenute sottraendo ai consumi di energia primaria la produzione interna. La produzione interna è ottenuta sommando la produzione di combustibili fossili, nucleare e da fonti rinnovabili. Elaborazione su dati: BP, Statistical Review of World Energy 2012. Fortissima la dipendenza (Tabella 2, [9]) del Giappone dall’importazione di materie prime votate allo sviluppo energetico, la più alta dipendenza al Mondo; forte anche nei Paesi dell’Ue - 13 - accresciutasi di quasi il 25% negli ultimi 20 anni. Discreta la dipendenza di India, USA e Brasile, in controtendenza la Russia, primo esportatore al mondo di gas naturale. Elaborazione grafica Figura 3 – Il Giappone ha la più alta dipendenza dalle importazioni, seguono UE, India e USA, la Russia è in controtendenza a causa delle sue enormi riserve di gas naturale. Dal grafico di Fig. 3 [10] (Elaborazione Grafica) si nota come, tendenzialmente, quanto più un’economia è sviluppata tanto più è alta la sua dipendenza dal petrolio. Essa è radicata non solo nello sviluppo diretto di energia ma anche nello sviluppo indiretto; a partire dal settore agro-alimentare, ai trasporti, al comparto industrial produttivo, all’intera economia mondiale. Risulta importante, inoltre, far notare come il petrolio giochi un ruolo determinante anche sull’approvvigionamento alimentare. Per mantenere i prezzi bassi, infatti, le grandi aziende alimentari fanno largo uso di concimi e fertilizzanti derivati del petrolio ad alta resa - 14 - produttiva, in questo modo riescono a mantenere i prezzi bassi ma a costo di una perdita di fertilità dei terreni, sempre più dipendenti a loro volta dall’uso degli stessi fertilizzanti. Dall’inizio della crisi i prezzi degli alimentari seguono fedelmente le oscillazioni di prezzo del greggio, come dimostra il grafico riportato in Fig. 4: Figura 4 – I prezzi degli alimentari inseguono il prezzo del petrolio Il grafico di Fig. 4 [11] mostra tre cose principalmente: 1) il prezzo degli alimentari aumenta e diminuisce in sintonia con quello del greggio, 2) l'indice del prezzo del cibo ha raggiunto il massimo della prima metà del 2010 già nel 2008 ma con un prezzo petrolifero molto più alto, 3) la sensibilità del sistema alimentare alle variazioni del petrolio sembra aumentata: se nel 2008 gli alimenti sono aumentati "solo" del 60% a fronte di un aumento del greggio del 150%, ora i due prezzi stanno aumentando all'unisono. La moderna agricoltura dipende fortemente dall’uso di combustibili fossili. La maggior parte dei trattori funziona a benzina o gasolio. Le pompe d’irrigazione utilizzano gasolio, gas naturale o elettricit{ prodotta dal carbone. La produzione dei fertilizzanti è altresì - 15 - energeticamente dispendiosa. Il gas naturale viene impiegato per sintetizzare l’azoto che costituisce la base dei fertilizzanti azotati. L’estrazione, la lavorazione e il trasporto internazionale dei fosfati e del potassio, dipendono interamente dal petrolio. Nell’articolo intitolato The Mechanization of Agricolture (La meccanizzazione dell’agricoltura) [12] (Il petrolio e gli alimenti) pubblicato dalla rivista Science si leggono i seguenti dati: “nell’anno 1850, un solo agricoltore produceva alimenti per mantenere quattro persone, oggi un solo agricoltore produce una quantità di alimenti sufficienti a mantenere 78 persone. - 16 - CAPITOLO 2 – I LIMITI DELLO SVILUPPO Nel 1972 il MIT (Massachussets Institute of Technology) di Boston pubblicò uno studio commissionato dal Club di Roma dal titolo emblematico: The Limits to Growth. I limiti dello sviluppo. [13] (Donella e Dennis L. Meadows, 1972). Il rapporto, basato sullo strumento di simulazione World38, stima le conseguenze della continua crescita della popolazione sull'ecosistema terrestre e sulla stessa sopravvivenza della specie umana. Il rapporto pubblica e documenta 11 scenari sull’evoluzione del sistema socio-economico mondiale simulati a diverse condizioni di carattere tecnico-scientifico, economico e sociale. Noi tratteremo solo il primo in quanto scevro di speciali ipotesi tecniche o politiche che invece caratterizzano gli altri dieci. Lo Scenario 1 è, come detto, il punto di riferimento, a detta degli stessi autori, perché rappresenta la modalità generale di comportamento più probabile del sistema in cui si ipotizza che le politiche, i valori e le tecnologie che hanno influenzato la crescita economica e demografica dell’inizio del ‘900 si sarebbero evolute linearmente fino alla fine del XX secolo senza grandi cambiamenti. In tale evoluzione, la popolazione sale da 1,6 miliardi, nell’anno simulato 1900, a più di 6 miliardi nel 2000 e a più di 7 miliardi nel 2030. Dal 1900 al 2000, il prodotto industriale complessivo si espande di quasi 30 volte, e poi di un altro 10% entro il 2020. Tra il 1900 e il 2000, viene impiegato solo il 30% dell’intero stock di risorse non rinnovabili della Terra; nel 2000, ne resta circa il 70%. Si trattava dell'evoluzione di World2, un modello scritto nel linguaggio di simulazione DYNAMO da Jay Forrester nel 1971 ed illustrato da questi nel libro World Dynamics. 8 - 17 - La società globale va avanti senza grandi cambiamenti rispetto alle politiche seguite nel corso del XX secolo. Popolazione e produzione aumentano finché la crescita non è arrestata dalla crescente inaccessibilità delle risorse non rinnovabili. Per mantenere costante il flusso di risorse sono necessari investimenti sempre maggiori. Alla fine, la mancanza di fondi per investimenti negli altri settori dell’economia fa diminuire la produzione di beni e servizi industriali. Man mano che la produzione si riduce anche l’alimentazione e i servizi sanitari peggiorano, facendo diminuire la speranza di vita e accrescendo il tasso di mortalità medio. Figura 5 il più probabile scenario secondo “I Limiti dello Sviluppo”. Nell’anno simulato 2000, i livelli di inquinamento hanno appena - 18 - cominciato ad aumentare in modo significativo: del 50% in più rispetto al livello del 1990. I beni di consumo pro capite nel 2000 sono superiori del 15% rispetto al 1900, e di quasi otto volte rispetto al 1900. In particolare nel ventennio tra il 2000 e il 2020 la crescita della popolazione e quella del capitale fisso industriale consumano tante risorse non rinnovabili quante ne erano state impiegate dall’economia globale nell’arco di tutto il secolo precedente. E, naturalmente, nello sforzo incessante del mondo simulato di alimentare ulteriormente la crescita, diviene necessario più capitale per localizzare, estrarre e raffinare le risorse non rinnovabili rimaste. Mano a mano che il reperimento delle risorse non rinnovabili diventa più difficile, il capitale viene dirottato per incrementare tali produzioni. Alla fine, intorno al 2020, l’investimento nel capitale industriale non riesce a tenere il passo del deprezzamento a causa di usura e obsolescenza. Il risultato è il declino industriale, un esito difficile da evitare dal momento che l’economia non può smettere di allocare capitale nel settore delle risorse; se lo facesse, la scarsità di materiale e di combustibili ridurrebbe ancora più rapidamente la produzione industriale. Alla fine, il settore industriale trascina con sé nel declino il settore dei servizi e quello agricolo. In questo Scenario il declino dell’industria ha un impatto particolarmente forte sull’agricoltura, dal momento che la fertilità della terra era già stata intaccata dallo sfruttamento eccessivo prima dell’anno 2000. Infine, intorno al 2030, la popolazione raggiunge un picco e comincia a diminuire poiché il tasso di mortalit{ è spinto verso l’alto dalla carenza di alimenti e di servizi sanitari. La speranza di vita media, che nel 2010 era di 80 anni, comincia a diminuire. - 19 - L’idea che possano esservi limiti alla crescita è, per molti, inconcepibile. I limiti sono politicamente innominabili e, sul piano economico, impensabili. La cultura dominante tende a negare la possibilità stessa del limite, pervasa com’è da una fede profonda nel potere della tecnologia, nei meccanismi del libero mercato, nella crescita dell’economia come soluzione di ogni problema, compresi i problemi creati dalla crescita stessa. 2.1 Economia sostenibile L’economista statunitense Herman Daly [14] (Daly, 1990) ha proposto tre semplici regole che possono aiutare a definire i limiti di sostenibilità dei flussi di materiali e di energia: Per le risorse rinnovabili (suoli, acqua, foreste, pesci), il tasso sostenibile di sfruttamento non può essere maggiore del tasso di rigenerazione della loro sorgente. (Così, per esempio, l’attivit{ di pesca è insostenibile se il tasso di prelievo dei pesci è maggiore del tasso di crescita della popolazione ittica residua.) Per una risorsa non rinnovabile (combustibili fossili, giacimenti minerari ad alto tenore, acque sotterranee fossili), il tasso sostenibile di utilizzo non può essere maggiore del tasso al quale può essere impiegata sostenibilmente, al suo posto, una risorsa rinnovabile. (Per esempio, un giacimento di petrolio sarebbe sfruttato in modo sostenibile se parte dei profitti che genera fossero investiti in impianti eolici, pannelli solari e piantagioni di alberi, così da rendere disponibile, una volta finito il petrolio, un flusso equivalente di energia rinnovabile.) Per un agente inquinante, il tasso sostenibile di emissione non può essere maggiore del tasso al quale quell’agente può essere riciclato, - 20 - assorbito o reso inoffensivo nel pozzo di destinazione. (Per esempio, le acque di rifiuto possono essere immesse in un fiume o in un lago o in un acquifero sotterraneo in modo sostenibile non più rapidamente di quanto i nutrienti che vi sono contenuti possano essere assorbiti da batteri e da altri organismi senza che il sistema acquatico ne sia sopraffatto e sconvolto.) Qualunque attività per la quale lo stock di una risorsa rinnovabile si riduce, o un pozzo per l’inquinamento si espande, o lo stock di una risorsa non rinnovabile è intaccato senza che una risorsa rinnovabile sia pronta a rimpiazzarlo, non è sostenibile. Presto o tardi, quell’attivit{ dovr{ essere ridotta. I combustibili fossili sono risorse non rinnovabili. Una volta bruciati, si trasformano in diossido di carbonio, vapore acqueo, diossido di zolfo (anidride solforosa), più diverse altre sostanze, che non possono, su una qualsiasi scala temporale significativa per l’umanit{, ricombinarsi per formare combustibili fossili. Tuttavia le fonti energetiche rinnovabili non sono innocue per l’ambiente, né sono prive di limiti. Gli Aerogeneratori richiedono terreni e strade d’accesso. Alcuni tipi di celle solari contengono materiali tossici. I bacini idroelettrici allagano terreni e interrompono il corso dei fiumi. L’energia da biomasse è sostenibile né più né meno delle attività agricole o forestali che producono quelle biomasse. Le fonti energetiche sostenibili sono inoltre a tasso limitato: il flusso di energia che ne scaturisce è perpetuo, ma il suo tasso è fisso,9 non sono in grado di sostenere, cioè, una popolazione che si moltiplichi indefinitamente e un capitale fisso che cresca a un tasso elevato. Sono Il vento, analogamente al sole e differentemente dalle fonti di energia convenzionali, non fornisce energia continuamente ed omogeneamente e non può essere controllato per adattare l’energia prodotta alle richieste delle utenze, se non in combinazione con altre fonti di energia capaci di essere controllati. 9 - 21 - però abbondanti e diversificate e possono costituire la base energetica per la società sostenibile del futuro. 2.2 Impronta Ecologica Un metodo valido per misurare nel suo complesso la sostenibilità della terra è quello del calcolo della cosiddetta “impronta ecologica”. Il concetto di impronta ecologica è stato introdotto da Mathis Wackernagel nel 1996, è un indicatore utilizzato per valutare il consumo umano di risorse naturali rispetto alla capacità della Terra di rigenerarle. Nello specifico misura l'area biologicamente produttiva di mare e di terra necessaria per rigenerare le risorse consumate da una popolazione umana e per assorbire i rifiuti prodotti. Utilizzando l'impronta ecologica è possibile stimare quanti "pianeta Terra" servirebbero per sostenere l'umanità, qualora tutti vivessero secondo un determinato stile di vita. Confrontando l'impronta di un individuo (o regione, o Stato) con la quantità di terra disponibile pro-capite (cioè il rapporto tra superficie totale e popolazione mondiale) si può capire se il livello di consumi del campione è sostenibile o meno. L'impronta ecologica è un buon indicatore di pressione ambientale, essa riporta il carico di cui l’umanit{ grava il pianeta, comprendente l’impatto di agricoltura, attivit{ minerarie, prelievo ittico, tagli forestali, emissioni, sviluppo fondiario, riduzione della biodiversità. L’impronta ecologica tende ad espandersi al crescere della popolazione, perché è più grande se i consumi aumentano, ma può anche ridursi se si utilizzano tecnologie in grado di ridurre l’impatto per unit{ di attivit{ umana. - 22 - Dal grafico di Figura 6 [15] (Living Planet Report, 2010) si può notare come durante gli anni ’70, l’umanit{ ha oltrepassato la soglia in cui l’Impronta ecologica annuale era pari alla biocapacità annuale della Terra, ossia, l’umanit{ ha iniziato a consumare le risorse rinnovabili a una velocità maggiore di quella impiegata dagli ecosistemi per rigenerarle e a rilasciare un quantitativo di biossido di carbonio maggiore di quello che gli ecosistemi riescono ad assorbire. Questa situazione è chiamata “superamento dei limiti ecologici” (overshoot) e, da allora, è progredita ininterrottamente. Figura 6 - Impronta ecologica per componenti, 1961–2007. L’Impronta è visualizzata sotto forma del numero di pianeti necessari. La biocapacità totale,indicata dalla linea tratteggiata, è sempre equivalente a 1 pianeta Terra, sebbene la produttività biologica del pianeta vari ogni anno. Fonte: Living Planet Report 2010 L’ultimo calcolo dell’Impronta ecologica mostra come questa tendenza non abbia subito alcuna flessione. Nel 2007, l’Impronta era tale da far rilevare che l’umanit{ ha utilizzato l’equivalente di 1 pianeta e mezzo per sostenere le proprie attività. L’Earth Overshoot Day è il giorno del superamento delle capacità della Terra; il giorno a partire dal quale l’umanit{ ha esaurito le risorse - 23 - naturali rinnovabili che aveva a disposizione per l’intero anno, il momento in cui iniziamo a vivere oltre le nostre possibilità. Nel 1993 l’Earth Overshoot Day è stato il 21 Ottobre. Nel 2003 è stato il 22 Settembre. Nel 2013 è già arrivato il 20 Agosto. Dato il trend attuale una cosa è certa: l’Earth Overshoot Day tende ad arrivare qualche giorno prima ogni anno, in particolare dal Figura 7 - Uso delle risorse commisurato alle risorse disponibili - fonte: http://www.footprintnetwork.org 2001 si è anticipato di tre giorni ogni anno. Viene calcolato dal Global Footprint Network, un’organizzazione senza scopo di lucro che si occupa di ricerca sulla sostenibilità ambientale. Il “superamento” confrontando giorno del si ottiene le risorse terrestri con il consumo che ne viene fatto, la data che si ricava è approssimativa. Secondo i calcoli del Global Footprint Network, la nostra domanda di risorse rinnovabili e di servizi ecologici che questi possono produrre è al momento equivalente a quella di 1,5 Pianeti Terra. Di questo passo nel 2050 avremo bisogno di più di due pianeti (Fig.7). La Cina, a questo ritmo di crescita, richiede 2 volte e mezzo la grandezza di sé stessa, altri Paesi industrializzati non sono da meno: noi italiani consumiamo risorse ecologiche pari a 4 volte le capacità del - 24 - territorio su cui viviamo; la Svizzera 4 volte e mezzo; il Qatar 6 volte; il Giappone 7. La situazione non è sostenibile. 