Appunti di Energia eolica e marina

Corso di

ENERGIA EOLICA

E MARINA

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE

a.a. 2022-2023

Prof. Alessandro Bianchini

Appunti di Mattia Calabrese

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INDICE

1. INTRODUZIONE…………………………………………………………………………………………………………………………….3

1.1 INTRODUZIONE ALLE RINNOVABILI…………………………………………………………………………………………3

1.2 INTRODUZIONE ALL’ENERGIA EOLICA – SFIDE E SVILUPPI………………………………………………………..3

2. ENERGIA EOLICA……………………………………………………………………………………………………………………………6

2.1 WIND ENERGY BASIC……………………………………………………………………………………………………………….6

2.1.1 LA RISORSA…………………………………………………………………………………………………………………6

2.1.2 LEGGE DI BETZ…………………………………………………………………………………………………………….8

2.1.3 CURVE OPERATIVE……………………………………………………………………………………………………10

2.2 AERODINAMICA DEI PROFILI…………………………………………………………………………………………………13

2.3 SITING…………………………………………………………………………………………………………………………………..17

2.3.1 WIND RESOURCE ASSESSMENT…………………………………………………………………………………17

2.3.2 STIMA PRODUZIONE ENERGETICA DEL PARCO EOLICO………………………………………………20

2.4 TURBINE AD ASSE ORIZZONTALE (HAWT)………………………………………………………………………………21

2.4.1 ASPETTI PRINCIPALI E FUNZIONAMENTO…………………………………………………………………..21

2.4.2 ECONOMIA DELLE HAWTs…………………………………………………………………………………………24

2.4.3 METODI DI SIMULAZIONE PER AERODINAMICA………………………………………………………..25

2.4.4 HAWTs DESIGN BASICS……………………………………………………………………………………………..33

2.4.5 STRATEGIE DI CONTROLLO HAWTs…………………………………………………………………………….37

2.5 TURBINE AD ASSE VERTICALE (VAWT)……………………………………………………………………………………47

2.5.1 SAVONIUS TURBINE………………………………………………………………………………………………….48

2.5.2 DARRIEUS TURBINE…………………………………………………………………………………………………..49

2.5.3 BEM PER TURBINE DARRIEUS……………………………………………………………………………………51

2.5.4 FENOMENI DI ORDINE SUPERIORE E LINEE GUIDA DESIGN………………………………………..54

2.6 WIND POWER SMOOTHING…………………………………………………………………………………………………..59

2.6.1 WIND POWER MANAGEMENT…………………………………………………………………………………..59

2.6.2 POWER SMOOTHING………………………………………………………………………………………………..60

2.7 CFD PER LE TURBINE EOLICHE………………………………………………………………………………………………..67

2.7.1 RANS PER HAWTs……………………………………………………………………………………………………..69

2.7.2 RANS PER VAWTs……………………………………………………………………………………………………..69

2.8 MODELLI IBRIDI PER LA SIMULAZIONE DI TURBINE EOLICHE………………………………………………….70

2.8.1 ACTUATOR LINE MODEL……………………………………………………………………………………………72

2.9 FLOATING OFF-SHORE WIND TURBINES………………………………………………………………………………..74

2.9.1 CONCETTI, SFIDE TECNICHE E MODELLAZIONE…………………………………………………………..75

2.9.2 TECNICHE DI MODELLAZIONE IDRODINAMICA…………………………………………………………..78

2.10 SMALL WIND TURBINES…………………………………………………………………………………………….81

2.11 WIND POWER INTEGRATION IN SMART ENERGY SYSTEMS………………………………………..82

3. ENERGIA MARINA……………………………………………………………………………………………………………………….87

3.1 MARINE ENERGY…………………………………………………………………………………………………………………..87

3.2 WAVE ENERGY CONVERTERS…………………………………………………………………………………………………92

3.3 ENERGIA DEL MOTO ONDOSO……………………………………………………………………………………………….95

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1. INTRODUZIONE

1.1 INTRODUZIONE ALLE RINNOVABILI

Una fonte di energia rinnovabile è una fonte di energia la cui accessibilità è infinita nel tempo.

L’interesse nei confronti di questa tipologia di fonti è sempre più crescente per le urgenze

ambientali, con l’obiettivo di avere net carbon zero entro il 2050. La Terra è un sistema con

un’enorme inerzia, dunque un intervento fatto adesso vedrà la sua efficacia solo tra diversi anni.

Inoltre, vi è il problema che la richiesta energetica mondiale continua a salire, e dunque si deve

cercare di migliorare l’efficienza energetica dei vari sistemi di produzione.

Il problema, quando si parla di rinnovabili, non è tanto legato alla potenza installata ma alla

producibilità, ossia alla quantità di ore equivalenti di potenza nominale in un anno. La bassa

producibilità delle principali fonti rinnovabili è solo uno degli aspetti che frena una maggiore

diffusione delle rinnovabili. Altri problemi sono legati all’elevato investimento iniziale necessario

(pay now, save later), alla diffidenza diffusa nei confronti di alcune rinnovabili (resistenza della

comunità locale), all’impatto sull’ambiente sia in termini di paesaggistica che di occupazione di

suolo e soprattutto all’integrazione con la rete elettrica.

