Energia Eolica www fisicaxscuola altervista org Energia Eolica

Energia Eolica www. fisicaxscuola. altervista. org

Energia Eolica • • • Il Vento Misura del vento L’Energia del Vento Vantaggi & Svantaggi Potenza Eolica Aerogeneratori (Pale Eoliche) Parti costituenti Aerogeneratori lenti e veloci Micro, mini e grande eolico Eolico Off Shore Normativa Prerequisiti: • Pressione Atmosferica 2

Il vento 1/3 Il vento è vento il movimento di masse d'aria che si spostano da aree ad alta pressione (anticicloniche) verso aree a bassa pressione (cicloniche). pressione La differenza di pressione tra le masse d'aria è la risultante dei fenomeni termodinamici nell'atmosfera terrestre che si presentano in modo non uniforme nello spazio e nel tempo. Il motore che innesca questi movimenti è il calore, in particolare quello dovuto al sole che irraggia e riscalda, continuità ma in modo non omogeneo, la Terra. 3

Il vento 2/3 Il fenomeno, infatti, non si distribuisce ovunque allo stesso modo. Ad esempio, le superfici marine, avendo una maggiore inerzia termica, tendono a riscaldarsi e a raffreddarsi più lentamente rispetto alla terraferma. Di giorno, il suolo si riscalda più velocemente del mare (abbassamento di pressione sul suolo e aumento sul mare) provocando una brezza dal mare verso la costa. Al calare del sole, la terraferma si raffredda rapidamente mentre l'acqua marina è ancora calda e continua a scambiare calore con le masse d'arie sovrastanti il mare (alta pressione al suolo, bassa sul mare) e quindi si avrà una brezza dalla terra verso il mare. 4

Il vento 3/3 Poiché il calore influenza la pressione si generano dei gradienti (differenze con delle direzioni) di pressione che causano lo spostamento delle masse d’aria nelle stesse direzioni dei gradienti di pressione. In realtà le direzioni in cui si spostano le masse d’aria dipendono dalla composizione dei gradienti di pressione e delle seguenti forze: q Forza di Coriolis q Forza Centrifuga q Forza di Attrito 5

Misura del vento 1/2 Il vento viene classificato in base a: q Intensità (m/s, Km/h o nodi); (1 m/s = 3. 6 km/h ≈ 1. 9 nodi) q Comportamento nel tempo (regolare o irregolare); q Direzione da cui proviene (rosa dei venti). Lo strumento di misura si chiama anemometro. In base alla velocità, i venti vengono classificati in dodici gradi di intensità, secondo una scala di misura detta di Beaufort, essa fu proposta nel 1806 da Sir Francio Beaufort ed adottata dal Comitato Meteorologico Internazionale nel 1874 e successivamente rivista dallo stesso Comitato nel 1826. 6

Misura del vento (Scala Beaufort) 2/2 7

L’Energia del Vento. dal vento ovvero il prodotto della L'energia eolica è l’energia ottenuta conversione dell’energia cinetica, ottenuta dalle correnti d'aria, in altre forme di energia (meccanica o elettrica). Lo sfruttamento di questo fenomeno naturale risale ad epoche molto remote. Si dice che, già nel 1. 700 a. c. Hammurabi, re di Babilonia, utilizzasse mulini a vento per pompare acqua da destinare all’irrigazione dei campi: sempre per questo scopo venivano utilizzati dagli Arabi e dai Cinesi. In Europa i primi mulini a vento per la macinazione del grano sono arrivati intorno all’anno mille: ne è testimonianza il “Don Chisciotte”. 8

Vantaggi & Svantaggi VANTAGGI: q Il vento è disponibile in moltissime zone della terra, non inquina, è inesauribile q Costi degli impianti relativamente bassi, inoltre si possono riciclare i componenti q Non si verifica una variabilità dei costi dovuta ad aumenti del prezzo della fonte SVANTAGGI: q Irregolarità e incostanza in velocità e direzione q Impossibilità di accumulazione diretta q Rumorosità e Forte impatto visivo 9