2.3 L’Energia come questione etica Il Dr. Hermann Scheer10 fu un grande sostenitore del concetto di impronta ecologica, illuminato e attivissimo uomo politico tedesco che, per primo al mondo, ha proposto ed avviato una drastica e responsabile svolta verso un’economia che avesse come primaria fonte energetica solo le energie rinnovabili. Hermann Scheer si è battuto con forte determinazione e grinta puntando ad un solo, qualificante e grandissimo obiettivo: creare tutte le condizioni, sia culturali che legislative per arrivare ad avere in Germania, per prima al mondo ed in tempi strettissimi, come unica fonte energetica, al 100%, le energie rinnovabili. Egli fu tra i primi a comprendere l’importanza strategica e politica dell’energia non solo per una questione etica, umana e morale ma anche per le inevitabili e profonde implicazioni che una tale scelta comporta. Infatti mentre i benefici delle energie fossili e dell’energia atomica si concentrano maggiormente nella parte più benestante della popolazione mondiale (e controllate da oligopoli), i loro costi umani, per esempio il cambiamento climatico, l’inquinamento ambientale, ricadono sproporzionatamente su coloro (la stragrande maggioranza delle persone) che meno profittano dei benefici. La parte meno abbiente e più debole dell’umanit{ vede inoltre “ipotecato” negativamente il proprio futuro, in particolare le nuove generazioni Politico tedesco, già membro del Bundestag nelle file del SPD, presidente di Eurosolar e del World Council for Renewable Energy. Ha ricevuto nel 1999 il Right Livelihood Award per "l'infaticabile opera di promozione dell'energia solare nel mondo". 10 - 25 - che, di questo passo, erediteranno un pianeta fortemente condizionato sul piano ambientale. Il modello dell’autonomia energetica proposto da Hermann Scheer tende ad accorciare le filiere dell’approvvigionamento energetico, così che ogni territorio possa fare i conti solamente con le risorse energetiche effettivamente disponibili. Principalmente grazie alle sue idee, la Germania ha potuto giovarsi di una posizione d’avanguardia nello sviluppo delle energie rinnovabili e in particolare del solare, nel panorama europeo pur non godendo di una posizione geograficamente privilegiata. 2.4 Conclusioni ed insegnamenti Vi sono almeno due insegnamenti importanti da trarre dal rapporto su “i limiti dello sviluppo”. Il primo indica che in un mondo finito e complesso, se si elimina o si sposta verso l’alto un limite e si continua a crescere, si incontra un altro limite. E il limite successivo, se la crescita è esponenziale, si presenterà ben prima di quanto si creda. Un secondo insegnamento è che quanto più una società riesce a spostare in avanti i limiti attraverso adattamenti tecnici ed economici, tanto più è probabile che essa finisca con lo scontrarsi con più limiti simultaneamente. Vi sono inoltre, almeno due ulteriori ragioni per cui i meccanismi della tecnologia e del mercato, altrimenti perfettamente efficaci, non sono però capaci di risolvere i problemi che nascono in una società in corsa esponenziale verso una molteplicità di limiti interconnessi. Essi hanno a che fare con gli scopi, i costi e i ritardi. La prima ragione è che i mercati e le tecnologie non sono altro che strumenti al servizio di scopi, dei valori etici e delle prospettive della - 26 - società nel suo insieme. Se gli scopi impliciti di una società consistono nello sfruttare la natura, arricchire le classi dominanti e trascurare ogni prospettiva a lungo temine, quella società svilupperà tecnologie e mercati che distruggono l’ambiente, ampliano il divario tra ricchi e poveri e sono ottimizzate per il profitto a breve termine. In breve, quella società svilupperà tecnologie e mercati che, lungi dall’impedire il collasso, lo accelerano. La seconda ragione è che i meccanismi di adattamento hanno dei costi, i quali tendono a crescere man mano che ci si approssimi ai limiti, e lo fanno con andamento non lineare. 2.5 energie rinnovabili: la soluzione? Secondo il noto economista Eugenio Benetazzo [16] (Benetazzo, 2007) le attuali energie cosiddette alternative avrebbero un nome improprio, andrebbero chiamate “derivative” in quanto non rappresentano assolutamente un’alternativa, quanto piuttosto una fonte di energia che deriva anch’essa da un diverso uso del petrolio. Pensare, infatti, di usufruire di pannelli fotovoltaici o impianti eolici senza poter disporre di greggio in abbondanza ed a buon mercato rappresenta una possibilità inverosimile. Le leggi del mercato e le speculazioni sul prezzo del greggio faranno sì da determinare aumenti di prezzo contingentati con quelli del greggio stesso, in questo modo verranno a determinarsi spirali di stagflazione economica e produttiva causate dalla dipendenza dal petrolio che le stesse rinnovabili dovrebbero scongiurare. Sotto questo aspetto si comprende, quindi, che la strada per la sostenibilità da fonte rinnovabile non è così semplice, automatica e lineare. Ma allora cosa si può fare? - 27 - Se, dunque, sembra esser finito il tempo della dipendenza da un’unica risorsa e quindi dai regimi monopolistici internazionali, l’unica via che resta da percorrere è quella dell’autonomia energetica locale sfruttando innovazioni tecnologiche globali. Si ritiene, infatti, che questa sia la giusta interpretazione del motto dell’Aspen Institute11: “pensare globalmente, agire localmente”. Da questo punto di vista la miglior soluzione, per quanto riguarda la politica energetica, immediatamente realizzabile ed impiantabile sul territorio potrebbe essere lo sfruttamento dell’energia eolica sviluppata secondo politiche atte ad accrescere il decentramento energetico. La tematica sarà approfondita nel capitolo successivo. L’Aspen Institute è un’organizzazione internazionale non profit, fondata nel 1950. Tra i suoi fini quello di incoraggiare le leadership illuminate, le idee e i valori senza tempo e il dialogo sui problemi contemporanei. 11 - 28 - CAPITOLO 3 - L’ENERGIA EOLICA L’energia del vento, così come tante altre forme di energia, deriva dall’energia solare. La distribuzione irregolare della radiazione solare unita alle diverse caratteristiche termiche della superficie del pianeta genera una differenza di temperatura in atmosfera che crea un gradiente nella densit{ dell’aria e, conseguentemente, una differenza di pressione atmosferica, all’origine della convezione atmosferica (una massa d’aria in alta pressione si muove verso zone di bassa pressione). La tecnologia eolica converte l’energia associata al movimento delle masse d’aria in forme utilizzabili di energia. La Terra cede in continuazione all’atmosfera il calore ricevuto dal Sole, ma non in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore (zone di aria fredda) la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene rilasciato più calore, l’aria si riscalda e la pressione dei gas diminuisce. Si crea pertanto una macrocircolazione dovuta ai moti convettivi: masse d’aria si riscaldano, diminuiscono la loro densità e salgono, richiamando aria più fredda che scorre sulla superficie terrestre. Questo moto di masse d’aria calde e fredde produce le aree di alta pressione e le aree di bassa pressione stabilmente presenti nell’atmosfera, influenzate anche dalla rotazione terrestre. (Fig. 8). Poiché l’atmosfera tende a ripristinare costantemente l’equilibrio di pressione, l’aria si muove dalle zone dove la pressione è maggiore verso quelle in cui è minore. Il vento è dunque lo spostamento di una massa d’aria, più o meno veloce, tra zone di diversa pressione. Tanto più alta è la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria e quindi tanto più forte sarà il vento. Figura 8 Abbiamo gi{ discusso nel primo capitolo di come l’energia del vento sia meno dell’1% di tutta l’energia solare che raggiunge la Terra. Una percentuale apparentemente modesta, che però rappresenta oltre 10 - 29 - volte il totale degli attuali consumi energetici mondiali. Non tutta questa potenzialità è ovviamente sfruttabile dall'uomo, che può al massimo catturare una frazione dell'energia eolica contenuta nei primi 200 metri di atmosfera e con venti di velocità in genere compresa tra i 4 e i 25 metri/secondo. Pur con queste limitazioni, tuttavia, l'energia eolica resta teoricamente in grado di soddisfare l'intero fabbisogno energetico. 3.1 l’eolico nel mondo In effetti lo sviluppo dell’energia eolica per la generazione elettrica sta progredendo in modo molto accelerato. Al 2012, la potenza globalmente installata ammonta a quasi 280 GW (più del doppio di quella 2008), pari all’1,5% della domanda elettrica mondiale e sufficiente a soddisfare il fabbisogno basilare di 450 milioni di persone. Figura 9 - Potenza Eolica Mondiale Totale installata, fonte: www.gwec.net - 30 - Nel 2010 la quota era di 190 GW. Di questo passo secondo le previsioni del rapporto Technology Road Map: Wind La corrispondente produzione di energia è illustrata in questo altro grafico a destra. A scopo di confronto è riportata anche la produzione attuale da nucleare, per evidenziare le interessanti prospettive dell’eolico anche in campo industriale. Energy 2050 [17] (IEA, 2013), la IEA ritiene che l’industria eolica possa porsi l’obiettivo «ambizioso, ma non impossibile» di installare 2’000 GW al 2050, che equivarrebbe alla copertura del 12% della domanda elettrica attesa per quella data. Figura 10 Secondo queste previsioni, dopo il 2030 la crescita non sarà più esponenziale, ma probabilmente rallenterà; la producibilità tuttavia non si ridurrà, anzi aumenterà dalle attuali 2100-2200 ore a 2400-2600, segno che si prevede di sfruttare siti offshore ad alta ventosità. fonte: http://ecoalfabeta.b logosfere.it Anche secondo il Global Wind Energy Council [18], esistono ottime prospettive di sviluppo. Come si evince dal grafico di Fig. 10, secondo lo scenario delle previsioni di crescita “medio” è possibile arrivare a installare 700 GW nel 2020, 1400 GW nel 2030 e 1800 nel 2050. - 31 - Circa il della 99% genera- zione eolica è assicurata da impianti a terra, anche se la capacità in mare (off-shore) prevede scerà crerapida- mente Figura 11 si nei prossimi anni rispetto ai 4.600 MW installati in dodici Paesi a metà 2012 (Fig. 11) [19] (Ecoalfabeta). A livello di singoli Paesi, la Top Ten della potenza eolica installata è guidata prepotentemente dalla Cina (67.774 MW), con 17.600MW installati nel 2012, pari a quasi il 44% del mercato mondiale. Il mercato cinese si conferma quindi come il principale mercato dell’energia eolica mondiale, nonostante un notevole calo mostrato rispetto al 2010. (Fig. 12) [20] (WorldWindEnergyAssociation, 2012) Seguono gli USA (49.802 MW) che nel 2011 hanno installato 6.800 MW, scalzando così la Germania (30.016 MW) che passa in terza posizione. Quarta la Spagna (22.087 MW), seguita dall’India, Italia, Francia e Gran Bretagna (3.241 MW). - 32 - Figura 12 Benché gli impianti si moltiplichino e non manchi giorno che venga annunciato un nuovo grande progetto da centinaia di MW, in realtà, in un’ottica globale, la produzione eolica è ancora poco più che marginale (1,5%) rispetto alla domanda mondiale di energia elettrica. Come per le altre forme di energia solare, però, sussistono notevoli limitazioni: bassa intensità energetica, discontinuità, aleatorietà e distribuzione non uniforme sul territorio. 