Per migliorare questo ultimo aspetto è sempre più in voga il concetto della smart grid, che

consiste nel far transire la rete ad un sistema modulare con una gestione più locale dei consumi

e degli utenti in reti più piccole. In questo modo si riuscirebbe a gestire i consumi in modo più

accurato, con un modello di domanda più affidabile, e l’utente sarebbe sempre più proattivo nei

confronti della rete. Un esempio sarebbero contratti in cui si abbassano kW al contatore quando

non si è in casa, elettrodomestici intelligenti, autoconsumo, accumulo,.. Un altro aspetto su cui

ci si sta concentrando molto è il miglioramento nelle previsioni metereologiche, per migliorare la

previsione sulla disponibilità giornaliera delle rinnovabili e dunque la gestione dei flussi

energetici. Anche questo aspetto sarebbe aiutato da un approccio più locale perché le previsioni

sono più affidabili a livello locale.

1.2 INTRODUZIONE ALL’ENERGIA EOLICA – SFIDE E SVILUPPI

Le turbine eoliche sono le turbomacchine più grandi in produzione nel pianeta. Lo scorso anno

l’energia eolica ha coperto il 16% della domanda elettrica europea con il settore off-shore che

sta crescendo molto, soprattutto perché su terra le zone ventose sono quasi tutte coperte. Il

costo (COE) dell’eolico on-shore è ormai

estremamente competitivo rispetto agli altri

sistemi di produzione mentre l’off-shore sta

entrando adesso nel range di competitività con

un trend di costo ulteriormente in diminuzione.

Le macchine sono tipicamente mono-pilone

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tripala in configurazione up-wind con dimensioni sempre più grandi, installate in parchi o array.

I primi approcci di uso del vento erano legati alla trasformazione dell’energia del vento in energia

meccanica per macinare o pompare acqua. La prima turbina eolica per la produzione di elettricità

è stata ideata alla fine del XIX secolo ed era una turbina ad asse verticale. Dopodiché ci furono

altri tentativi interessanti come quello del meteorologo Paul La Cour che fu il primo a pensare ad

un generatore a giri variabili per avere il rotore a velocità costante. Si capì fin da subito che le

turbine eoliche devono essere il più grandi possibile per lavorare al meglio.

Fino agli anni ’70, l’energia eolica non ebbe una grande penetrazione. La crisi del petrolio del

1973 fece invece capire la necessità di nuove fonti alternative per la produzione energetica. Per

quanto riguarda l’energia eolica, si aprirono due diverse strade principali: la strada “americana”

che consisteva nell’utilizzo di 2 pale di alluminio molto pesanti e downwind, che seguivano la

tecnologia degli aerei e la strada “europea” che prevedeva l’uso di rotori tripala (con efficienza

maggiore) piccoli su torri leggere in configurazione upwind. La strada americana è fallita perché

non riusciva a partire con vento basso a causa della pesantezza delle pale e perché erano rotori

con bassa resistenza massima, oltre che per politiche economiche. I primi sviluppi della strada

europea si sono focalizzati sull’aumento della resistenza, successivamente, grazie anche allo

sviluppo dell’aeroelasticità, si è ottenuto un aumento anche dal punto di vista della potenza. In

pratica si accetta che la pala si pieghi e si sfrutta il movimento della pala a nostro favore, si hanno

dunque pale con sviluppo tridimensionale e molto flessibili. Si parla dunque di “tailoring

aeroelastico” quando si punta a disegnare la pala in modo da sfruttare l’aeroelasticità per

alleviare i carichi.

Il semplice upscaling delle turbine non è sufficiente

perché, mentre il peso e il costo hanno un andamento

che va con il cubo della taglia, la produzione energetica

annua va con il quadrato della taglia stessa quindi

l’aumento delle dimensioni va fatto sfruttando

tecnologie che permettano di avere macchine più

leggere. Un esempio è l’utilizzo di materiali compositi

con fibre di carbonio che permette di migliorare

prestazioni, affidabilità e durata e di ridurre la massa totale. Nella scelta del materiale va però

considerata anche l’ecocompatibilità, con particolare attenzione alla possibilità di riciclo a fine

vita.

L’aumento delle dimensioni della turbina è un problema anche perché le pale arrivano a sforare

lo strato limite atmosferico, che si trova intorno a 250 metri. In questa zona la turbolenza non è

più gaussiana ed assume intensità molto superiori, oltre a generarsi fenomeni atmosferici

complessi e poco studiati. Si ottengono dunque condizioni di vento molto diverse durante il giro

e i metodi attuali non riescono a tener conto di questi fattori, inoltre le normative di design attuali

non li contemplano. Infine, la perturbazione del vento ad opera della turbina va a modificare il

microclima locale con ripercussioni dal punto di vista ambientale.

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Nel passato, il controllo delle turbine eoliche era concentrato sulle prestazioni e la sicurezza della

singola turbina, con una tipologia di controllo a reazione, ossia un classico controllo con ritardo

fisico. Adesso invece si fa un controllo di tipo feedforward, ossia si cerca di anticipare la

correzione a seconda del vento con un’ottimizzazione non della singola turbina ma dell’intero

parco, attraverso strategie di co-design. Il