Impianti eolici collegati a reti di iii categoria: servizi di rete e possibili adeguamenti d’impianto

Università degli Studi di Napoli Federico II

Facoltà di ingegneria

Corso di laurea in ingegneria elettrica (Classe delle Lauree in Ingegneria Industriale N.10) Dipartimento di ingegneria elettrica

Elaborato di laurea

Impianti eolici collegati a reti di iii categoria: servizi di rete e possibili adeguamenti d'impianto

Relatori: Ch.mi Prof. Ing. V. Mangoni Dott. Ing. M. Fantauzzi
Candidato: Dell'Anno Gerardo Matr. 516/360
Anno accademico 2007-2008

Ai miei Genitori e a Denise

Indice

• Conversione dell'energia eolica in energia meccanica
  • Capitolo 1 - Meccanica
    • Struttura tipo di aerogeneratore
    • Espressione della potenza della turbina eolica
    • Azione del vento sul profilo aerodinamico delle turbine
    • Spinte assiale e tangenziale, portanza, resistenza e relativi legami
    • Variazione della portanza e della resistenza al variare della velocità del vento
    • Variazione dei triangoli di velocità lungo lo sviluppo radiale della pala
    • Andamento tipico del coefficiente Cp per turbine a pale fisse e curva di potenza in funzione della velocità del vento
    • Andamenti tipici del coefficiente Cp per turbine a pale orientabili e curva di potenza in funzione della velocità del vento
    • Modalità di controllo della velocità massima della turbina
• Conversione dell'energia meccanica in energia elettrica
  • Capitolo 2 - Energia elettrica
    • Generalità
    • Impianti a velocità di rotazione imposta
    • Impianti con aerogeneratori dotati di generatore asincrono a gabbia
    • Impianti con aerogeneratori dotati generatore asincrono a rotore avvolto
    • Impianti a velocità di rotazione variabile
    • Impianti con aerogeneratori dotati di generatore sincrono
    • Impianti con aerogeneratori dotati di generatore asincrono
    • Caratteristiche degli impianti a confronto
• Impianti elettrici del campo
  • Capitolo 3 - Impianti elettrici del campo
    • Impianto elettrico di torre
    • Distribuzione interna al campo
    • Tipi e caratteristiche generali
    • Caratteristiche del sistema delle protezioni
    • Rete radiale di tipo a
    • Rete radiale di tipo b
    • Esempio di schema unifilare per rete radiale di tipo b
    • Sottostazione MT/AT
    • Collegamento alla RTN
    • Inserimenti su linee esistenti
    • Inserimenti su stazione
    • Sistemi di protezione in AT
    • Criteri
    • Requisiti
• Servizi di rete richiesti agli impianti eolici
  • Capitolo 4 - Servizi di rete richiesti agli impianti eolici
    • Servizi di rete degli impianti di produzione convenzionali
    • Regolazione della frequenza
    • Regolazione della tensione
    • Riserva di funzionamento
    • Funzionamento in isola
    • Riavviamento
    • Servizi di rete degli impianti eolici
    • Regolazione della frequenza
    • Regolazione della tensione
    • Insensibilità agli abbassamenti di tensione
    • Le prescrizioni tecniche
    • Generalità
    • Prescrizioni tecniche per la regolazione della frequenza
    • Prescrizioni tecniche per la regolazione della tensione
    • Prescrizioni tecniche per insensibilità agli abbassamenti di tensione
• Possibili adeguamenti di impianto in relazione ai servizi di rete richiesti
  • Capitolo 5 - Possibili adeguamenti di impianto in relazione ai servizi di rete richiesti
    • Generalità
    • Adeguamenti per la regolazione della frequenza
    • Adeguamenti per impianti a velocità variabile
    • Adeguamenti per impianti a velocità fissa
    • Esempi di adeguamento
    • Adeguamenti per la regolazione della tensione
    • Adeguamenti per l'insensibilità agli abbassamenti di tensione
    • Adeguamenti per gli impianti a velocità variabile
    • Possibili adeguamenti di impianti con DFIG
    • Possibile adeguamento di impianti con sincrono
    • Adeguamenti per impianti a velocità fissa
    • Cenni sui costi di adeguamento e sulle modalità di remunerazione dei servizi richiesti

Introduzione

L'ampia diffusione sulla rete elettrica nazionale di impianti di generazione eolica ha progressivamente spostato l'attenzione dell'operatore di rete dalle problematiche della semplice connessione, all'impatto non solo in termini di flussi energetici (con eventuali congestioni) ma anche in termini di regolazione e controllo che la presenza di tali impianti comporta per la rete stessa.