3.2 principi di funzionamento di un aerogeneratore Una turbina eolica o aerogeneratore trasforma l’energia cinetica posseduta dal vento in energia elettrica senza l’utilizzo di alcun combustibile e passando attraverso lo stadio di conversione in energia meccanica di rotazione effettuato dalle pale. - 33 - Le turbine possono essere a “portanza” o a “resistenza” in funzione di quale sia la forza generata dal vento e sfruttata come “forza motrice”. Figura 13 Per capire il principio di funzionamento di un aerogeneratore facciamo riferimento Il vento passa su entrambe le facce della pala, più velocemente sul lato superiore, creando un'area di bassa pressione. Questa differenza di pressione tra le due superfici ha come risultato una forza chiamata portanza aerodinamica (lift)(Fig.13). La portanza sull'ala di un aereo lo fa alzare da terra, in un aerogeneratore, poiché le pale sono vincolate a muoversi su di un piano, causa la rotazione intorno al mozzo. Contemporaneamente si genera una forza di trascinamento resistiva (drag), perpendicolare alla portanza che si oppone al moto. Il primo obiettivo nel progetto di una turbina eolica è avere un alto rapporto portanzaresistenza. alle turbine attualmente più diffuse, ossia quelle a “portanza”; in esse, rispetto a quelle a “resistenza”, il vento scorre su entrambe le facce della pala, che presentano profili geometrici differenti, creando così in corrispondenza della superficie superiore una zona di depressione rispetto alla pressione sulla faccia inferiore.12 Questa differenza di pressione produce sulla superficie della pala eolica una forza chiamata portanza aerodinamica (Fig. 13), analogamente a quanto accade per le ali degli aerei. La macchina eolica è quindi capace di produrre un certo quantitativo di energia, ciò in base ad un fattore rilevante ovvero la forza del vento che 12 Il profilo alare della pala eolica determina una velocità differente della vena fluida che lambisce la superficie superiore rispetto alla velocità della vena fluida che scorre lungo la superficie inferiore. Tale differenza di velocit{ è all’origine della variazione di pressione. - 34 - la stessa riesce a trasformare; la potenza accumulabile dal generatore eolico è proporzionale alla velocità del vento, alla densit{ dell’aria e all’area spazzata dalle pale. In campo eolico vige la legge del cubo, secondo cui, in un dato istante, la potenza del vento è proporzionale al cubo della sua velocità. In altri termini ciò significa che se la velocità del vento raddoppia la potenza di un generatore accresce di otto volte, parimenti se la velocità si dimezza, la potenza sarà 8 volte inferiore. Gli studi di Betz hanno dimostrato che una turbina ideale ad asse orizzontale, al massimo può convertire il 59% dell'energia cinetica posseduta dal vento, tale valore diminuisce considerando le perdite dissipative dovute alla viscosità del fluido. La potenza elettrica generata è quindi: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = Dove: 1 2 ∗ 𝜌 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑆 ∗ 𝑣13 𝑃𝑚𝑎𝑥 = potenza espressa in Watt 𝜌 = densità della massa d'aria espressa in 𝑘𝑔 (Equazione 1) 𝑚3 𝐶𝑝 = coefficiente di potenza massimo di una turbina ideale ad asse orizzontale, pari a 16/27 = 0.593 (Legge di Betz) 𝑆 = Area circolare spazzata dalle pale del rotore ed attraversata dalla massa d'aria espressa in 𝑚2 𝑣1 = Velocità della massa d'aria indisturbata, prima del passaggio attraverso le pale, espressa in 𝑚 𝑠 Come si può notare 𝑃𝑚𝑎𝑥 varia con il cubo della velocità del vento 𝑣1 . Ad esempio, con una densit{ standard dell’aria a livello del mare 𝜌 = 1.225 𝑘𝑔 2 𝑚3 ed 𝑆 = 1 𝑚 si ha: 𝑣1 = 5 𝑚 𝑠 ⇒ 𝑃1 = 76 𝑊 𝑚2 - 35 - 𝑣2 = 6 𝑚 𝑠 ⇒ 𝑃2 = 132 𝑊 𝑚2 𝑣3 = 7 𝑚 𝑠 ⇒ 𝑃3 = 210 𝑊 𝑚2 Quindi, con un aumento di velocità del vento di solo 1 𝑚 𝑠, la potenza disponibile specifica si incrementa di circa il 60-70%. Prendendo inoltre come riferimento la potenza disponibile specifica (𝑃 = 210 𝑊 𝑚 è possibile 𝑠 𝑚2 ) della vena fluida relativa alla velocità 𝑣1 = 7 determinare l’aerea ed il diametro di tale vena fluida per diversi valori di potenza disponibile (v. Figura 14): P = 1 kW ⇒ A = 4,7 𝑚2 ⇒ D = 2.5 m P = 10 kW ⇒ A = 47,6 𝑚2 ⇒ D = 7.8 m P = 20 kW ⇒ A = 95,2 𝑚2 ⇒ D = 11.0 m Figura 14 La potenza P è direttamente proporzionale, quindi, all’area spazzata dalle pale ed al cubo della velocità del vento. Calcolare con precisione la velocità del vento è rilevante ai fini statistici poichè una minima - 36 - variazione determina potenze molto differenti. Questa peculiarità rende evidente l’importanza di un’oculata scelta dei siti in cui collocare gli aerogeneratori e quindi la conseguente necessità di operare al fine di sviluppare una mappa dei siti eolici prima di impiantare le fattorie del vento. Il 𝐶𝑝 rappresenta il coefficiente di potenza ottenibile moltiplicando il coefficiente di potenza teorico per il rendimento del rotore, comprensivo delle perdite dissipative. Tale relazione viene così espressa: 𝐶𝑝 = 𝐶𝑝𝑡 ∗ 𝜂𝑟 Nel calcolare l’ espressione della potenza captata (Equazione 1) si è ipotizzato che il vento incida perpendicolarmente sul disco del rotore. Diversamente, nella formula comparirebbe un ulteriore termine a fattore, ovvero cos γ, dove γ rappresenterebbe l’ angolo tra la direzione del vento e la normale alla superficie spazzata dal rotore. Avendo costatato che il Limite di Betz è approssimativamente pari a 0.6 e che il rendimento del rotore è generalmente compreso tra 0.25 e 0.75, a seconda della tipologia di aerogeneratore, si ha un andamento del coefficiente di potenza compreso solitamente tra i valori 0.15 e 0.45. Tale situazione si può verificare nel grafico di Figura 15, dove viene riportato il coefficiente di potenza in funzione del coefficiente di velocità periferica, per varie tipologie di rotori eolici. Si nota che nel caso reale il coefficiente di potenza non è costante, bensì variabile in dipendenza del coefficiente di velocità periferica λ. Il coefficiente di velocità periferica λ13 è dato dal rapporto tra la velocità periferica delle pale del rotore, ottenuta moltiplicando la velocità di rotazione Ω per lo sviluppo radiale R della pala, e la velocità del vento V λ= 13 u Ω∗R = V V Identificato anche come TSR (Tip Speed Ratio) - 37 - e rappresenta rappresentativo quindi delle un parametro condizioni di molto significativo, funzionamento dell’ aerogeneratore. Massimo valore di Cp ottenibile al variare di λ Figura 15 - Andamento del massimo valore del coefficiente di potenza Cp al crescere del coefficiente di velocità periferica λ per le principali tecnologie eoliche raffrontate anche con il limite di Betz. Gli andamenti rappresentati in Fig. 15 sono emblematici: le turbine ad asse verticale hanno coefficienti di potenza minori di quelle classiche ad asse orizzontale; quest’ultime raggiungono i massimi valori di efficienza con λ più elevati ma danno prestazioni molto maggiori. Al fine di massimizzare l’energia annua prodotta il coefficiente di potenza Cp dovrebbe essere mantenuto al suo valore massimo durante il funzionamento dell’aerogeneratore per più tempo possibile, anche al variare della velocità del vento. I primi aerogeneratori eolici installati erano a velocità fissa, ovvero la velocità di rotazione del rotore era vincolata alla frequenza di rete con la conseguenza che l’impianto entrava in funzione solo in un certo range di ventosità, inferiore a quello teoricamente reso possibile dalla sua curva di potenza. Per sfruttare maggiormente il vento e in particolar modo la variabilità - 38 - della sua intensità, sono state introdotte diverse tecnologie, tra cui: aerogeneratori a velocità variabile che, muniti di appositi convertitori, provvedono all’adattamento della frequenza della tensione prodotta a quella della rete, permettendo al rotore di generare potenza adeguando la sua velocità di rotazione a quella del vento. Normalmente il sistema di controllo prevede anche la variazione dell’inclinazione delle pale, per limitare la potenza assorbita quando il vento supera una certa intensità. Questa tecnologia a velocità variabile permette un intervallo di velocità del vento sfruttabile pari a ± 30% del valore nominale ottenibile con impianti a velocità fissa. 3.3 Le tecnologie eoliche Le classificazioni degli aerogeneratori sono molteplici, ma la più conosciuta è senza dubbio quella che prevede due grandi categorie; in base alla disposizione dell’asse di rotazione si individuano macchine ad asse orizzontale e macchine ad asse verticale a seconda se l’asse è rispettivamente parallelo o perpendicolare alla direzione del vento. Esistono almeno 3 tipi di classificazione degli Aerogeneratori, per: ASSE DI ROTAZIONE Gli aerogeneratori appartengono alla classe di sistemi eolici che effettuano la conversione dell’energia cinetica del vento in energia elettrica (continua o alternata). Il componente più importante di un aerogeneratore, la turbina (o rotore), può presentare tipologie costruttive e funzionali molto diverse, classificabili in funzione della posizione dell’asse di rotazione in: 1. Turbine ad Asse Orizzontale (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine) - 39 - Il 99% delle turbine attualmente in uso ha l’asse di rotazione orizzontale. Un generatore eolico ad asse orizzontale è formato da una torre in acciaio di altezze che si aggirano tra i 60 e i 100 metri sulla cui sommità si trova un involucro (gondola) che contiene un generatore elettrico azionato da un rotore a pale di lunghezza variabile. Esso genera una potenza altrettanto variabile: tipicamente un rotore a pale di 20-30 metri di raggio produce una potenza oscillante tra i 400-600 kW che equivale al fabbisogno giornaliero di circa 200 famiglie. La lunghezza delle pale è il limite principale alla realizzazione di macchine molto più grandi di quelle attualmente prodotte: i requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentono di ipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di 180 metri. Come i generatori ad asse verticale anche quelli ad asse orizzontale richiedono una velocità minima di 3-5 m/s ed erogano la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 m/s. Ad elevate velocità (20-25 m/s) l’aerogeneratore viene bloccato per ragioni di sicurezza. Non è producente, infatti, costruirli per venti più forti in quanto questi venti sono rari, nel caso dunque di venti maggiori a quello ottimale è necessario dissipare parte dell’energia in eccesso in modo da non danneggiare la turbina; di conseguenza tutti i generatori eolici sono equipaggiati con dispositivi per il controllo della potenza, ne esistono principalmente di due tipi: controllo dell’inclinazione delle pale (pitch control) e controllo di stallo. Verranno esaminati in seguito nel dettaglio. Tutti i modelli ad asse orizzontale indipendentemente dal numero di pale presentano caratteristiche identiche; sono costituite da una torre di sostegno, un rotore (che è l’insieme delle pale, del mozzo, dell’albero e parte del meccanismo di controllo del passo) e da una navicella in cui sono contenuti il generatore, il moltiplicatore di giri (assente nel caso - 40 - di generatori sincroni), i freni, il sistema di controllo (che deve azionare i freni meccanici in caso di sovraccarico, guasto o per manutenzione), gli attuatori del “pitch control” (controllo del passo) e dello “yaw control” (controllo dell’imbardata). Figura 16 In Fig. 16 sono presentate le tipologie di HAWT più diffuse. Il numero di pale ricade solitamente sul numero tre per ottenere un miglior bilanciamento ed una generazione di coppia più regolare (pala più alta massima potenza, pala più bassa risente dell’effetto ombra della torre). I rotori monopala e bipala sono poco utilizzati se non per ottemperare ad esigenze di natura economica, consentono alte velocità ma anche forte rumore, impatto visivo e scarsa potenza. - 41 - Figura 17 I sistemi multipala (da 10 a più di 20 pale) sono adatti per velocità molto basse con alte coppie di spunto, mentre sono molto inefficienti ad alte velocità e con rischio di danneggiamento. Sono prevalentemente utilizzati nei sistemi di pompaggio. Nelle macchine di piccola potenza la variazione dell’angolo di “pitch” è assente, mentre quella dell’angolo di “yaw” al posto di essere effettuata da servomeccanismi viene garantita da un timone (Fig. 17) che ricorda nelle forme una pinna di pesce e meccanicamente, senza elettricità, orienta la navicella. Esistono due modalità di installazione del rotore (fig. 18): quella sottovento e quella sopravento. Figura 18 – Rotore sopravento e sottovento La prima non ha bisogno di nessun motore elettrico per lo “yaw control” e nessun timone, infatti le pale sono molto flessibili e flettendo creano un cono aerodinamico che allinea la macchina al vento. Presenta però il grosso svantaggio di generare carichi pulsanti su tutta la struttura facendo sorgere il fenomeno della fatica, c’è inoltre il problema della schermatura generata dalla torre che riduce l’efficienza, - 42 - ragione per cui in genere si predilige l’installazione sopravento che pur richiedendo pale più rigide al fine di evitare che una loro flessione le porti a impattare contro la torre di sostegno garantisce maggior efficienza. Per entrambe le installazioni al crescere della velocità del vento l’angolo di attacco sulle pale aumenta finché al di sopra di una certa velocit{, il flusso d’aria inizia a distaccarsi dalla superficie delle pale. Questo fenomeno di stallo si presenta all’inizio in prossimit{ del mozzo e poi si estende verso l’estremit{ della pala all’aumentare della velocità del vento fornendo un meccanismo automatico di regolazione della potenza. Ricapitolando sulle turbine ad asse orizzontale (HAWT): Sono i più diffusi con potenza che varia da centinaia di W fino a 5 MW Installazione su torre (maggiore velocità del vento, minore turbolenza), mentre sul tetto è limitata a piccole potenze (problemi di vibrazioni) Uso di rotori sopravento o sottovento Regolazione attiva del passo delle pale e dell’imbardata, in genere per potenze elevate (>10 kW) Possibilità di controllare la potenza alle alte velocità sfruttando la deformazione delle pale (‘aerodynamic stall effect’) Problema contenimento della velocità periferica per ridurre il rumore (<70 m/s) 2. Turbine ad Asse Verticale (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine) Un generatore eolico ad asse verticale è un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantità di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un’alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente. È una macchina molto versatile, adatta all’uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell’ordine del Megawatt (una sola turbina soddisfa il fabbisogno elettrico mediamente di circa 500 case). Le pale si muovono nella stessa direzione del vento e sono caratterizzate da una bassa velocità di rotazione e da un momento - 43 - rotore elevato. Questa tipologia di impianti si presta ad essere adottata per applicazioni di tipo rurale e/o residenziale quindi con impianti di taglia medio/piccola. Questa tecnologia permette di funzionare con venti a intensità molto variabile, di essere installata a livello del terreno e di non richiedere ulteriori meccanismi di orientamento delle pale. Questi vantaggi tuttavia si traducono in necessari compromessi, ovvero una minore capacità di assorbire energia rispetto alle macchine con asse orizzontale poiché la resistenza aerodinamica che offrono le pale girando contro la direzione del vento riduce l’efficienza dell’aerogeneratore, la necessit{ di un meccanismo di avviamento del rotore (turbina Darrieus) e, infine la necessità per le componenti dell’impianto di resistere a grandi sforzi meccanici, causati dal peso della struttura e dal movimento delle pale che riducono l’efficienza totale del sistema. Figura 19 – Esempi di rotori ad asse verticale, a partire da sinistra: Giromill Darrieus, Sanonius tipo a, Savonius tipo b. Sono meno efficienti rispetto alle macchine con asse orizzontale (30%), negli