Potenza Eolica 1/3 Per calcolare la potenza trasportata dal vento consideriamo l’energia cinetica di un volume cilindrico (lunghezza l e area di base A) di aria (densità d) che “colpisce” le pale con velocità v: Poiché, se consideriamo la velocità costante, la lunghezza del cilindro è data dal prodotto tra la velocità e l’intervallo di tempo (l=v∙Dt), possiamo ricavare la potenza con cui il vento investe le pale: Questo ci porta a formalizzare la legge di Betz per la potenza trasportata dal vento: 10

Potenza Eolica 2/3 Potenza trasportata dal vento (legge di Betz) Per avere un riferimento indipendente si preferisce definire la potenza specifica per area, ottenuta dividendo la potenza per l’area interessata: Potenza Specifica La potenza specifica rappresenta, quindi, la potenza riferita ad un’area unitaria (1 m 2). 11

Potenza Eolica 3/3 Non tutta la potenza trasportata dal vento può essere sfruttata per la produzione di energia. Infatti, poiché il vento a valle della pala ha sempre una velocità non nulla, è evidente che le pale eoliche riescono ad estrarre (e quindi convertire) solo una frazione dell’energia eolica: Formula di Betz dove a = Rallentamento Percentuale dipende dalle velocità del vento a monte del rotore e sul rotore. Betz ha calcolato che si può sottrarre al massimo il 59. 3% della potenza associata al flusso d’aria, quindi: Potenza Estraibile CP assume valori differenti a seconda della configurazione e del tipo di rotore, ma è sempre minore di 0, 593. 12

Aerogeneratori (Pale Eoliche) 1/3 Per “raccogliere” l'energia eolica si usano gli aerogeneratori (normalmente detti Pale Eoliche) che hanno lo scopo di trasformare l’energia ottenuta dal vento in altre forme di energia (meccanica o elettrica). Una prima classificazione delle pale eoliche è in funzione della direzione dell’asse di rotazione. Asse Orizzontale: sono i più diffusi perché hanno il miglior rendimento. Le pale, quasi sempre tre e con passo variabile, sono generalmente realizzate in fibra di vetro o lega di alluminio, talvolta in fibra di carbonio. Asse Verticale: sono meno utilizzati per via del modesto rendimento. Hanno però il vantaggio di non doversi orientare a seconda della direzione del vento. 13

Aerogeneratori (Pale Eoliche) 2/3 Ulteriori criteri di classificazione delle pale eoliche, sempre in termini di parametri costruttivi, sono: q posizione dell’asse di rotazione; q numero di pale e loro dimensioni; q taglia e potenza; q tipologia del sostegno (palo in acciaio o in cemento, traliccio); q disposizione sul terreno o sul mare (a quadrato o rombo, fila unica, file parallele, file incrociate, croce di Sant’Andrea, casuale). Inoltre sono caratterizzate da una certa inerzia, quindi rimangono ferme per venti deboli e, per motivi di sicurezza, sono disconnesse nel caso di venti eccessivamente forti. Le condizioni di funzionamento ottimali sono: (cut-in) 3 -5 m/s < v < 20 -25 m/s (cut-off) 14

Parti Costituenti Pale 1/7 Moltiplicatore di giri Rotore Generatore Sistema frenante Torre e Fondamenta Sistema di controllo Navicella e Sistema di imbardata 15

Parti Costituenti 2/7 16

Parti Costituenti 3/7 Sostegno o Torre La torre può raggiungere dimensioni notevoli in altezza, fino anche a 180 m; tanto più è alta la torre tanto migliori sono le condizioni di ventosità in termini di intensità e costanza. Aumentando le dimensioni del rotore, pur essendo possibile un incremento dell’energia prodotta, il sostegno richiederebbe una sezione maggiore per garantire stabilità alla struttura, con un aumento notevole dei costi di progettazione e un peggioramento dell’impatto paesaggistico. I materiali utilizzati sono frequentemente di tipo metallico. Pale I profili usati per le pale degli aeromotori veloci di media o di grande stazza sono di norma pianoconvessi o biconvessi, ma non simmetrici. Tali profili presentano una resistenza ridotta e quindi permettono di ottenere un buon rendimento aerodinamico. 17

