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:
 =
Dove:
1
2
∗  ∗  ∗  ∗ 13
 = potenza espressa in Watt
 = densità della massa d'aria espressa in

(Equazione 1)
3
 = coefficiente di potenza massimo di una turbina ideale ad asse
orizzontale, pari a 16/27 = 0.593 (Legge di Betz)
 = Area circolare spazzata dalle pale del rotore ed attraversata dalla
massa d'aria espressa in 2
1 = Velocità della massa d'aria indisturbata, prima del passaggio
attraverso le pale, espressa in  
Come si può notare  varia con il cubo della velocità del vento 1 .
Ad esempio, con una densit{ standard dell’aria a livello del mare
 = 1.225

2
3 ed  = 1  si ha:
1 = 5  
⇒ 1 = 76  2
- 35 -
2 = 6  
⇒
2 = 132  2
3 = 7  
⇒
3 = 210  2
Quindi, con un aumento di velocità del vento di solo 1  , la potenza
disponibile specifica si incrementa di circa il 60-70%. Prendendo
inoltre come riferimento la potenza disponibile specifica ( = 210

 è possibile

2 ) della vena fluida relativa alla velocità 1 = 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 2
⇒
D = 2.5 m
P = 10 kW
⇒
A = 47,6 2
⇒
D = 7.8 m
P = 20 kW
⇒
A = 95,2 2
⇒
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  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:
 =  ∗ 
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 [  2 ]
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
 = 60 ∗


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.
  =   /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  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:
 = 60/
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.
 = 60/
Questo
campo
magnetico
concatenandosi
con
le
spire
dell’avvolgimento rotorico, induce in queste una corrente alternata di
frequenza indotta
 =  −  /60
Tali correnti rotoriche originano un campo magnetico che ruota
rispetto al rotore alla velocità | −  | e assieme a esso con numero di
giri      .
Al traferro il campo magnetico indotto sarà dunque sempre sincrono
con quello induttore, ma se  =  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  = ( −
 )/ 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 ( >  ).
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 ( <  ).
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
 2 . 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
1
21,6
19,6
13,6
14
20,3
13,6
12,2
13,7
12,2
9,8
2
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)
 1: velocità media massima registrata dal primo anemometro
 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
 = Γ( + 1)

dove:
 è  à   
Γ è   
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:
 =  (  )∝
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:
 : velocit{ del vento all’altezza incognita
 : velocit{ del vento misurata all’altezza  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  3 .
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
  che, considerando una opportuna approssimazione dei
mesi Ottobre e Novembre non pervenuti, potrebbe aggirarsi intorno ai
170  .
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
  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
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http://it.wikipedia.org/wiki/Risorse_e_consumo_di_energia_nel_mondo
[2] http://www.nature.com/nclimate/journal/vaop/ncurrent/full/nclimate1683.html
[3] Tratto da Statistical Review of World Energy 2011.
http://www.bp.com/assets/bp_internet/globalbp/globalbp_uk_english/reports_and_p
ublications/statistical_energy_review_2011/STAGING/local_assets/pdf/statistical_revi
ew_of_world_energy_full_report_2011.pdf.
[4] Tratto da http://energyviews.enel.it/?p=1018
[5] World Energy Consumption by Fuel 1990-2035. (s.d.). Tratto da
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995-2011.png
[6] BP. (s.d.). Statistical Review of World Energy 2013. Tratto da
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[7] http://www.eia.gov/analysis/studies/worldshalegas/
[8] Terzi, R. (s.d.). Mercato del petrolio, geopolitica e fondamentali: uno scenario in
cambiamento. Tratto da
http://www.ambientediritto.it/dottrina/Politiche%20energetiche%20ambientali/p
olitiche%20e.a/mercato_petrolio_terzi.htm
[9] Verda, M. (s.d.). Sicurezzaenergetica. Tratto da
http://www.sicurezzaenergetica.it/wpcontent/uploads/2012/07/PEC_e_dipendenza.xls
[10] Elaborazione Grafica. (s.d.). Tratto da http://www.sicurezzaenergetica.it/wpcontent/uploads/2012/07/dipendenza_mini.png
[11] Tratto da
http://cdn.blogosfere.it/ecoalfabeta/images/gennaio%202011/Prezzi%20alimenta
ri%20petrolio-anteprima-450x283-232284.jpg
[12] Il petrolio e gli alimenti. (s.d.). Tratto da
http://www.comedonchisciotte.org/site/modules.php?name=News&file=print&sid
=3868 [13] Donella e Dennis L. Meadows, J. R. (1972). The Limits to Growth. I limiti dello
sviluppo. Mondadori.
[14] Daly, H. (1990). Toward Some Operational Principles of Sustainable
Development. Ecological Economics , pp. 1-6.
- 90 -
[15] http://assets.wwf.ca/img/original/lpr2010_figure2.jpg Tratto da
Il cibo sul pianeta varia in base al petrolio. (s.d.). Tratto da
http://ecoalfabeta.blogosfere.it/2011/02/il-cibo-sul-pianeta-non-e-mai-stato-cosicaro-come-oggi.html - Living Planet Report. (2010). Tratto da
http://awsassets.wwf.ca/downloads/lpr2010.pdf
[16] Benetazzo, E. (2007). La farsa delle energie alternative. Tratto da
Disinformazione.it: http://www.disinformazione.it/farsa_energie_alternative.htm
[17] IEA. (2013). Technology Road Map: Wind Energy 2050. Tratto da
http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/Wind_2013_Roadm
ap.pdf
[18] Global Wind Energy Outlook 2010. Tratto da Global Wind Energy Council
http://gwec.net/wp-content/uploads/2012/06/GWEO-2010-final.pdf
[19 ]Ecoalfabeta. (s.d.). Previsioni di crescita per l'eolico: energia. 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:
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“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
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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 -

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
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 -

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