ultimi tempi, tuttavia, si è cercato di ottimizzare molto queste macchine, rendendole molto competitive: si stima che gli ultimi prototipi, funzionando molte più ore l’anno rispetto a quelle ad asse orizzontale abbiano di fatto un rendimento complessivo maggiore. - 44 - Figura 20 – Esempi di rotori ad asse verticale, da sinistra in senso orario: Darrieus bipala, Darrieus modulare, Darrieus Turby, Savonius elicoidale (o Windside) La principale differenza tra i due rotori risiede nella loro tipologia di funzionamento: la turbina Savonius lavora a resistenza, la Darrieus a portanza. Nella Tabella 4 vengono elencati alcuni dettagli tecnici. Tabella 3 Savonius Darrieus 19 – 23 175 (Windside) 30-40 470 (Turby) Emissione sonora Vibrazioni Trascurabile Scarsa Velocità massima Non dipendente dalla turbina Auto-avviante >70 dBA Vibrazioni dovute al carattere intermittente della forza aerodinamica Limiti stringenti sulla forza centrifuga Avviamento da rete o con turbina ausiliaria Rendimento rotore [%] Densità di Potenza [ 𝑊 𝑚2 ] Tipo di avviamento - 45 - Ricapitolando sulle Turbine ad asse verticale (VAWT) Funzionamento indipendente dalla direzione del vento adatte per condizioni di vento turbolento Possibile posizionamento a livello del terreno facile manutenzione sulle apparecchiature elettriche Bassa velocità di inizio funzionamento (cut-in) possibilità di sfruttare i venti deboli Basso impatto acustico e visivo adatte all’uso in ambito residenziale TAGLIA La classificazione per taglia comprende in sé una doppia distinzione: il concetto di taglia risulta stabilito, sia dalla classe di potenza nominale del generatore, sia dalle caratteristiche geometriche del rotore e della torre. Entrambi i fattori concorrono a determinare aerogeneratori di: 1. piccola taglia 2. media taglia 3. taglia intermedia 4. grande taglia (rotore di D <12 m e P ≤100 kW), (rotore di D <50 m e 100< P ≤600 kW), (rotore di D =50 m e 600< P ≤1000 kW), (rotore di D >60 m e P >1500 kW). E’ interessante notare come tale classificazione per taglia non possa essere messa facilmente a confronto con quella (più moderna) relativa alla sola classe di potenza nominale. Ci sono aerogeneratori che, pur presentando uguale diametro, hanno una potenza nominale differente tra loro, in quanto sono progettati per venti di diversa intensità; ciò ci conferma come le due classificazioni non siano facilmente sovrapponibili. SISTEMA DI GENERAZIONE ELETTRICA Ulteriore forma di classificazione è quella effettuata in funzione del tipo di sistema di generazione elettrica adottato. Le tecnologie di generazione possono raggrupparsi in due macrofamiglie costituite da: - 46 - 1. generatore sincrono - ad avvolgimento - a magneti permanenti (direct drive) 2. generatore asincrono - a gabbia di scoiattolo - ad avvolgimento Il principio di funzionamento del generatore sincrono ad avvolgimento si basa su una spira rotante che taglia il campo magnetico induttore, per cui ai suoi capi risulta disponibile una f.e.m. alternata. Ai fini della produzione di f.e.m., si può anche tenere fissa la spira collocandola sullo statore e creare invece un campo magnetico rotante mediante una o più coppie di poli (con avvolgimenti). La frequenza e la tensione ai capi della spira sono proporzionali alla velocità di rotazione del rotore. Infatti se connesso alla rete, per funzionare alla frequenza di quest’ultima, la turbina deve ruotare ad un numero di giri costante e pari a 𝑛 = 60 ∗ 𝑓 𝑝 per questo motivo risulta necessario l’uso di un moltiplicatore meccanico. Questo tipo di generatore è ad oggi quasi scomparso nelle macchine eoliche anche perché la sua efficienza è molto inferiore a quella di aerogeneratori a velocità variabile. Altra tecnologia è quella utilizzata nel generatore sincrono a magneti permanenti detto anche “direct drive”. Il generatore sincrono “direct drive”, ovvero senza moltiplicatore di giri, è composto da un generatore a magneti permanenti, accoppiato direttamente alla turbina. Esso risulta essere al momento la soluzione più performante disponibile sul mercato in quanto, per la grande flessibilità del sistema di generazione, è in grado di operare a giri variabili su un ampio campo di velocità. - 47 - Come per il generatore sincrono ad avvolgimento, anche il generatore asincrono a gabbia di scoiattolo, se collegato alla rete, dovrà ruotare al numero di giri del sincronismo e dunque necessita di un moltiplicatore meccanico e di una eccitazione dalla rete. Per rendere più comprensibile il funzionamento del generatore asincrono, si pensi dapprima al funzionamento del motore asincrono: il campo rotante prodotto dalle correnti di statore (induttore) induce negli avvolgimenti di rotore (indotto) tensione che genera circolazione di corrente, essendo gli avvolgimenti di rotore chiusi su sé stessi (in cortocircuito). L’applicazione più diffusa dell’asincrono è il generatore asincrono ad avvolgimento che consiste nell’utilizzo del generatore accoppiato ad un sistema di alimentazione rotorica controllata da un convertitore bistadio AC-DC-AC (la potenza del convertitore è circa il 25-30% di quella totale del sistema di generazione). In questo modo è possibile regolare le grandezze elettriche rotoriche per ottenere il valore richiesto di scorrimento. Tale soluzione tecnologica, molto diffusa negli aerogeneratori di grande taglia, rappresenta un compromesso, in termini di costi e prestazioni, fra il generatore sincrono a magneti permanenti e il generatore asincrono a gabbia di scoiattolo, in quanto è possibile il funzionamento a giri variabili ma in un campo di velocità non molto esteso. Il discorso sui generatori verrà approfondito nel Capitolo 4. SISTEMA DI CONTROLLO DELLA SOVRAVELOCITà La classificazione dei sistemi di controllo della sopravelocità può essere raggruppata in due grandi categorie: - 48 - 1. Sistemi di Controllo passivo I sistemi di controllo passivo sono quei sistemi che entrano in azione spontaneamente ovvero senza alcuna modificazione dell’assetto geometrico della pala. E’ la stessa velocit{ del vento ad innescare forze aerodinamiche in grado di ridurre la velocità di rotazione. In questa classe rientrano: I. Controllo per stallo passivo Le turbine hanno le pale attaccate al mozzo con un angolo fisso. La geometria dell'elica è progettata aerodinamicamente in modo che, quando la velocità del vento diventa troppo elevata, si creino delle turbolenze che ostacolando la spinta sulle pale. La pala è inclinata leggermente lungo il suo asse longitudinale in modo da garantire lo stallo graduale. Questo tipo di controllo è molto semplice anche se richiede un progetto aerodinamico complesso. II. Controllo per imbardata (yaw controlled)14 Adoperato per posizionare il piano dell'elica ortogonalmente rispetto alla direzione da cui soffia il vento. La turbina ha un errore dell'imbardata se il rotore non è perpendicolare al vento. Essa è libera di ruotare ma la spinta esercitata dal vento fa sì che al crescere della velocit{ essa abbandoni l’assetto frontale: alla velocità massima la turbina si disporrà quasi parallela al vento (turbina “in bandiera”); in tal caso la potenza si annulla. 2. Sistemi di Controllo attivo Nei sistemi di controllo attivo rientrano: I. Pitch Control Viene emanato un ordine agli attuatori che immediatamente ruotano le pale in modo che ricevano un minor vento. Inversamente le pale sono inclinate in modo che ricevano più vento, quando esso cala nuovamente. Le pale devono poter ruotare rispetto ad un asse longitudinale. L’angolo di “pitch”, o angolo di calettamento, è l’angolo che assume la pala rispetto al piano di rotazione del rotore e tramite una sua variazione è possibile regolare l’ incidenza del vento sulla pala e di conseguenza effettuare una regolazione attiva della macchina. II. Controllo per stallo attivo Meccanismo di controllo dell’inclinazione delle pale tecnicamente simile al pitch control, le pale possono inclinarsi per garantire un ragionevole incremento di coppia con venti deboli ma se il generatore sta per sovraccaricarsi, qui sta la differenza, le pale Solo per turbine ad asse orizzontale, serve a mantenere la macchina orientata nella direzione del vento, ma che può anche essere utilizzato, in linea di principio, per il controllo della potenza. 14 - 49 - ruotano nella direzione opposta; in pratica si aumenta l'angolo d'incidenza delle pale sul vento in modo da farle entrare in stallo per sprecare l'eccesso d'energia del vento. Nei sistemi di controllo per stallo, allo scopo di ridurre la portanza aerodinamica sulla pala, si agisce sull’angolo di attacco per realizzare una condizione di minore portanza rispetto a quella di progetto, aumentando l’angolo di incidenza e quindi mandando in stallo il profilo alare. Questo può avvenire sia per riduzione del rapporto fra la velocità tangenziale del profilo e la velocità del vento (stallo passivo) che per variazione diretta dell’angolo di attacco ruotando le pale intorno al proprio asse longitudinale variando così l’angolo di attacco del profilo (stallo attivo). Il “pitch control”, o “regolazione del passo”, è analogo allo stallo attivo (entrambi rientrano nei sistemi di controllo attivi) con la differenza che la riduzione di portanza aerodinamica sulla pala si ottiene riducendo l’angolo di incidenza senza mandare in stallo il profilo. Infine nei sistemi di controllo per imbardata, l’angolo di “yaw” è l’angolo di rotazione della navicella sulla propria torre di sostegno; dal momento che la macchina deve sempre essere allineata rispetto al vento, un sistema di movimentazione attivo provvede a movimentare la navicella a seconda della direzione di provenienza del vento. Tale sistema di controllo “yaw controlled” è in genere utilizzato solo per impianti di microgenerazione con turbine ad asse orizzontale ed è l’unico metodo di regolazione della potenza disponibile per queste macchine. Tale tecnologia consente regolazioni meno precise rispetto ai sistemi attivi e non può prescindere dall’utilizzo di freni meccanici o aerodinamici atti ad arrestare il rotore in caso si voglia interrompere il funzionamento dell’aerogeneratore in presenza di vento. - 50 - Al contrario i sistemi di controllo attivo (pitch, stallo attivo) sono in grado di modificare l’angolo di incidenza della pala e quindi assolvono anche alla funzione di freno (orientando il profilo aerodinamico in posizione di bandiera), rendendo superflui dei sistemi di frenatura aggiuntivi. Questa soluzione tecnologica, più costosa e precisa, è di solito adoperata su sistemi di classe megawatt e multimegawatt, essendo sempre possibili delle eccezioni. Figura 21 In fig. 21 sono messe a confronto, in funzione della velocità del vento, la curva della potenza disponibile della vena fluida, la curva ideale del limite teorico di Betz della potenza massima estraibile e le curve reali della potenza generata in una turbina a controllo passivo dello stallo ed a regolazione dell’angolo di Pitch. Come si può notare, mediante il controllo di tale angolo, una volta raggiunta la potenza nominale del generatore elettrico, è possibile mantenerla molto prossima a tale valore fino alla velocità di cut-off. Tuttavia, in ambito mini-eolico per macchine la cui potenza nominale non superi i 100 kW la differenza di stabilità a regime tra i sistemi di regolazione attivi e passivi risulta modesta, come dimostra il grafico di Fig. 22 (Segato, 2009). Figura 22 - Andamento tipico curva di potenza per aerogeneratori controllati con sistemi attivi rispetto a sistemi passivi - 51 - 3.4 Alcune generalità tecniche Lo strumento utilizzato per la conversione dell’energia eolica: l’aerogeneratore eolico, trasforma l’energia cinetica del vento in energia meccanica di rotazione, essa può essere utilizzata in modo diretto dalle macchine (per esempio pompe d’acqua o mulini a vento) o convertita in energia elettrica tramite l’utilizzo di un generatore elettrico. Esistono aerogeneratori diversi per forma e dimensione. Possono, infatti, avere una, due o tre pale di varie lunghezze: quelli con pale lunghe 50 centimetri vengono utilizzati come caricabatterie, quelli con pale lunghe circa 30 metri, sono in grado di erogare una potenza di 1.500 kW e oltre, riuscendo a soddisfare il fabbisogno elettrico giornaliero di circa 5/600 famiglie. Il tipo più diffuso è l’aerogeneratore di taglia media, alto oltre 50 metri, con due o tre pale lunghe circa 20 metri. Questo tipo di aerogeneratore è in grado di erogare una potenza di 500‐600 kW e soddisfa il fabbisogno elettrico giornaliero di circa 2/300 famiglie. La conformazione di un terreno influenza la velocità del vento. Più un terreno è rugoso, cioè presenta variazioni brusche di pendenza, boschi, edifici e montagne, più il vento incontrerà ostacoli che ridurranno la sua velocità. In generale la posizione ideale di un aerogeneratore è in un terreno appartenente ad una bassa classe di rugosità e che presenta una pendenza compresa tra i 6 e i 16 gradi. Il vento deve superare la velocità di almeno 5,5 metri al secondo e deve soffiare in modo costante per gran parte dell’anno. Mentre i migliori siti eolici offshore 15 sono quelli con venti che superano la velocit{ di 7‐8 metri al secondo, che hanno bassi fondali (da 5 a 40 metri) e che sono situati ad oltre 3 chilometri dalla costa. Con l'espressione "eolico off-shore" si intendono gli impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi, per meglio utilizzare la forte esposizione alle correnti di queste zone. 15 - 52 - L’indicatore solitamente utilizzato per misurare il rendimento degli impianti è il capacity factor (Cp), calcolato come il rapporto tra l’energia effettivamente generata in un certo intervallo di tempo e l’energia che sarebbe prodotta se il generatore operasse alla massima potenza nel medesimo intervallo di tempo. I valori di riferimento per gli impianti di ultima generazione hanno raggiunto livelli che oscillano tra il 25% e il 40%, corrispondenti a un intervallo fra 1.750 e 3.100 full load hours (ovvero ore equivalenti di funzionamento a regime dell’impianto lungo un intero anno). Per quanto riguarda invece la misura della produttività degli impianti, le grandezze di riferimento sono la power curve, che rappresenta la relazione tra la velocit{ del vento e la potenza in uscita, e l’availability factor, ovvero la “disponibilit{” di un impianto per produrre energia. La power curve “tipica” di un aerogeneratore ha un andamento come quello riportato in Figura 23. Figura 23 – La power curve di un aerogeneratore tipo Su questa curva è possibile individuare dei valori soglia, in relazione alla velocità del vento, che determinano diversi livelli di produttività: in - 53 - particolare si ha un cut-in speed, solitamente pari a circa 3-4 m/s, che rappresenta la soglia minima necessaria per generare elettricità, e un cut-off speed, solitamente pari a circa 20-25 m/s, che è invece la soglia massima di vento oltre il quale l’aerogeneratore si disattiva automaticamente per evitare danneggiamenti. Tra il cut-in speed e il cut-off speed, la potenza generata dall’aerogeneratore cresce all’aumentare della velocità fino ad arrivare alla velocit{ ottimale per la quale l’aerogeneratore è stato progettato (rated wind speed). Nel tempo la power curve ha subito delle modificazioni, sia per quanto riguarda i valori soglia (con un progressivo ampliamento della zona di producibilità), sia per quanto riguarda la zona di funzionamento a regime, con minori perdite dovute a velocità del vento soggette a grande variabilità. Per raggiungere valori di potenza accettabili (pari ad un vento di 10 m/s) sulla terra ferma e in contesto urbano è necessario collocare l’aerogeneratore ad altezza minima da terra pari a oltre 30 m che si riducono a soli 15 m se lo stesso impianto viene collocato in zona costiera e a meno di 10 m se posizionato a qualche decina di metri dalla costa. Inoltre l’impatto visivo e ambientale di un impianto off-shore è molto minore. Ancora oggi, tuttavia, l’eolico off-shore sconta lo svantaggio di costo legato alla complessità della costruzione delle fondamenta (ad oggi ci si limita a fondali con profondità inferiori ai 20 metri, anche sono state fatte alcune installazioni sperimentali con profondità di 40 - 50 metri), anche se è recentissima la notizia di un nuovo tipo di approccio dell’eolico off-shore basato su cuscini galleggianti ancora tuttavia in fase di studio e sperimentazione. - 54 - 3.5 vantaggi dell’energia eolica In questo contesto diventa prioritaria la ricerca di fonti di energia di adeguata quantità, compatibilità con l’ambiente e a costi non elevati che possano in maniera graduale ma sensibile sostituire i combustibili fossili. Tra queste fonti di energia, quella eolica, avendo ormai raggiunto un livello di maturità tecnologica ed industriale elevato, si pone come una delle strade più promettenti da seguire tra le energie rinnovabili. Tra i vantaggi dell’energia eolica , si possono elencare i seguenti16: E’ pulita, il che significa non solo l’eliminazione delle immissioni di composti inquinanti e di anidride carbonica nell’atmosfera, ma anche l’assenza di rischi di danneggiamento o di degradazione dell’ambiente dovuti all’esplorazione, estrazione, trasporto, elaborazione o smaltimento di combustibili. E’ economica. Non ci sono costi dovuti al combustibile. Inoltre non ci sono incertezze né rischi sui costi futuri perché la maggior parte dei costi dell’energia eolica sono fissi e noti a differenza dell’alta variabilit{ e imprevedibilit{ dei costi dei combustibili fossili. E’ indigena. Non c’e’ dipendenza da importazioni. Ciò comporta non avere rischi sulle forniture elettriche europee, non dover competere in scenari internazionali per fonti distanti, né avere una rilevanza geopolitica del consumo elettrico. Non ci sono dunque i rischi associati all’utilizzo di una risorsa esterna. E’ inesauribile. Rimuove l’incertezza sulla riduzione delle fonti di energia, riduce la necessità di investimenti a lungo termine nella ricerca e nello sviluppo di possibili energie alternative. È strategica. Se ben coordinata e progettata potrebbe garantire la fornitura continua di corrente riuscendo a rimuovere la dipendenza dai sistemi di stoccaggio dell’energia. La capacità delle macchine varia da poche centinaia di watt a molti megawatt e ciò può venire incontro alle esigenze sia delle abitazioni private che dell’uso industriale. Inoltre la vita media di una turbina si aggira intorno ai 20 / 25 anni, terminata la quale è semplice smantellare l’impianto e riportare il terreno alle condizioni iniziali. 16 tratti dalla iniziativa «No Fuel » della Associazione Europea di Energia del vento EWEA. - 55 - 3.6 Classificazione IMPIANTI EOLICI On-shore Grid-connected Terra Near-shore Stand-alone Micro Mini MW MultiMW Micro Mare Grid-connected Mini MW Off-shore Grid-conn MultiMW MultiMW Figura 24 - Sistema di classificazione di impianti eolici Partendo dalla base dell’albero di Fig. 24 è possibile riconoscere il terzo livello di classificazione rappresentato da quattro categorie di impianti eolici in funzione della classe di potenza (nominale): a) b) c) d) Micro: Mini: Megawatt: Multimegawatt: potenza ≤ 20 kW 20 kW < potenza ≤ 100 kW 100 kW < potenza ≤ 1.5 MW potenza > 1.5 MW E’ chiaro che l’unione di microaerogeneratori in cluster può dar luogo ad un sistema minieolico così come cluster di miniaerogeneratori e Aeromegawatt possono andare a costituire, rispettivamente, impianti megawatt e multimegawatt (windfarm). Si noti come, al secondo livello di classificazione esistono 2 differenti modalità di progettazione: lo stand-alone e il grid-connected. Il primo prevede la realizzazione di aree isolate energeticamente autonome, distaccate dalla rete e coadiuvate da un sistema ausiliario eolico-diesel, pronto ad entrare in funzione in caso di scompensi di - 56 - fornitura elettrica. Trovandoci, dunque, attualmente nella manifesta incapacità di progettare aree energetiche isolate che siano scevre dell’uso di combustibili fossili e la cui economia sia distaccata dall’uso del petrolio si rende necessario lo sviluppo di impianti decentrati (grid-connected) rinnovabile-eolici connessi alla rete il cui contributo “verde” sia in misura crescente con l’aumento dei costi delle risorse fossili fino ad arrivare al definitivo punto di sganciamento. Sotto questo aspetto risulta di fondamentale importanza la scelta di un generatore idoneo, che consenta cioè, una gestione autonoma delle proprie risorse energetiche, possibilmente che possa lavorare sia in configurazione grid-connected che in isola. - 57 - CAPITOLO 4 – LA SCELTA DEL GENERATORE Unitamente al rotore il componente più importante del sistema eolico è il Generatore Elettrico, detto anche alternatore. Si tratta della macchina elettrica che trasforma energia meccanica fornita dalla turbina in energia elettrica, è dunque il componente da tenere in maggior considerazione in quanto da esso dipender{ l’efficienza dell’installazione eolica. La corrente che produrrà in output può essere continua (CC) o alternata (AC), una corrente continua può essere prodotta da una dinamo oppure raddrizzando per mezzo di diodi una corrente alternata. Una corrente alternata può essere prodotta da un generatore sincrono o da un’ asincrono. Sono costituiti da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati detti induttore e indotto (la loro posizione non è determinata a priori). Gli alternatori sincroni sono macchine reversibili: possono funzionare anche come motori (si mettono in moto rotatorio se ricevono energia elettrica), in essi sullo statore è posizionato l’indotto e sul rotore l’induttore; quest’ultimo è realizzato con elettromagneti eccitati in CC (poli). Gli alternatori a magnete permanente utilizzano magneti permanenti in sostituzione dei poli di eccitazione. Entreremo ora nel dettaglio delle soluzioni adottate per macchine di media e grande potenza connesse alla rete elettrica. Esistono 2 tipi di generatori che normalmente vengono usati per l’installazione dell’energia eolica: sincroni e asincroni; le loro particolarit{ dipendono dall’esistenza di due fattori vincolanti: il primo, aerodinamico, nasce dalla specificità della turbina: dato che la potenza fornita dal vento è variabile con il vento le ragioni di efficienza richiederebbero che anche la velocità di rotazione fosse variata in - 58 - corrispondenza, almeno parzialmente. Il secondo, elettrico, è dovuto al fatto che il generatore produce una corrente di frequenza proporzionale al suo numero di giri e ogni variazione si traduce in una variazione di frequenza. Dato che i due vincoli sono in contrasto le caratteristiche del generatore dipenderanno dalle soluzioni di compromesso. I generatori impiegati nelle macchine eoliche producono corrente alternata a tensione elevata, generalmente 690 V, che poi viene ulteriormente elevata con trasformatori ed inviata in rete. 4.1 Aerogeneratori a velocità fissa In questi tipi di aerogeneratori vengono impiegate, per la conversione dell’energia meccanica estratta dal vento in energia elettrica, macchine elettriche ad induzione (macchine asincrone) scelte per la loro semplicità costruttiva e robustezza, la relativa economicità e per la semplicità di connessione e disconnessione dalle rete. Di norma sono preferiti i rotori a gabbia di scoiattolo in quanto più robusti e meno costosi di quelli a rotore avvolto, preferiti invece negli aerogeneratori a velocità variabile. Le macchine ad induzione (asincroni) richiedono una data quantità di potenza reattiva per il funzionamento. Tale potenza deve essere prelevata dalla rete o fornita localmente da una batteria di condensatori, la quale deve essere dimensionata accuratamente per evitare l’auto-eccitazione del generatore sincrono in caso di disconnessione dalla rete per guasto. Inoltre tali macchine necessitano di una sorgente esterna a frequenza costante per generare il campo magnetico rotante e quindi sono connesse a reti con potenza di cortocircuito elevata in grado di sostenere la frequenza. Raggiunta la velocità di sincronismo la potenza eolica estratta fa girare il rotore in - 59 - marcia supersincrona a scorrimento negativo, erogando quindi alla rete potenza attiva. Poiché lo scorrimento ha valore dell’ordine del 2%, lo scostamento dalla velocità nominale è di fatto molto limitato ed è per questo che l’impiego di tali macchine elettriche determina il funzionamento dell’aerogeneratore a velocità costante. 4.2 Aerogeneratori a velocità variabile Vi sono, almeno il linea di principio, diverse soluzioni che consentono il funzionamento del rotore a velocità variabile, pur mantenendo la frequenza costante. Tali soluzioni possono essere sia di natura meccanica che elettrica, anche se quelle più utilizzate attualmente sono di tipo elettrico inserendo in particolare una delle seguenti configurazioni: generatori asincroni a rotore avvolto con resistore variabile esterno; generatori asincroni a rotore avvolto con interposto un convertitore di potenza tra rotore e rete (configurazione doublyfed); generatori asincroni con interposto un convertitore elettronico di potenza tra statore e rete (configurazione full converter); generatori sincroni (alternatori) con interposto un convertitore elettronico di potenza tra statore e rete (configurazione full converter). Nei successivi paragrafi verrà affrontato uno studio mediamente approfondito sulle diverse modalità di configurazione del generatore, con un occhio di riguardo a quelle ritenute idonee a lavorare in isola (stand alone). - 60 - 4.3 Generatore sincrono (direct drive) Un campo magnetico rotante induce una corrente alternata nei circuiti dell’indotto, tale campo magnetico è realizzato alimentando un elettromagnete solidale al rotore, più sovente nelle applicazioni eoliche è invece permanente prodotto che da un non magnete richiede alimentazione e fornisce un’eccitazione permanente (alternatore a m.p.). La frequenza della corrente alternata sarà proporzionale al numero di giri del generatore, se perciò si vuol produrre corrente alternata a frequenza costante occorre che anche il numero di giri sia costante. Un generatore sincrono funziona come la dinamo di una bicicletta. Genera corrente in un intervallo di giri piuttosto largo e varia di Volt e Hz, genera corrente già con un numero di giri basso e non necessita di tensione d'avviamento per cominciare a generare. Nel campo eolico tende ad essere usato per riscaldare l'acqua con cartucce elettriche, non dipendendo da un Hz costante poiché produce una promiscua qualità d'energia. Viene anche chiamata “direct drive” per via del suo innesto diretto senza riduttore. 