Parti Costituenti 4/7 Rotore o turbina I rotori sono principalmente ad asse orizzontale, del tipo: • monopala, contrappeso: più economici ma sbilanciati, generano rilevanti sollecitazioni meccaniche e rumore; poco diffusi; • bipala: due pale poste a 180° tra loro; costo e prestazioni intermedie rispetto alle altre due tipologie; sono i più diffusi per installazioni minori; • tripala: tre pale poste a 120° una dall’altra; sono costose ma, essendo bilanciate, non causano sollecitazioni scomposte e sono affidabili e silenziose. 18

Parti Costituenti 5/7 Navicella o gondola È posizionata sulla cima della torre e può girare di 180° sul proprio asse. Nella cabina sono ubicati i vari componenti dell’aerogeneratore, tra cui il moltiplicatore di giri. Per i sistemi interfacciati alle reti locali o nazionali, la velocità dell’asse del rotore non è sufficiente a permettere al generatore elettrico di produrre una tensione alla frequenza della rete elettrica (50 Hz in Europa), quindi un sistema di moltiplicazione trasferisce il movimento a un «albero veloce» , dotato di freno per lo stazionamento. Sistemi di misura I sistemi di misura (anemometri e indicatori di direzione del vento) sono montati sulla sommità della navicella e servono a configurare correttamente la macchina a seconda della direzione e dell’intensità del vento. 19

Parti Costituenti Controllo del sistema 6/7 Il controllo di sistema è costituito dai seguenti elementi: • Sistema di controllo: è un dispositivo di interfaccia del generatore con la rete e/o con eventuali sistemi di accumulo che controlla il funzionamento della macchina e gestisce l’erogazione dell’energia elettrica e l’arresto del sistema oltre certe velocità del vento, per motivi di sicurezza dovuti al calore generato dall’attrito del rotore sull’asse e/o a sollecitazioni meccaniche della struttura. • Controllo di stallo: serve per bloccare le pale in caso di velocità del vento elevate; le pale sono quindi costruite svirgolate e in modo che a velocità elevate inizi uno stallo sulle pale, che parte dalla punta e si propaga verso il centro. L’area attiva delle pale cala, facendo così calare anche la potenza. • Controllo di imbardata passivo: prevede che il sistema sia dimensionato in modo da abbandonare automaticamente l’assetto frontale, oltre una certa spinta del vento. 20

Parti Costituenti 7/7 Generatore elettrico È azionato dall’albero veloce. Negli impianti di piccola taglia non collegati alla rete possono essere sia a corrente continua sia a corrente alternata, senza vincoli restrittivi di costanza della frequenza. Nel caso di sistemi interfacciati con reti, locali o nazionali, servono alternatori sincroni o asincroni a frequenza costante. Orientamento e freno Gli aerogeneratori di piccola taglia, in condizioni di normale regime, si autodirezionano attraverso un semplice timone. Solo nei più sofisticati sono installate pale a passo variabile, in modo da adeguare la loro inclinazione alla velocità del vento per migliorarne la resa. Nelle macchine di piccola taglia il sistema di controllo è solitamente di tipo passivo, senza servomotori che agiscono sull’angolo di calettamento delle pale e sull’angolo tra la navicella e il vento. 21

Aeromotori Lenti e Veloci AEROMOTORI LENTI Essendo lenti per poter essere efficaci necessitano di un congruo numero di pale (12 – 24). Hanno un timone esterno per posizionarsi a favore del vento e il loro coefficiente di potenza CP è circa la metà del massimo teorico (≈ 0, 3). Questo genere di macchine viene utilizzato nelle regioni in cui il vento è dell’ordine di 4 -5 m/s, in particolare per il pompaggio dell’acqua. 22

