Appunti di Sistemi energetici

ENERGIA EOLICA

Introduzione

La prima turbina eolica risale al 2000 a.C. e il vento è stato convertito in energia meccanica fino a fine Ottocento. La produzione di energia elettrica attraverso turbina eolica inizia nel 1900.

Nel 1973, in seguito alla crisi dei produttori di petrolio, partirono diversi programmi di ricerca sulle rinnovabili e, soprattutto, sull'eolico.

Il 90% delle macchine odierne sono formate da una torre singola con tre pale poste in cima che ruotano davanti alla torre stessa. Sono sistemi energetici che stanno andando sempre più su di potenza.

Linea rossa: american way. Si basavano sul funzionamento delle ali degli aerei (sviluppo affidato alla Nasa).

Linea verde: tecnologie europee. Si diedero come obiettivo lo sviluppo di una macchina piccola e leggera che aveva già tecnologie simili a quelle delle moderne pale eoliche (avevano piccole potenze, circa 10 MW).

Come si vede dalla linea verde, dagli inizi degli anni 2000 si ebbe un'impennata delle

potenze erogabili dalle pale eoliche e, ad oggi, hanno valori paragonabili alle turbine a gas.

Il ciclo di vita di una pala eolica è di circa 20 anni; devono quindi resistere ai diversi eventi climatici e, per questo motivo, all'inizio venivano progettate in modo "massiccio", cosa difficoltosa per la salita di potenza. Le macchine moderne sono progettate in modo da poter subire delle flessioni e quindi non necessitano più di dover essere massicce.

La pala eolica moderna dalla potenza più elevata è sviluppata dalla GE ed eroga 14 MW (ha pale da 107m).

A partire dal 2019, tra tutte le rinnovabili l'eolico è diventando più conveniente (€/kWh) rispetto ad alcuni combustibili fossili; anche l'eolico off-shore si avvia verso questa direzione.

In Europa, circa 1/6 dell'energia è prodotta da impianti eolici; i paesi più avvantaggiati sono quelli che affacciano sul Mare del Nord. La situazione cambia leggermente

se si guarda alle potenzialità off-shore: l'eolico potrebbe divenire uno dei principali generatori di energia in Italia grazie al Mediterraneo. Nonostante l'Italia non sia un paese ventoso, è uno dei paesi europei più attivi nel settore: è stato uno dei primi paesi al mondo a sviluppare impianti eolici e, proprio per questo motivo, si ritrova ad avere macchine mediamente più vecchie (= meno potenza nominale) rispetto ai competitor europei; questo significa che le macchine installate sono tendenzialmente a fine vita e si prospetta di sostituirle, operazione che potrebbe portare, senza la necessità di fare nuovi scavi, a quintuplicare la potenza installata. In generale, le turbine eoliche lavorano con i venti locali (= vento che interagisce con ostacoli - montagne, palazzi...). Creare macchine alte 300m rende la macchina essa stessa un ostacolo per il parco eolico, rendendo estremamente più difficile la progettazione dello.vento è influenzato anche dalla temperatura dell'aria: l'aria calda tende a salire e l'aria fredda tende a scendere, creando così dei movimenti verticali dell'aria che influenzano la velocità del vento. L'energia eolica viene sfruttata attraverso l'utilizzo di aerogeneratori, che sono delle macchine in grado di trasformare l'energia cinetica del vento in energia elettrica. Gli aerogeneratori sono composti da una serie di pale che ruotano grazie alla forza del vento, azionando un generatore che produce energia elettrica. L'energia eolica è una fonte di energia rinnovabile e pulita, in quanto non produce emissioni di gas serra o inquinanti atmosferici. Inoltre, l'energia eolica è abbondante e disponibile in molte parti del mondo. L'installazione di un impianto eolico richiede un'attenta valutazione della zona in cui verrà installato, in termini di ventosità, presenza di ostacoli e impatto ambientale. Inoltre, è necessario ottenere le autorizzazioni e i permessi necessari da parte delle autorità competenti. Nonostante le sfide e le complessità legate all'installazione di impianti eolici, l'energia eolica rappresenta una soluzione sostenibile per la produzione di energia elettrica, contribuendo alla riduzione delle emissioni di gas serra e alla transizione verso un sistema energetico più pulito e sostenibile.vento si può esprimere con la legge: [vedifoto] dove: vref = vento misurato z = altezza che ci interessa z0 = rugosità zref = altezza di riferimento (dove abbiamo misurato) Effetto tunnel: una turbina posta tra due ostacoli può intercettare un'accelerazione del vento; è comunque un effetto molto difficile da ottenere. Effetto montagna: una turbina posta in cima ad una montagna subirà il vento con una velocità accelerata. È l'effetto sfruttato in Toscana per produrre energia eolica nonostante sia una regione, di base, molto poco ventosa. Anemometria: è la misura delle caratteristiche del vento locale. Per installare un impianto eolico ci vuole da un anno ad un anno e mezzo di misure effettuate sul campo. Le misure vengono prese con l'installazione di una torre (dal costo di qualche decina di migliaia di euro) nel posto individuato. I dati (misurati ogni 10 minuti) si riorganizzano e si arriva ad avere come risultato:
dove la

La somma di tutte le barrette blu dà il 100%. In qualunque sito, le velocità del vento più basse sono molto più frequenti di quelle più elevate (-> non è una gaussiana; prende il nome di distribuzione di Weibull). I dati possono essere organizzati anche nella cosiddetta rosa dei venti.