Gli impianti eolici, infatti, presentano caratteristiche di generazione particolari, che possono determinare problemi sia di esercizio che di gestione della rete stessa. Caratteristica fondamentale di questi impianti è chiaramente la non programmabilità della produzione su breve periodo e la forte variabilità della potenza eventualmente immessa in rete in funzione delle condizioni meteorologiche.

Questa caratteristica, unita all'utilizzo di una fonte rinnovabile che come tale vanta priorità di dispacciamento rispetto alle fonti di produzione convenzionali, pone al Gestore di rete, che opera per garantire il mantenimento di adeguati livelli di sicurezza del funzionamento della rete e di qualità del servizio, una serie di difficoltà.

È facilmente comprensibile, infatti, che al di sopra di un certo livello di penetrazione di questi impianti, nello scenario complessivo della produzione/trasmissione dell'energia elettrica, il Gestore di rete non può rimanere inattivo, anche a scapito dell'insorgenza di un conflitto tra le sue esigenze e quelle del produttore. Ad esempio, in caso di criticità di rete per basso carico, e condizioni meteorologiche favorevoli alla produzione eolica, una limitazione di quest'ultima determina una penalizzazione economica per il produttore.

Inoltre, in caso di guasto in un punto della rete elettrica che può provocare sensibili abbassamenti di tensione nell'area intorno al guasto, è importante che gli impianti eolici non si distacchino dalla rete in modo tale da non perdere almeno quella quota di generazione, che può contribuire al ristabilimento delle normali condizioni di esercizio in tempi ridotti.

Queste problematiche sono già state affrontate da altri operatori europei dove la diffusione degli impianti eolici ha raggiunto livelli superiori a quelli italiani con percentuali che in alcuni paesi superano già il 30% della domanda minima di carico.

In Italia gli impianti eolici sono ubicati per la maggioranza in zone che, dal punto di vista della rete elettrica, presentano un certo grado di criticità; sono per lo più aree del sud Italia e delle due isole maggiori ove sono presenti limitazioni sulla potenza trasportabile dalle linee, sia per carenza di magliature efficaci, sia per la presenza di generazione superiore di gran lunga rispetto al carico locale. Ad esempio c'è la Sardegna con il limite della connessione SACOI (Sardegna-Corsica-Italia), la Sicilia con i limiti della linea verso il continente, nonché le zone al confine fra l'avellinese e il foggiano, caratterizzate non solo da linee a 150 kV con portata limitata, ma anche da congestioni sulla rete di trasmissione a 380 kV.

Il grado di criticità di queste zone può essere meglio compreso attraverso l'analisi della tabella I in cui è sintetizzato il livello di penetrazione degli impianti eolici nelle zone sopra indicate.

Nella tabella sono riportati i rapporti fra potenza eolica installata e domanda di carico e fra la potenza media generata degli impianti eolici e la domanda di carico rispettivamente per richiesta di carico massima e per carico medio/basso.

La tabella è stata pubblicata conoscendo la potenza eolica installata nelle varie zone (600MW circa per la Sicilia, 550MW circa per la Sardegna e circa 1500 MW per l'area territoriale di Napoli) e stimando in un rapporto pari a circa il 50-55% tra la reale produzione eolica e la relativa potenza installata.

Stante i dati riportati è chiaro che almeno nelle zone indicate si possono verificare alcune situazioni particolarmente gravose per la rete elettrica tali da richiedere una limitazione della produzione agli impianti alimentati da fonte eolica. La problematica sopra esposta attualmente sta avendo anche dei riscontri in termini di norme CEI, deliberazioni dell'AEEG e integrazioni al codice di rete del gestore della rete nazionale (TERNA).

La norma CEI di riferimento che è stata pubblicata nel dicembre 2006 è la CEI 11-32;V1 (ed. Terza). Essa tratta delle particolari prescrizioni che si riferiscono agli impianti eolici ed in particolare la questione dei servizi di rete ad essi richiesti.

Successivamente alla normativa CEI, l'AEEG ha pubblicato un documento per la consultazione (atto n.23/07) ed una delibera (330/07) dove ha indicato i propri orientamenti per la gestione della priorità di dispacciamento relativa ad impianti di produzione da fonti rinnovabili, ed eoliche in particolare, in situazioni di criticità del sistema elettrico nazionale.