𝑓 𝐻𝑧 = 𝑝 𝑁𝑔 /60 ove p è il numero di poli Ciò richiede che al variare della velocità del vento si effettui un controllo del numero di giri della turbina (e dunque del generatore) mediante regolazione del passo delle pale. Se invece si adotta una turbina a pale fisse la condizione di λ ottimo si può ottenere solo ad una specifica velocità del vento. Il vincolo imposto dalla frequenza ha progressivamente ridotto il campo di applicazione dei generatori sincroni ad alimentazione diretta, che oggi vengono adottati solo per centrali che alimentano una rete locale, perché comunque essi offrono un’importante propriet{: producono potenza reattiva, necessaria alla sincronizzazione della rete. Perciò nelle reti elettriche locali alimentate da un solo generatore la macchina sincrona è indispensabile. - 61 - 4.1.1 Generatore sincrono ad avvolgimento Rappresenta il generatore sincrono classico; sul rotore, trascinato dalla turbina, è realizzato l’avvolgimento alimentato dalla corrente continua di eccitazione che crea un campo magnetico rotante, sullo statore sono realizzati gli avvolgimenti in numero pari di coppie polari p. La corrente continua di eccitazione è prodotta da una dinamo o raddrizzata da una fonte alternata. Si rende necessario un moltiplicatore perché il numero di poli non può essere molto grande, essendo p inversamente proporzionale a 𝑁𝑔 si impone un numero di giri elevato affinchè la frequenza prodotta sia prossima a quella di rete. Nelle reti isolate tale condizione non è vincolante a patto che non si voglia alimentare carichi diversi da elementi resistivi. Diversamente è comunque accettabile una fluttuazione di frequenza di pochi punti %. Il vincolo della velocità costante costituisce il fattore determinante nella progressiva scomparsa delle applicazioni eoliche di questo generatore. La sua bassa efficienza non è competitiva con quella delle macchine a velocità variabile, tuttavia talvolta potrebbe risultare determinante il suo inserimento in una rete locale in quanto dispone dell’indispensabile prerogativa di regolare la potenza reattiva il che consente il controllo delle reattanze presenti. Necessita di velocità perlopiù costante Scarsamente efficiente Produce potenza reattiva 4.1.2 Generatore sincrono a magneti permanenti In questa macchina gli avvolgimenti rotorici alimentati dalla CC di eccitazione che generano il CEM rotante sono sostituiti da magneti permanenti. Necessita anche questa come la precedente di una velocità di rotazione costante per produrre corrente di frequenza costante, permane dunque il vincolo limitativo del generatore sincrono. Ha il - 62 - vantaggio di non richiedere eccitazione del circuito rotorico ma non consente in questa configurazione il controllo della potenza reattiva. Tuttavia il successo di questo generatore è dovuto ad un aspetto di notevole interesse, il suo accoppiamento alla turbina è diretto anziché via moltiplicatore, ciò comporta che ruoti ad un numero molto basso di giri e disponga di un alto numero di poli (anche più di cento coppie polari) il che fa escludere l’uso di generatori ad avvolgimento perché la densit{ di coppia elettrica e l’efficienza sarebbero molto basse. È invece possibile realizzare macchine molto efficienti adoperando magneti permanenti ad alte prestazioni ricorrendo ad una configurazione periferica che consente di disporre di molti magneti su grandi diametri secondo diverse soluzioni, sono state sperimentate macchine a flusso radiale (RFPM), radiali a flusso traversale (TFPM) e a flusso assiale (AFPM). Lo schema più diffuso prevede uno schema di generatore a m.p. a flusso radiale con magneti orientati tangenzialmente, a causa dell’accoppiamento diretto con la turbina offre numero di giri basso e coppia molto elevata. Il successo di questo generatore è anche dovuto, però, ad un altro elemento di notevole interesse; al sistema viene combinato un converter, cioè un dispositivo elettronico di potenza in due stadi: il primo (rectifier) trasforma la corrente alternata di frequenza e tensione in corrente continua tramite un raddrizzatore a ponte di diodi, il secondo (voltage source inverter, VSI), connesso alla rete, trasforma la CC in alternata con onda quadra alla frequenza e tensione di rete. Quest’ultimo dispositivo consente il controllo sia della potenza attiva che della reattiva e seppur con un costo maggiore (trascurabile perché si elimina il riduttore) ed una sensibile diminuzione di efficienza si consente di funzionare a velocità variabile in tutto il campo di moto sfruttando appieno il potenziale eolico liberando il generatore dalla - 63 - necessità di generare onde sinusoidali con tensione e frequenza pari a quelle di rete perché il converter lascerà passare solo quelle corrispondenti alla caratteristiche della rete. Tale configurazione rende questo sistema idoneo a lavorare sia in configurazione grid-connected che stand-alone. Idoneo a lavorare in entrambe le modalità di impianto Produce potenza reattiva Impossibilità di controllare la costanza della frequenza Generatore sincrono e convertitore (full-converter) Si tratta dello stesso generatore con interposto un convertitore a gestire la potenza. Lo schema impiantistico viene riportato in Fig.25. Il campo magnetico di rotore è generato da una corrente continua circolante negli avvolgimenti di campo che viene fornita da una dinamo coassiale all’alternatore o prelevata ai morsetti di statore e quindi raddrizzata da un ponte a diodi. Il movimento del campo magnetico di rotore rispetto agli avvolgimenti di statore dovuto alla rotazione dell’albero principale induce una terna di tensioni alternate negli avvolgimenti di statore con valore efficace proporzionale al flusso magnetico di rotore ed alla velocità di rotazione. Poiché la frequenza della forza elettromotrice generata è legata alla velocità di rotazione tramite la relazione: 𝑁 = 60𝑓/𝑝 il valore efficace della tensione indotta sullo statore è proporzionale al valore della frequenza con cui è generata. Quando il generatore è connesso ad un carico (stand-alone o grid-connected) e viene erogata corrente, questa genera a sua volta nel traferro della macchina un campo magnetico rotante in sincronismo con il campo induttore, senza scorrimento relativo. Inoltre se i due campi magnetici sono allineati - 64 - Figura 25 – Schema impiantistico di un generatore sincrono in modalità full-converter non vi è coppia resistente e pertanto la potenza attiva immessa in rete è nulla. Viceversa se vi è uno scostamento dovuto ad una coppia esterna motrice, nasce una coppia elettrica resistente di bilanciamento con immissione di potenza attiva in rete. Mantenendo costante la potenza attiva erogata al variare della velocità di rotazione e quindi della frequenza e della tensione indotta varia la corrente erogata, assumendo come parametro la potenza attiva erogata, se la tensione indotta supera la tensione di rete l’alternatore eroga potenza reattiva, mentre, se la tensione indotta è inferiore alla tensione di rete l’alternatore assorbe potenza reattiva. Mentre, se la tensione indotta è di valore pari alla tensione di rete (cosφ=1) si ha il minimo della corrente circolante nello statore. Come si è già visto le macchine sincrone non sono intrinsecamente auto avvianti, il campo magnetico induttore sul rotore viene generato dai magneti permanenti ivi integrati e la tensione indotta sullo statore non può essere ovviamente regolata agendo sulla corrente di eccitazione, di conseguenza la tensione ai morsetti del generatore sarà funzione della sola velocità di rotazione del rotore. Poiché la frequenza in uscita dall’alternatore dipende dalla velocità di rotazione del rotore e dal numero di poli, per poter utilizzare il - 65 - generatore sincrono in un turbina eolica a velocità variabile pur mantenendo costante le frequenza lato rete, occorre interporre un convertitore di potenza a due stadi che gestisce l’intera potenza elettrica generata: nel primo stadio un raddrizzatore a ponte a diodi o controllato a tiristori converte le grandezze elettriche in uscita dall’alternatore che sono alternate a frequenza variabile in grandezze continue nel secondo stadio, attraverso un DC link, viene alimentato un inverter che riconverte le grandezze elettriche continue tensione e corrente in grandezze alternate a frequenza di rete Qualora l’alternatore sia ad eccitazione separata, la regolazione del valore efficace della tensione generata è effettuata agendo sulla stessa corrente d’eccitazione; se invece l’alternatore è a magneti permanenti la tensione può essere regolata nel raddrizzatore o nell’inverter mediante opportuni accorgimenti (raddrizzatore tramite ponte controllato, controller PWM17). L’utilizzo della configurazione alternatore-convertitore di potenza consente quindi il disaccoppiamento del generatore dalla rete (riducendo anche gli shock meccanici sulla turbina durante i guasti in rete). Si ha, inoltre, generazione anche della potenza reattiva desiderata ed un pieno controllo sulla potenza attiva. Eroga potenza reattiva Idoneo a lavorare in isola e in grid-connected Necessita di un convertitore grande e costoso Tecnica di modulazione PWM, comporta armoniche di ordine elevato (>20) nella tensione generata dal convertitore elettronico ma permette di ridurre le variazioni di tensione e le armoniche a bassa frequenza. Inoltre consente la possibilità di accettare potenza meccanica variabile in un ampio intervallo di velocità permettendo di sfruttare l’effetto smorzante dell’inerzia meccanica sulle pulsazioni a bassa frequenza della coppia aerodinamica, riducendo in tal modo il flicker. 17 - 66 - 4.2 Generatore asincrono Essenzialmente si tratta di un motore trifase ad induzione, a differenza del generatore sincrono, dove il campo magnetico rotante è prodotto da una corrente di eccitazione continua esterna, nell’asincrono la corrente di eccitazione è alternata e autoindotta nel circuito rotorico che è cortocircuitato. Gli avvolgimenti statorici sono collegati alla rete e attraversati dalla corrente alternata a frequenza fissa. Tale corrente crea all’interno della macchina un campo magnetico rotante al numero di giri di sincronismo imposto dalla frequenza f di rete: Questo tipo di generatori non può produrre corrente se non è prima magnetizzato e quindi bisogna avviarlo come un motore elettrico normale. Il momento in cui il rotore riceve vento sufficiente, tanto da superare il numero di giri del sincrono, allora la macchina comincia a funzionare da generatore e produce corrente continua fino a quando raggiunge il numero di giri critico che normalmente è di 1500g/m. 𝑁𝑠 = 60𝑓/𝑝 Questo campo magnetico concatenandosi con le spire dell’avvolgimento rotorico, induce in queste una corrente alternata di frequenza indotta 𝑓𝑖 = 𝑁𝑠 − 𝑁𝑟 𝑝/60 Tali correnti rotoriche originano un campo magnetico che ruota rispetto al rotore alla velocità |𝑁𝑠 − 𝑁𝑟 | e assieme a esso con numero di giri 𝑁𝑟 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑔𝑖𝑟𝑖 𝑑𝑖 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒 . Al traferro il campo magnetico indotto sarà dunque sempre sincrono con quello induttore, ma se 𝑁𝑟 = 𝑁𝑠 cessa l’azione induttrice e gli avvolgimenti rotorici non saranno alimentati. La differenza tra le due correnti determina la fase della corrente supplementare che interessa gli avvolgimenti di statore a causa dell’interazione tra i due campi magnetici. Poi, una volta raggiunta l’autoeccitazione il sistema si mantiene da solo. La caratteristica principale del generatore asincrono quindi consiste - 67 - nel fatto che esso deve ruotare a un numero di giri leggermente superiore a quello di sincronismo, la differenza relativa 𝑠 = (𝑁𝑟 − 𝑁𝑠 )/𝑁𝑠 è detta scorrimento, non deve superare il 10%. Ma per costringere l’indotto a ruotare a un numero di giri superiore a quello di sincronismo occorre applicare al suo asse una coppia motrice, in tal caso la macchina funziona da generatore (𝑁𝑟 > 𝑁𝑠 ). Se invece si applica una coppia resistente, il rotore rallenta e si stabilizza ad un numero di giri inferiore al sincronismo, tale che la coppia elettromagnetica equilibri la coppia resistente, in tal caso abbiamo il funzionamento da motore asincrono (𝑁𝑟 < 𝑁𝑠 ). In questo caso la corrente statorica supplementare corrisponderà ad una corrente assorbita dalla rete. Il generatore asincrono non produce potenza reattiva ma anzi ne assorbe, ciò lo rende inidoneo ad alimentare un impianto isolato a generatore singolo. Tuttavia ha un rendimento superiore a quello del generatore sincrono ed è per questo molto impiegato nelle macchine eoliche collegate alla rete elettrica, particolarmente negli impianti di grande potenza. L’asincrono può funzionare solo ad un numero di giri prossimo al sincronismo pur godendo di un margine fornito dallo scorrimento, si rende perciò consigliabile l’impiego della regolazione del passo delle pale per adattare la turbina al vento. L’impiego di due generatori, uno di potenza nominale, l’altro di potenza ridotta può consentire in alcuni casi due diverse velocità di sincronismo e quindi due punti di funzionamento ottimo. Esistono due versioni principali di generatore asincrono, a seconda del modo in cui viene realizzato l’indotto. A gabbia di scoiattolo e ad avvolgimento rotorico. - 68 - 4.2.1 GA con rotore a gabbia di scoiattolo Il rotore interno è realizzato con una serie di sbarre di rame cortocircuitate tra loro, mentre lo statore esterno presenta delle cave nelle quali sono immersi in resina i circuiti che costituiscono gli avvolgimenti, quest’ultimi possono essere semplici o doppi. Nel primo caso, in modo non dissimile dal GS, il rotore deve ruotare al numero di giri di sincronismo e può quindi essere impiegato solo con turbine a giri costanti (regolate con stallo), numero di poli non elevato, assorbe potenza reattiva a dunque presenta il medesimo limite di applicazione nelle reti elettriche isolate a meno di non inserire in parallelo al carico un banco di condensatori che riduca la potenza reattiva assorbita dalla rete rifasando il cosφ su valori di equilibrio. Nel secondo caso, l’avvolgimento statorico doppio è una soluzione di compromesso molto impiegata: i due distinti avvolgimenti rotorici hanno diverso numero di poli e, poiché la velocità di sincronismo è inversamente proporzionale al numero di poli ne derivano due diverse velocità di sincronismo e quindi due diversi punti di funzionamento. Il riduttore resta necessario con questa soluzione che comunque è adottata in molteplici turbine di potenza non superiore a 1.3 MW. Con queste soluzioni la macchina può funzionare solo a velocità praticamente fissa, con valore di scorrimento non superiori a 1-2%, scorrimenti più elevati fino al 10% sono consentiti solo transitoriamente. Deve girare al nr. di giri di sincronismo Assorbe potenza reattiva Idoneo connesso alla rete, in Isola necessita di un banco di condensatori in parallelo - 69 - 4.2.2 GA con rotore ad avvolgimento Sul rotore al posto della gabbia è realizzato un avvolgimento. Soluzione pratica ed efficiente ma che non consente di controllare la corrente rotorica e la potenza dissipata per slittamento. Assorbe Figura 26 - Rotore avvolto potenza reattiva induttiva necessaria alla magnetizzazione e ciò lo renderebbe inadatto a lavorare in isola a meno di opportuni accorgimenti come l’inserzione di opportuni banchi di condensatori, a questo scopo sono stati approntati degli anelli di slittamento (slip rings), una superficie anulare conduttiva connessa agli avvolgimenti rotorici. Grazie a tale predisposizione è stato possibile non solo controllare la potenza dissipata negli avvolgimenti di rotore ma anche variare lo slittamento e la velocità del rotore fino a ±30%, risulta inoltre possibile il controllo della potenza reattiva e il funzionamento a cosφ=1 (tensione e corrente in fase). 