La distribuzione di Weibull ha tipicamente una distribuzione secondo la legge: [vedi slide 39] dove k è il fattore di forma, A è il parametro di Weibull [m/s], v è la velocità del vento.

Potenza del vento: dove l'area blu prende il nome di "area spazzata".

La stima della producibilità è fondamentale per la stesura di un progetto; il 3% di errore sulla misura della velocità può influenzare errori del 10% nel calcolo della potenza. Gli anemometri devono quindi essere il più precisi.

Possibile.

C'è differenza tra sapere che vento medio c'è in un'area e quello che attraversa una macchina.

La potenza reale di una turbina eolica è data da:

ed è la formula base per fare il calcolo dell'energia potenziale prodotta da una macchina.

NB: non esiste turbina eolica che abbia un c maggiore di 0.593 (limite di Betz).

Classificazione delle turbine eoliche:

• Per grandezza
• Per orientamento dell'asse di rotazione
• Per principio di funzionamento

Cenni di aerodinamica: Per la forma dell'ala, il flusso che la investe tende a girarci intorno ed impone alla parte inferiore di decelerare, mentre nella parte superiore tende a aumentare (= diminuire la propria pressione, si crea un campo di depressione). La forza risultante (quella rossa) determina la portanza (lift) o deportanza.

(drag).Gli aerei volano per lift. 8Nelle turbine ad asse orizzontale, quelle più comuni, la forza di portanza spinge la pala a girare.Dopo aver caratterizzato il terreno, nella scelta di una turbina eolica dobbiamo basarci su un grafico potenza– vento:Questa curva ha 3 regioni: la prima in cui, sotto una certa velocità del vento, produce zero energia (punto cut-in); la seconda in cui la potenza aumenta con una legge cubica, fino ad arrivare alla sua velocità nominale(= è la prima velocità a cui la turbina produce la sua potenza nominale); la terza dove viene effettuata la regolazione (una turbina elettrica continuerebbe a produrre energia, ma va dimensionata e tenuta sul valore desiderato per evitare danneggiamenti) cambiando l’angolo tra pala e vento; la potenzia viene tenuta costante fino alla velocità di cut-out, punto oltre cui la turbina viene spenta perché sarebbe pericoloso altrimenti.Una turbina eolica è formata da

tre pale, all'interno delle quali è presente un motore che gli permette di ruotare, che ruotano lentamente (10 rpm). La generazione di energia elettrica avviene in cima alla pala, nel blocco dietro alle pale alla base del quale è presente un altro motore che permette di girare la macchina.

ENERGIA SOLARE

Tutta l'energia che utilizziamo, combustibili fossili compresi, ha origine dall'irradiamento solare, che ogni anno giunge sulla terra con 19.000 miliardi di tep (= tonnellata equivalente di petrolio; è un'unità di misura dell'energia che corrisponde all'energia liberata dalla combustione di una tonnellata di petrolio - per paragone, la domanda mondiale annua di energia è di 8 mld di tep).

Il Sole emette continuamente circa 175 mld MW di cui solo 1000 W/m raggiungono la superficie terrestre: è questo il valore di riferimento per i calcoli di massima potenza.

Radiazione solare

superficie (insolazione) si misura in kWh/m² giorno/mese/anno. La superficie riceve la max energia se è perpendicolare ai raggi. L'energia solare ha il pregio di essere disponibile quando e dove c'è più richiesta. Angoli fondamentali: Gli angoli che il sole forma con l'orizzonte in un determinato luogo e momento sono l'azimut e l'elevazione. L'azimut è l'angolo che il sole forma con la direzione nord-sud, mentre l'elevazione è l'angolo che il sole forma con la direzione orizzontale. Il diagramma permette di calcolare gli intervalli di tempo e i giorni in cui l'impianto solare non riceve la radiazione solare diretta. Si possono usare sistemi di tracking per variare la posizione del corpo riflettente a seconda della posizione del sole. La radiazione può essere scomposta in: - Diretta: non subisce alterazioni alla direzione - Diffusa: proviene dall'intera volta celeste (= sfera immaginaria di)

raggio arbitrario sulla cui superficie sono proiettati gli astri)

• Riflessa: proviene dal terreno circostante. Dipende dal coefficiente di riflessione del terreno.

Lunghezza d'onda

Vengono interpretate dal cervello come colori. Le lunghezze più ampie (=minor frequenza) hanno tonalità di rosso, mentre quelle più brevi (=maggior frequenza) tendono al viola.

Quando un corpo subisce una radiazione incidente, può comportarsi in modi diversi:

• Una quota di energia viene riflessa
• Una quota di energia viene assorbita (= aumento di temperatura)
• Un corpo in grado di assorbire tutta l'energia viene detto corpo nero
• Una quota di energia viene trasmessa (corpo trasparente)

Un corpo è sorgente di una radiazione elettromagnetica solo per il fatto di trovarsi ad una data temperatura.

A parità di temperatura, corpi diversi emanano energie distinte. Si ha equilibrio termico quando la quantità di energia emessa è uguale.