Aeromotori Lenti e Veloci AEROMOTORI VELOCI Per la loro elevata velocità di rotazione gli aeromotori veloci hanno un numero limitato di pale, che va da 2 a 4 pale, ma è necessaria una velocità del vento di almeno 5 m/s perché si mettano a ruotare. Hanno un coefficiente di potenza CP più elevato (≈0, 4) Si ha il massimo rendimento per una velocità di rotazione pari a 135 v/D. 23

Taglie dell’Eolico Anche se non esiste una classificazione condivisa delle taglie dell'eolico, esistono 4 grandi famiglie che rispecchiano anche quattro diversi campi di applicazione: • Micro eolico, di potenza fino a 20 k. W, adatto per l'autoconsumo di piccole utenze isolate o connesse alla rete. • Mini eolico, di potenza compresa tra 20 k. W e 200 k. W, ideale per scambiare o vendere l'elettricità prodotta. • Grande eolico, con turbine di potenza superiore ai 200 k. W, si configura sempre più come una delle scelte strategiche per diversificare le fonti di approvvigionamento energetico del nostro paese. • Eolico offshore, consente di sfruttare in maniera ottimale i forti venti che spirano in mare aperto, grazie anche all'utilizzo di grandi generatori di potenza fino a 7 MW. 24

Micro Eolico (P < 20 k. W) Macchine ideali per l'alimentazione di utenze residenziali, agricole e industriali di piccole-medie dimensioni. A seconda che siano o meno dotati di un collegamento con la rete elettrica, i micro impianti eolici possono configurarsi come impianti in rete o in isola. 25

Mini Eolico (20 k. W < P < 200 k. W) Macchine ideali per l'alimentazione di utenze industriali ed anche commerciali o agricole di una certa dimensione. Il mini eolico è pensato soprattutto per impianti in rete. Considerando le importanti dimensioni che può raggiungere una turbina da 200 k. W (torre alta 50 metri e rotore di 25 metri di diametro), serviranno sicuramente maggiori precauzioni rispetto all'installazione di un micro generatore da pochi k. W. 26

Grande Eolico (Wind Farm) Gli aerogeneratori di maggiore potenza (P > 200 k. W) sono generalmente aggregati in parchi eolici. I grandi parchi eolici (wind farms), che sono ormai parte integrante del paesaggio contemporaneo, sono vere e proprie centrali elettriche. Si tratta di impianti costituiti da un numero variabile, anche molto elevato, di generatori eolici di grande taglia connessi tra loro. Tehachapi Wind Farm (California - USA) 27

Grande Eolico (Wind Farm) La distanza tra ogni generatore è di cinque-dieci volte il diametro delle pale, in modo da evitare addensamenti antiestetici e interferenze nella captazione del vento. Poiché la fonte energetica è intermittente, installare 100 MW di turbine eoliche non significa avere a disposizione 100 MW di potenza in modo continuo, per disporre di 100 MW effettivi occorre installare 250 MW. La presenza di sottostazioni elettriche dotate di trasformatore, consente di trasformare la corrente prodotta da media in alta tensione, in modo da poterla immettere nella rete elettrica nazionale. 28

Wind Farms in Italia (on e off shore) L'energia eolica in Italia è una fonte di energia rinnovabile in crescita. È attuata considerando sia una produzione centralizzata in impianti da porre in luoghi alti e ventilati, sia un decentramento energetico, per il quale i comuni utilizzano impianti di piccola taglia, composti da un numero esiguo di pale (1 -3 turbine da 3 o 4 MW), per fornire l’energia necessaria ai propri abitanti. La regione con il maggior numero di centrali eoliche è il Molise, seguito dalla Campania. https: //it. wikipedia. org/wiki/Energia_eolica_in_Italia Lucito (CB) - 34 MW Polero (BN) – 54 MW https: //it. wikipedia. org/wiki/Parchi_eolici_nel_mondo 29