4.2.3 Configurazione doubly-fed (DFIG) Una recente evoluzione già molto diffusa commercialmente di questo generatore è il doubly-fed induction generator (DFIG) o generatore asincrono a doppia alimentazione. La macchina non viene interfacciata direttamente con la rete, ma viene interposto un inverter che ha il compito di convertire alla frequenza di rete tensione e corrente in uscita dallo statore, al fine di compensare la differenza, in termini di frequenza, tra la velocità elettrica di statore e la velocità meccanica di rotore. Questa configurazione permette il funzionamento a velocità - 70 - parzialmente variabile (± 30%). In questo modo è possibile uno sfruttamento della risorsa eolica più intensivo sia per velocità maggiori che minori di quella “nominale”. In figura 27 viene presentato un tipico schema di turbina eolica equipaggiata con generatore DFIG. Il termine doubly fed (doppiamente alimentato) riflette il fatto che la tensione sullo statore è applicata dalla rete mentre quella di rotore viene applicata dal convertitore. Figura 27 - Schema di una turbina eolica equipaggiata con generatore DFIG Il concetto principale su cui basa il funzionamento del DFIG è che per ottenere una frequenza costante in uscita dallo statore la frequenza di rotore deve essere variata dal convertitore in modo da “adattarsi” alla velocit{ effettiva di rotazione ω, così da non fare uscire la macchina dalla sua zona di funzionamento stabile da generatore. L'imposizione da parte del convertitore RSC di una determinata frequenza agli avvolgimenti di rotore determina dei flussi di potenza che in base allo scorrimento possono essere sia entranti (positivi) che uscenti (negativi); si possono così suddividere due casi che riservano maggiore interesse, vale a dire il funzionamento subsincrono (s>0, potenza entrante) e il funzionamento supersincrono (s<0, potenza uscente). Nel caso di funzionamento subsincrono il rotore gira ad una velocità minore rispetto a quella del campo rotante. Normalmente, per una macchina asincrona, questo punto di funzionamento corrisponde al - 71 - funzionamento come motore: per passare a generatore, il DFIG, oltre ad assorbire la potenza meccanica deve assorbire tramite il rotore anche la potenza elettrica necessaria a compensare la differenza (in frequenza) tra la velocità elettrica di statore e la velocità meccanica di rotore: in questo modo è possibile ottenere un flusso di potenza uscente dallo statore. Infatti tutte le volte che la macchina lavora in sottosincronismo il rotore dovrà assorbire potenza (prelevata dai morsetti di statore tramite il convertitore), mentre quando si trova in supersincronismo il rotore, insieme allo statore, dovrà erogare potenza. Perciò in condizioni di sottosincronismo una parte della potenza, che viene erogata dallo statore, sarà assorbita dal convertitore di rete. Il DFIG può riuscire a generare potenza elettrica anche in condizioni di sub sincronismo: l'aumento (o decremento) di potenza dipende dal valore assunto dallo scorrimento, pur essendo dimensionato per sopportare le correnti nominali da un punto di vista termico può arrivare a erogare una potenza incrementata del 30% circa in particolari condizioni di scorrimento. E' inoltre possibile fornire in rete, quando richiesto, elevati valori di potenza reattiva. Lavorando con il rotore in moto alla velocità di sincronismo ed eccitandolo tramite il RSC in corrente continua si raggiunge una magnetizzazione con bassa potenza reattiva; la situazione è analoga a quella di un generatore sincrono nel suo funzionamento come condensatore rotante, che contribuisce totalmente alla regolazione della tensione sulla rete senza generare potenza attiva. Grazie alla sua versatilità, il DFIG può dunque essere usato anche in siti dove la velocità media del vento non sia sufficiente per la generazione tramite macchine asincrone classiche e con alcuni accorgimenti tecnici si può espandere il campo di utilizzo, mantenendo comunque un - 72 - elevato rendimento anche alle velocità medio-basse. Un enorme passo avanti per questo tipo di risorsa. Alta efficienza anche a basso numero di giri Eroga corrente a frequenza costante Eroga potenza reattiva Convertitore di ridotte dimensioni Richiede moltiplicatore Richiede collegamento alla rete (inidoneo in isola) 4.2.4 Configurazione GA e convertitore È possibile utilizzare un generatore asincrono a gabbia di scoiattolo nelle applicazioni eoliche anche a velocità variabile mediante l’interposizione di un convertitore elettronico tra il generatore e la rete. Tale convertitore disaccoppia e svincola la frequenza del campo magnetico rotante dalla frequenza della rete; la frequenza del campo magnetico rotante viene quindi modulata per controllare la velocità di rotazione del rotore. Analogamente alla configurazione doubly-fed, vi è un sistema elettronico di potenza, ma posto sullo statore del generatore. Il convertitore deve, a differenza della configurazione precedente, deve gestire la totalità della potenza generata ed è quindi più grande e costoso. Essendo un generatore ad induzione necessita comunque di assorbire potenza reattiva per il funzionamento, la quale può essere fornita dal convertitore stesso. Richiede collegamento alla rete Convertitore di grandi dimensioni Possibilità di modulazione 4.3 In sintesi Dunque per quanto riguarda quel che ci offre la tecnologia della conversione elettromeccanica, come già spiegato dettagliatamente, due - 73 - tipi di turbine si dividono il mercato: quelle a velocità fissa (40%), da sempre presenti, e quelle a velocità variabile (60%), di recente sviluppo, equipaggiate con generatore asincrono a doppia alimentazione (Doubly Fed Induction Generator, DFIG) per il 45% del mercato e con generatore sincrono per il 15% del mercato. Nell’immagine di Fig. 28 ne sono riportati gli schemi realizzativi. Figura 28 - Tipologie dei sistemi di generazione eolica a velocità fissa/variabile più diffusi Nella tecnologia a velocità fissa, le turbine, normalmente dotate di generatori asincroni a gabbia di scoiattolo, consentono di ottenere rendimenti elevati soltanto in prossimità della velocità nominale del vento con scorrimenti dell'1-2% circa; scorrimenti più elevati (10%) si possono accettare solo transitoriamente per ridurre le sollecitazioni sugli organi meccanici, come nel caso di improvvise raffiche di vento. Un miglioramento, dal punto di vista del rendimento alle basse velocità del vento, si ottiene con i sistemi a due velocità: in questo caso, le turbine sono equipaggiate con generatore asincrono ed avvolgimenti a doppio numero di poli oppure con due generatori asincroni di diversa potenza e moltiplicatore di giri a doppio rapporto, per sfruttare in - 74 - maniera soddisfacente sia la velocità nominale sia le basse velocità del vento. Nella tecnologia a velocità variabile, utilizzata con potenze più elevate (fino a qualche megawatt), l’intervallo di velocit{ è ampio (superiore a ± 30% del valore nominale arrivando a 15 - 45 rpm). La proprietà più interessante è che esse presentano rendimenti elevati anche per velocità del vento medio-basse (4 – 8 m/s), tipiche ad esempio delle regioni italiane. Se si adotta la soluzione del generatore sincrono la potenza del convertitore elettronico, che raddrizza la tensione alternata a frequenza variabile (AC-DC) e inverte la tensione continua a frequenza di rete (DC-AC), deve essere pari all’intera potenza prodotta dallo statore del generatore; si ha tuttavia il vantaggio di non dover ricorrere a un moltiplicatore di giri. Se si impiega invece il generatore DFIG, la potenza del convertitore elettronico è solo quella di scorrimento che transita dal rotore verso la rete in funzionamento super-sincrono e dalla rete verso il rotore in funzionamento sottosincrono: si ha così una potenza di dimensionamento molto minore (circa il 30%), che si traduce in minori perdite e risparmio sul costo. Diventa però necessario l’uso di un moltiplicatore di giri. Dal punto di vista della “qualità di potenza” verso la rete, va segnalato che con entrambi i tipi di generatore è possibile regolare in modo separato le potenze attiva e reattiva, garantendo un fattore di potenza unitario per il generatore ed eventualmente compensando anche altri assorbimenti di tipo induttivo. Le prime turbine realizzate sia orizzontali sia verticali utilizzavano un generatore asincrono che presenta la costanza della frequenza, parametro indispensabile per l’immissione di elettricit{ nella rete elettrica, indipendentemente dalla velocità di rotazione delle pale (purché essa sia superiore a quella di sincronismo); questa - 75 - sembrerebbe la scelta più naturale per un impiego del genere, vista la non costanza della velocità di rotazione. Lo svantaggio risiede nella necessità di adoperare un moltiplicatore di giri, molto costoso, fonte di molto rumore che introduce perdite meccaniche e possibilità di rotture ma conferisce al tempo stesso il vantaggio di non utilizzare un generatore enorme, per le troppe coppie polari, ed evita alle pale di dover ruotare troppo velocemente. Il generatore sincrono, spesso a magneti permanenti, si trova a generare elettricità a frequenza del tutto variabile. Se questo poteva apparire un impedimento insormontabile anni addietro (infatti le turbine ad asse orizzontale con generatore sincrono erano più costose e più pesanti rispetto a quelle con generatore asincrono), con l'evolversi dei dispositivi soprattutto in termini di potenze, costi e peso è risultato molto più naturale e vantaggioso disporre di questi generatori affiancati da un raddrizzatore e da un inverter, che provvedono a raddrizzare in ingresso la corrente a frequenza variabile, trasformandola in continua e operando una nuova riconversione da continua in alternata a frequenza di rete. Nel prossimo capitolo verranno condotte simulazioni con i due generatori esaminati e ritenuti maggiormente idonei alla conversione elettromeccanica della potenza in regime variabile avvalendoci di dati anemometrici registrati in una generica zona della Basilicata. - 76 - CAPITOLO 5 – SIMULAZIONE Dal punto di vista della risorsa eolica, bisogna subito chiarire che i siti candidati a ospitare impianti eolici devono presentare una velocità del vento media superiore a 5 m/s, tenendo presente che con velocità del vento di 20 m/s la densità di potenza della risorsa eolica si avvicina a 5 𝑘𝑊 𝑚2 . In Europa si riscontra una prevalenza di questi siti nel Mare del Nord e quindi i Paesi più favoriti sono, oltre alla Danimarca e alla Germania, la Gran Bretagna, la Francia e la Norvegia. In Italia i siti più ventosi si trovano in Puglia, in Sardegna, in Sicilia e sull'Appennino, come si evince dall’Atlante Eolico Italiano, disponibile sul “web”18. In una generica zona della Basilicata sono state condotte analisi anemologiche durate 9 mesi, dal 3 Dicembre 2011 al 22 Settembre 2012; grazie all’uso di un doppio anemometro collocato alle altezze di 13 e 20 metri è stato possibile estrarre i valori medi del vento ogni 10 minuti raccogliendo circa 43'000 dati. Tali valori sono stati dapprima raccolti ed analizzati con il software Microsoft Excel con cui sono stati ricavati i valori in Tabella 4: Tabella 4 – Valori delle misurazioni anemometriche con i due anemometri, in m/s Dic 2011 Gen 2012 Feb 2012 Mar 2012 Apr 2012 Mag 2012 Giu 2012 Lug 2012 Ago 2012 Set 2012 Media1 5,60 5,23 4,722 4,475 4,978 4,487 3,676 4,048 3,556 3,546 Media2 3,725 4,344 4,071 3,814 4,216 3,698 2,999 3,273 3,021 2,792 𝑽𝒎𝒂𝒙1 21,6 19,6 13,6 14 20,3 13,6 12,2 13,7 12,2 9,8 𝑽𝒎𝒂𝒙2 17,1 16,9 12 13 17,5 12,6 9,3 10,9 11,1 9,1 Media1: velocità media registrata dal primo anemometro (20 metri) Media2: velocità media registrata dal secondo anemometro (13 metri) 𝑽𝒎𝒂𝒙 1: velocità media massima registrata dal primo anemometro 𝑽𝒎𝒂𝒙 2: velocità media massima registrata dal secondo anemometro 18 http://atanteeolico.rse-web.it/viewer.htm - 77 - in seguito, avvalendoci del software Windographer Professional19 è stato possibile estrarre le curve di frequenza relative ai due anemometri, interpolate secondo la distribuzione di Weibull, e i profili diurni medi del vento relativi ad ogni mese. 5.1 Curve di frequenza Il più adoperato e affidabile modello matematico per rappresentare una distribuzione statistica di densità di frequenza del vento è quello di Weibull. Si tratta di un modello a due parametri, ossia richiede la conoscenza di due proprietà locali: il parametro di forma k e il parametro di scala c. Il parametro c viene calcolato con la formula seguente: 1 𝑉 = 𝑐Γ( + 1) 𝑘 dove: 𝑉 è 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 Γ è 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎 k è il parametro di Weibull Il parametro di forma adimensionale k è invece un parametro empirico, esso dipende solo dalla irregolarit{ del vento e rappresenta l’ampiezza della distribuzione, valori bassi (tra 1 e 1,5) corrispondono ad ampie distribuzioni in cui la velocità del vento tende a variare notevolmente. Entrambi i parametri sono stati calcolati secondo il metodo della massima verosimiglianza e valutati mese per mese. Gli istogrammi seguenti rappresentano la densità di frequenza della velocit{ del vento interpolate secondo Weibull, sull’asse delle ordinate 19 Periodo di prova di 14 giorni - 78 - si legge la frequenza percentuale di densità di vento, sulle ascisse gli intervalli di velocità. Vento 1 Dicembre 2011 Probability Distribution Function, Dec 2011 20 6 15 Frequency (%) Frequency (%) Vento 2 Probability Distribution Function, Dec 2011 8 4 2 10 5 0 0 0 5 10 15 20 25 0 5 10 Velocità Vento 1 (m /s) Actual data 15 20 Velocità Vento 2 (m /s) Best-fit Weibull distribution (k=1.59, c=6.41 m/s) Actual data k=1,59; c=6,41 m/s Best-fit Weibull distribution (k=1.24, c=4.03 m/s) k=1,24; c= 4,03 m/s Gennaio 2012 Probability Distribution Function, Jan 2012 10 Probability Distribution Function, Jan 2012 10 8 8 6 Frequency (%) Frequency (%) 6 4 4 2 2 0 0 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 Velocità Vento 2 (m /s) Velocità Vento 1 (m /s) Actual data Actual data Best-fit Weibull distribution (k=1.67, c=5.82 m/s) k=1,67; c=5,82 m/s Best-fit Weibull distribution (k=1.68, c=4.92 m/s) k=1,68; c=4,92 m/s Gli intervalli lungo le ordinate sono di 1 punto percentuale, lungo le ascisse di 0,5 m/s. - 79 - Vento 1 Febbraio 2012 Probability Distribution Function, Feb 2012 10 Vento 2 Probability Distribution Function, Feb 2012 10 8 6 6 Frequency (%) Frequency (%) 8 4 4 2 2 0 0 0 2 4 6 8 10 12 0 14 3 6 9 12 Velocità Vento 2 (m /s) Velocità Vento 1 (m /s) Actual data Actual data Best-fit Weibull distribution (k=1.83, c=5.24 m/s) k= 1,83; c=5,24 m/s Best-fit Weibull distribution (k=1.72, c=4.42 m/s) k=1,72; c=4,42 m/s Marzo 2012 Probability Distribution Function, Mar 2012 10 Probability Distribution Function, Mar 2012 12 8 9 Frequency (%) Frequency (%) 6 6 4 3 2 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 Velocità Vento 1 (m/s) Actual data k=1,89; c=5,07 m/s Actual data Aprile 2012 Probability Distribution Function, Apr 2012 7 8 10 12 14 Velocità Vento 2 (m /s) Best-fit Weibull distribution (k=1.89, c=5.07 m/s) Best-fit Weibull distribution (k=1.92, c=4.33 m/s) k=1,92; c=4,33 m/s Probability Distribution Function, Apr 2012 8 6 6 5 Frequency (%) Frequency (%) 4 4 3 2 2 1 0 0 0 6 12 18 24 0 5 10 Velocità Vento 1 (m /s) Actual data Velocità Vento 2 (m /s) Best-fit Weibull distribution (k=1.49, c=5.66 m/s) Actual data k=1,49; c=5,66 m/s Best-fit Weibull distribution (k=1.63, c=4.82 m/s) k=1,63; c=4,82 m/s - 80 - 15 20 Vento 1 Maggio 2012 Vento 2 Probability Distribution Function, May 2012 12 Probability Distribution Function, May 2012 14 12 9 8 Frequency (%) Frequency (%) 10 6 6 4 3 2 0 0 0 2 4 6 8 10 12 0 14 2 4 6 8 10 12 14 Velocità Vento 2 (m /s) Velocità Vento 1 (m /s) Actual data Actual data Best-fit Weibull distribution (k=2.06, c=4.94 m/s) k=2,06; c=4,94 m/s Best-fit Weibull distribution (k=2.26, c=4.13 m/s) k=2,26; c=4,13 m/s Giugno 2012 Probability Distribution Function, Jun 2012 12 12 Frequency (%) 9 Frequency (%) Probability Distribution Function, Jun 2012 16 6 8 4 3 0 0 0 2 4 6 8 10 12 0 14 2 4 Actual data Best-fit Weibull distribution (k=1.93, c=4.27 m/s) k=1,93; c=4,27 m/s Luglio 2012 Probability Distribution Function, Jul 2012 12 6 8 10 Velocità Vento 2 (m/s) Velocità Vento 1 (m/s) Actual data Best-fit Weibull distribution (k=2.15, c=3.47 m/s) k=2,15; c=3,47 m/s Probability Distribution Function, Jul 2012 14 12 9 10 Frequency (%) Frequency (%) 8 6 6 4 3 2 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 3 6 Velocità Vento 2 (m/s) Velocità Vento 1 (m/s) Actual data Actual data Best-fit Weibull distribution (k=1.94, c=4.39 m/s) k=1,94; c=4,39 m/s Best-fit Weibull distribution (k=1.98, c=3.53 m/s) k=1,98; c=3,53 m/s - 81 - 9 12 Vento 1 Agosto 2012 Probability Distribution Function, Aug 2012 12 12 Frequency (%) 9 Frequency (%) Vento 2 Probability Distribution Function, Aug 2012 16 6 3 8 4 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 3 6 Velocità Vento 1 (m/s) Actual data 9 12 Velocità Vento 2 (m /s) Best-fit Weibull distribution (k=2.10, c=4.14 m/s) Actual data k=2,1; c=4,14 m/s Settembre 2012 Best-fit Weibull distribution (k=2.27, c=3.56 m/s) k=2,27; c=3,56 m/s Probability Distribution Function, Sep 2012 12 Probability Distribution Function, Sep 2012 14 12 9 8 Frequency (%) Frequency (%) 10 6 6 4 3 2 0 0 0 3 6 9 12 0 2 4 Velocità Vento 1 (m /s) Actual data 6 8 10 Velocità Vento 2 (m /s) Best-fit Weibull distribution (k=1.86, c=3.83 m/s) Actual data k=1,86; c=3,83 m/s Best-fit Weibull distribution (k=1.77, c=3.05 m/s) k=1,77; c=3,05 m/s 5.2 Profilo diurno medio Di seguito viene riportato l’andamento medio del vento suddiviso nei 9 mesi di registrazione lungo le 24 ore giornaliere. Lungo le ordinate è riportata la velocità del vento in m/s, lungo le ascisse il tempo in ore giornaliere. - 82 - Dicembre 7 Gennaio 7 Dec 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 0 6 Febbraio 7 Velocità del vento (m/s) Jan 12 18 24 0 6 Marzo 7 Feb 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 12 18 24 Mar 0 0 6 12 18 24 0 Aprile 7 6 12 18 24 12 18 24 Maggio 7 Apr 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 May 0 0 6 12 18 24 0 6 Si può notare come il momento più ventoso della giornata sia mediamente compreso tra le prime ore del mattino e il mezzogiorno, inoltre, come sarà evidente più avanti, i mesi più ventosi che offrono il maggior contributo energetico sono Aprile con un coefficiente di potenza pari a 25,6, Gennaio con il 22,6, Dicembre con il 22,1, Maggio con un 18,2, Febbraio e Marzo con una percentuale circa pari al 17,9. (Fig. 30, settima colonna) - 83 - Giugno 7 Luglio 7 Jun 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 Jul 0 0 7 6 Agosto 12 18 24 0 7 Aug 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 6 12 Settembre 18 24 Sep 0 0 0 6 12 18 24 0 6 12 18 24 Con questi dati sarebbe teoricamente possibile valutare la sostenibilità di un’area isolata con la sola energia eolica distaccata finanche dall’uso di batterie e/o accumulatori, disponendo della sola curva di consumo che dovrebbe fornire l’Ente dispacciatore, nel caso dell’Italia, l’Enel. Non avendo a disposizione tale dato si procederà “virtualmente” simulando l’operativit{ di una turbina equipaggiata con il generatore che ha offerto le migliori garanzie secondo questo studio sia dal punto di vista della connessione in rete (grid-connected) che da quello dell’alimentazione di un’area isolata (stand-alone): il sincrono a magneti permanenti. - 84 - 5.3 Scelta della turbina La scelta della turbina è caduta sulla Northern Power NW100/21 dotata di sincrono a magneti permanenti direct drive di cui si elencano le caratteristiche tecniche20: Tabella 5 – Caratteristiche tecniche Modello Classe di progetto Vita progetto Diametro rotore Altezza navicella Tipologia torre Orientamento Controlli Regolazione potenza Velocità del vento nominale Velocità di cut-in Velocità di cut-out Velocità di sopravvivenza Tipologia moltiplicatore di giri Tipologia generatore Sistema di frenatura ridondato (secondo IEC 61400-1) F Potenza elettrica nominale Tipologia controller Tipologia convertitore Fattore di potenza Potenza reattiva Livello rumore apparente Intervallo temperatura: in funzionamento Northern Power 100-21 IEC IIA (veloc. media annua vento inferiore a 8,5 m/s, raffiche di vento di picco/50 anni inf. a 59,5 m/s) 20 anni 21 metri 37 m / 30 m / 23 m Palo tubolare in acciaio Controvento Attivi, elettromeccanici guidati dai sensori di velocità e direzione del vento Controllo di stallo a velocità variabile 14,5 m/s 3,0 m/s 25 m/s 59,5 m/s Nessuno (trasmissione diretta direct drive) A magneti permanenti con raffreddamento passivo Freno elettromeccanico del generatore e multiple pinze freno azionate a molla 100 kW, trifase, 400 VAC, 50 Hz Piattaforma integrata a multiprocessore basato su DSP Convertitore di frequenza IGBT con tecnologia PWM Set-point regolabile tra 0,9 ritardato e 0,9 anticipato +/- 45 kVAR Inferiore a 55 dBA a 40 metri da -20 °C a 50 °C Il calcolo della velocità del vento alla quota di lavoro della turbina è stato eseguito attraverso l’estrapolazione verticale tenendo conto della norma IEC 61400-121 che prevede l’uso della seguente equazione, detta power law: 𝑉𝑧 = 𝑉𝑟𝑖𝑓 (𝑧 𝑧𝑟𝑖𝑓 )∝ Tratte da da http://www.northernpower.com/global/documents/NPS10021_SpecSheet_EU-A4_Italian_2013.pdf 21 http://www.windpower.org/download/461/Introduction_to_the_IEC.pdf 20 - 85 - Figura 29 dove: 𝑉𝑧 : velocit{ del vento all’altezza incognita 𝑉𝑟𝑖𝑓 : velocit{ del vento misurata all’altezza 𝑧𝑟𝑖𝑓 di riferimento l’esponente α (coefficiente di Helmann) dipende da numerose variabili quali l’altitudine, l’ora del giorno, la stagione, la scabrezza del suolo; può essere determinato desumendolo da opportune tabelle calibrate empiricamente secondo la tipologia di terreno (il coefficiente varia da “Aria instabile su mare aperto” α=0.06 a “Aria stabile su area abitata” α=0.6) oppure mediante calcoli algebrici calibrati a considerare il coefficiente medio della giornata, della settimana, del mese o dell’intero set di dati. Al fine di una maggior semplicità di calcolo si è provveduto a valutare l’esponente medio lungo l’intero set di dati in modo che la legge di potenza approssimasse meglio la curva di frequenza, è stato così calcolato il valore α=0.484. L’estrapolazione verticale è stata eseguita alla quota di lavoro della turbina di 37 metri. La densità standard dell’aria a 1.225 𝑘𝑔 𝑚3 . I risultati della prova condotta al simulatore sono illustrati in Fig. 30 e sono i seguenti: - 86 - Figura 30 - Produzione annua turbina Northern Power NW100/21 Come si legge dall’immagine di Fig. 30 in corrispondenza della riga gialla la produzione annua di questa turbina, classificabile nel minieolico, è in grado di sostenere una produzione di 156'094 𝑘𝑊 𝑎𝑛𝑛𝑜 che, considerando una opportuna approssimazione dei mesi Ottobre e Novembre non pervenuti, potrebbe aggirarsi intorno ai 170 𝑀𝑊 𝑎𝑛𝑛𝑜. Se si considera che, in base a dati Istat del 201122, il consumo medio energetico di ogni utenza del capoluogo lucano è stato di 2023.4 𝑘𝑊 𝑎𝑛𝑛𝑜 si calcola come tale consumo sia agevolmente sostenibile più di 80 volte dalla produzione di questa turbina. Ciò induce a pensare che basterebbe un parco eolico modesto di questo tipo di turbine non particolarmente invasive per alimentare un’area isolata di un migliaio di abitanti sia in configurazione grid-connected che, eventualmente, stand-alone. 5.4 Raffronto economico Un impianto di una sola turbina avrebbe un costo medio di 380’000 € 22 http://dati.istat.it/Index.aspx?DataSetCode=DCCV_CNSENRG - 87 - più IVA23, immaginando di poterlo equidistribuire spalmandolo sul numero di 80 famiglie ne risulterebbe un costo una tantum di circa 5’000 € a famiglia più l’eventuale manutenzione di altri 5'000 € l’anno. Dall’analisi è escluso l’ammortizzamento economico dovuto all’eventuale immissione in rete del surplus, decisione comunque valutabile anche a posteriori. Volendo investire, dunque, a valle di una soddisfacente analisi anemometrica e immaginando una sostanziale autonomia energetica, questa soluzione potrebbe rappresentare un’ulteriore passo in avanti lungo la strada del decentramento energetico e sfruttamento delle sole risorse locali. 5.5 Conclusioni In questo studio si è cercato di dimostrare, anche se solo teoricamente, come un parco eolico modesto sia sufficiente ad alimentare un’area isolata di una contrada o piccolo paese come numerosi ce ne sono in Basilicata, anche collocati in aree decentrate, disponendo delle sole nostre risorse eoliche finanche svincolati da dispositivi di stoccaggio di energia e tecnologie affini (fotovoltaico). Il tipo di impianto di collegamento, se in rete o in isola, si presterebbe ad una progettazione anche successiva (una volta verificata la non sufficiente copertura o i frequenti sbalzi di fornitura elettrica) grazie alla duttilità del generatore sincrono direct-drive permanent magnet generator (PMG). Da notare che l’eventuale uso dei più efficienti generatori asincroni in impianti di tipo grid-connected prevedrebbe una erogazione di potenza reattiva (necessaria ad eccitare l’indotto) da parte della rete che il Dispacciatore potrebbe non fornire a titolo di cautela a causa di eventuali troppi contributi di potenza intermittente in quanto poco 23 http://www.purenergy.it/mini-eolico/northern-power-60-100 - 88 - gestibili e potenzialmente forieri di squilibri energetici, l’Ente erogatore nazionale infatti prevede la possibilità di un numero di agganci non superiore ad un certo limite proprio per non gravare la linea elettrica di perdite dovute ad uno sfasamento non gestibile. - 89 - Bibliografia [1] Risorse e consumo di energia nel mondo. (s.d.). 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Tratto da http://cdn.blogosfere.it/ecoalfabeta/images/gennaio%202011/Previsioni%20eolic o%202010-anteprima-450x325-236128.jpg [20] WorldWindEnergyAssociation (2012). Half-year report http://www.wwindea.org/webimages/Half-year_report_2012.pdf Testi consultati: “Sistemi di conversione eolica” - Rodolfo Pallabazzer “I nuovi limiti dello sviluppo” - Donella e Dennis Meadows, Jorgen Randers “Studio ed ottimizzazione del sistema di avviamento di un aerogeneratore ad asse verticale” - Riccardo Nasolini (2012) – Unibo: Tesi di Laurea “Il minieolico: tecnologia ed applicazioni” - Natale d’Armetta (2005) – Unipa: Tesi di Laurea “Generatore asincrono a doppia alimentazione” - Tomas Pradella (2010)Unipd: Tesi di Laurea “Valutazione del potenziale energetico e impatto sulla rete elettrica di impianti eolici” - Alessandro Segato (2009) – Unipd: Tesi di Laurea “Scelta e installazione delle mini turbine eoliche” – Dott. Ing. Lorenzo Battisti – DIMS Università di Trento – www.qualeenergia.it “Toward Some Operational Principles of Sustainable Development” in “Ecological Economics” – Herman Daly Riferimenti on-line it.wikipedia.org Key World Energy Statistics 2012 U.S. Energy Information Administration - www.eia.gov La Geopolitica dei Paesi esportatori di petrolio e gas http://www.treccani.it/export/sites/default/Portale/sito/altre_aree/Tecnolo gia_e_Scienze_applicate/enciclopedia/italiano_vol_4/401-422_x8.1x_ita.pdf - 91 - Statistical Review of World Energy 2011 Statistical Review of World Energy 2012 World Energy Outlook 2012 Data Book 2013 Quaderni di applicazione tecnica N.13 “Impianti Eolici” http://www.orizzontenergia.it http://www.indexmundi.com/map/?l=it http://www.nature.com/ dgerm.sviluppoeconomico.gov.it APPENDICE Si elencano le turbine dotate di generatore sincrono direct drive a magneti permanenti (PMG permanent magnet generator) conosciute fino al 2013, ordinate per diametro di rotore. Direct Drive PMG System Turbines Turbines Diameter [m] Power [kW] ENERCON E-112 ENERCON E-70 E4 Harakosan (Zephyros) Z72 ENERCON E-66 MTorres TWT 1650/78 MTorres TWT 1650/70 VENSYS 70 VENSYS 77 Leitwind LTW 77 VENSYS 64 VENSYS 62 Leitwind LTW 61 ENERCON E-58 Jeumont J53 Unison U50 750 kW ENERCON E-48 Jeumont J48 ENERCON E-33 Subaru 22/100 (FUJI) Northern Power NW 100/21 114.0 71.0 70.0 70.0 78.0 70.0 70.0 77.0 77.0 64.0 62.0 61.0 58.0 53.0 50.0 48.0 48.0 33.4 22.0 21.0 4500 2300 2000 1800 1650 1650 1500 1500 1350 1200 1200 1200 1000 750 750 800 750 330 100 100 - 92 - Ai fini della ricerca dell’indipendenza energetica si segnalano turbine di nuova generazione appartenenti alla classe micro-eolico (<20kW) appositamente disegnate per utenze domestiche, tra le quali segnaliamo le Revolutionair 400 e Revolutionair 1000 della Pramac Spa. Ringraziamenti Perché si sia potuta compiere questa opera sono stati necessari sforzi e sacrifici consistenti non solo da parte mia, per questo ringrazio i miei genitori per il sostegno economico, mio padre per quello che mi ha fatto passare rendendomi più forte, mia madre per non aver mai smesso un attimo di credere in me, i nonni Salvatore e Rosa per avermi dato accoglienza e sostegno nel momento più difficile, gli amici che, in questi anni, pur avvicendandosi in presenza fisica non mi han mai negato supporto e sostegno morale: Frank Lucia, Adriano Gianfredi, Domenico Petruzzi, Lucio Santoro, Mariella Mecca, Rocco Marrese, Rocco Piccirillo, Michele Verrastro. Ringrazio inoltre il Prof. Bonfiglioli per la paziente assistenza e l’Ing. Vito Filippi per la gentile concessione dei dati su cui ho lavorato. - 93 -