Eolica Off-Shore L'eolico off-shore è l'ulteriore evoluzione della tecnologia. Le pale eoliche sono collocate in alto mare, sopra dei pali portanti ancorati sul fondale marino. Sul mare il vento soffia costantemente, grazie al continuo scambio di masse d'aria con la terraferma, e non ci sono ostacoli. Ciò fa sì che il mare sia il posto ideale per catturare l'energia del vento. Inoltre, se posti lontano dalla riva, l'impatto sul paesaggio è minimo. Al momento la tecnologia consente di installare impianti ad una profondità massima di circa 40 -60 m ma sono allo studio nuovi ancoraggi e, soprattutto, sistemi galleggianti. 30

Eolica Off-Shore In totale, l'Italia dispone di ben 11. 686 km² di superficie marina adatta all'eolico offshore; le zone ideali sono soprattutto quelle dell'Italia centromeridionale, con in testa la Puglia. Il potenziale offshore italiano è purtroppo scarso in zone marine a bassa profondità, dove risulterebbe più agevole l'installazione e l'ancoraggio delle turbine al fondale. In ogni caso, installazioni eoliche troppo vicine alla costa potrebbero non essere gradite a causa dell'importante impatto visivo. Il primo progetto di eolico off-shore nel Mediterraneo, a Taranto, si chiama Beleolico. Avrà una potenza nominale totale di 30 MW e si presume che entrerà in funzione nell'autunno del 2018. Il progetto prevede dieci turbine da 3 MW ciascuna, per una produzione annuale prevista di 80 GWh. 31

Normativa • Accordi internazionali (Protocollo di Kyoto) • Obiettivi UE per la produzione di energia da fonti rinnovabili e la riduzione di gas serra - La direttiva 2001/77/CE • Norme sul paesaggio - Il d. lgs. 42/2004 • Norme sulla VIA (valutazione di impatto ambientale) - d. lgs. 152/2006 • Norme sulla Rete Natura 2000 - Il DPR 357/97 • Certificati verdi - Il d. lgs. 79/99 • Competenze e procedure autorizzative per la realizzazione di impianti eolici (d. lgs. 387/2003) CAMPANIA • Dgr Campania 4 ottobre 2016, n. 533 Criteri per la individuazione delle aree non idonee all'installazione di impianti eolici con potenza superiore a 20 Kw - Attuazione articolo 15, Lr 6/2016 • Lr Campania 5 aprile 2016, n. 6 Collegato alla Lr di stabilità per l'anno 2016 - Servizio idrico integrato e piano dei rifiuti - Impianti eolici e biomasse - Sicurezza nei cantieri - Spazi verdi urbani • Dossier Regione Campania - Autorizzazione unica: vincoli e divieti 32

PREREQUISITI La Pressione Atmosferica

La Pressione Data una forza F esercitata su una superficie S, si definisce PRESSIONE il rapporto fra il modulo della componente ortogonale alla superficie della forza e l’area della superficie su cui la forza agisce: Nel S. I. l’unità di misura della pressione è il Pascal: 34

La Pressione Atmosferica L’atmosfera L'aria forma attorno alla Terra uno strato gassoso chiamato atmosfera, spesso qualche centinaio di chilometri. Essendo attirata verso il basso dal proprio peso, l'aria esercita sulla superficie terrestre una certa pressione: con l'aumentare della quota rispetto il livello del mare la pressione atmosferica decresce in quanto diminuisce lo spessore di atmosfera sovrastante. Come per una colonna d'acqua, infatti, anche la pressione di una colonna d'aria diminuisce con l'altezza se ci si muove verso l'alto partendo dalla superficie terrestre. La pressione atmosferica dipende da: § Altitudine; § Latitudine; § Temperatura; § Umidità. 35

La Pressione Atmosferica L’atmosfera Nell'aria, se ci si innalza dalla superficie terrestre, si va a sopportare una pressione corrispondente ad una colonna d'aria sempre meno alta, ma essendo l'aria compressibile, più la pressione diminuisce più il suo volume aumenta, cioè ne diminuisce la densità e non è quindi possibile applicare, per grandi differenze di quota, la legge di Stevino: la diminuzione di pressione dell'aria non è una funzione lineare della distanza, bensì una funzione esponenziale. 36

Densità VS Altitudine 1. 4000 Densità (kg/m³) 0 1, 2250 1000 1, 1117 5000 0, 7364 10000 1. 2000 1. 0000 Densità (kg/m 3) Altitudine (m) 0. 8000 0. 6000 0, 4135 0. 4000 15000 0, 1947 20000 0, 0880 0. 2000 25000 0, 0390 0. 0000 0 5000 10000 15000 Altitudine (m) 20000 25000 30000 37

La Pressione Atmosferica Le unità di misura La pressione atmosferica normale o standard è quella misurata alla latitudine di 45°, al livello del mare e ad una temperatura di 15 °C, che corrisponde ad una colonna di mercurio di 760 mm. Nelle altre unità di misura corrisponde a: 1 atm = 760 torr (o mm. Hg) = 101325 Pa ≈ 1, 01 ∙ 105 Pa 101325 Pa = 1013, 25 h. Pa = 1013, 25 mbar 38

Bibliografia & Sitografia • • • • • Mirri L- Parente M. , Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili, Zanichelli http: //spazioinwind. libero. it/binophone/Meteorologia%20&%20 Oceanografia/Venti. pdf http: //www. ecoage. it/eolico-introduzione. htm http: //www. greenstyle. it/storie/eolico www. fermi. mo. it/download/energia. ppt http: //www. ecoage. it/vento. htm http: //www. meteomarta. altervista. org/portale/brezza-di-mare-e-di-terra http: //159. 213. 57. 103/lamma-webgis/pdf/Generalita_sull%27 energia_eolica. pdf https: //www. arpae. it/cms 3/documenti/simc/2012/scala_beaufort_del_vento. pdf http: //www. soveratometeo. it/index. php/i-venti/classificazione-del-vento-e-scala-beaufort https: //it. wikipedia. org/wiki/Atmosfera_standard_internazionale_ICAO http: //www. nextville. it/Funzionamento_e_prestazioni/522/Il_generatore_eolico http: //www. nextville. it/Tecnologie_rinnovabili/311/Eolico http: //atlanteeolico. rse-web. it/ https: //it. wikipedia. org/wiki/Energia_eolica_in_Italia http: //www. qualenergia. it/articoli/20170616 -eolico-shore-parte-la-realizzazione-del-primo-parcoitalia https: //windeurope. org/ http: //www. qualenergia. it/ http: //www. e 2 ienergiespeciali. it/impianti 39

Crediti Immagini • • • http: //www. ecoage. it/data/ecoage/vento-bassa-alta-pressione-ecoage. gif http: //www. ecoage. it/data/ecoage/vento-alta-bassa-pressione. gif http: //www. youmath. it/images/stories/AAArisposte/17 -18/rosa-dei-venti. png https: //reformaminera. files. wordpress. com/2009/11/energia-eolica. jpg? w=570 https: //http 2. mlstatic. com/S_518115 -MLV 25161194025_112016 -O. jpg https: //it. wikipedia. org/wiki/File: Profiloalare. AC. gif http: //www. firstrule. pt/imagens/picture 28. jpg https: //windeurope. org/wp-content/uploads/images/about-wind/daily-windfirst-half-2017. jpg https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Foundations_NREL. jpg http: //www. e 2 ienergiespeciali. it/wp-content/uploads/San_Giorgio. jpg http: //www. e 2 ienergiespeciali. it/wp-content/uploads/Lucito_01. jpg • Mirri L- Parente M. , Fisica ambientale - Energie alternative e rinnovabili, Zanichelli • • 40