La delibera ha determinato un'integrazione al codice di rete da parte di TERNA in cui si delineano, le eventuali necessità di adeguamento degli impianti esistenti. Questo documento è stato approvato dall'AEEG e pubblicato con delibera 98/08 del luglio 2008.

Nella delibera è indicato in particolare che TERNA dovrà procedere ad una ricognizione tecnica degli impianti eolici attualmente in esercizio o che hanno già accettato la soluzione tecnica minima di dettaglio e per i quali risulterebbe necessario procedere ad adeguamenti impiantistici secondo quanto indicato nella proposta di integrazione al Codice di rete.

In questa ottica la tesi analizza i possibili adeguamenti di un impianto eolico collegato a reti di III categoria che sia in grado di fornire i servizi di rete a cui fanno riferimento i documenti prima richiamati.

Al fine del raggiungimento di quest'obiettivo la tesi è stata articolata in due parti.

Nella prima parte, suddivisa in tre capitoli, vengono esaminati gli elementi teorici fondamentali che stanno alla base della conversione dell'energia eolica in energia meccanica, nonché le principali tipologie di aerogeneratori ed impianti eolici collegati a reti di III categoria.

Nella seconda parte sono esaminati invece i servizi di rete tipici degli impianti di produzione in generale ed eolici in particolare, nonché i possibili adeguamenti di impianto in rapporto sia alla tipologia di aerogeneratore che di impianto nel suo complesso. A complemento vengono fornite anche alcune indicazioni circa l'eventuale remunerazione per la fornitura dei servizi richiesti.

Capitolo 1

Conversione dell'energia eolica in energia meccanica

Struttura tipo di aerogeneratore

Le macchine in grado di trasformare l'energia eolica in energia meccanica di rotazione e successivamente in energia elettrica sono chiamati aerogeneratori. La struttura tipo di un aerogeneratore utilizzato per impianti eolici collegati a reti di III categoria, a cui fa esplicitamente riferimento la tesi, è riportato in figura 1.

In questa figura si possono riconoscere: un sostegno che porta alla sua sommità una navicella o gondola costituita da un basamento e da un involucro esterno e, all'esterno della navicella, il rotore costituito da un mozzo sul quale sono poi montate le pale.

Più in particolare, il sostegno, costituito dalla torre e dalle fondamenta, deve sostenere il peso della navicella e del rotore; può essere tubolare o a traliccio, le fondamenta di solito sono completamente interrate e costruite con cemento armato.

All'interno della navicella sono generalmente contenuti:

• Il moltiplicatore di giri, collegato al mozzo tramite l'albero di trasmissione ed è collegato dall'altra parte all'albero di trasmissione lento, veloce e serve per trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il generatore elettrico; può essere di tipo planetario o ad assi paralleli, il rapporto di trasmissione può anche essere molto elevato richiedendo due o più stadi di moltiplicazione.
• Il sistema frenante, costituito da due sistemi indipendenti di arresto delle pale, un sistema di frenaggio aerodinamico utilizzato per controllare la potenza dell'aerogeneratore, come freno di emergenza nel caso di sovravelocità del vento e per arrestare il rotore, un altro di tipo meccanico utilizzato come freno di stazionamento.
• Il generatore elettrico, di tipo asincrono oppure sincrono; ci sono anche applicazioni a dinamo che però sono usate solo per piccoli aerogeneratori.
• I sistemi di misura e controllo, che servono a configurare correttamente la macchina a seconda della direzione del vento, di solito sono montati sulla parte inferiore della navicella, inoltre monitorano continuamente una serie di parametri della macchina al fine di assicurare un corretto funzionamento e permettono di distaccare la macchina dalla rete al seguito di avaria.
• Il sistema di imbardata, che permette alla navicella di ruotare di 180° sul suo asse rispetto al sostegno allo scopo di mantenere l'asse della macchina sempre parallelo alla direzione del vento (per aerogeneratori ad asse orizzontale) in modo da assicurare sempre il massimo rendimento in qualsiasi condizione di vento.
• Il rotore che è l'organo più importante, in quanto raccoglie fisicamente l'energia del vento, è formato dal mozzo sul quale sono poi calettate le pale, dall'albero lento e dal dispositivo del "pitch control", alcuni tipi di rotori possono avere le pale mobili, cioè che variano la loro inclinazione al variare della velocità del vento; la quasi totalità degli aerogeneratori di maggior potenza costruiti e installati nel mondo negli ultimi anni sono ad asse orizzontale e a tre pale. Le pale sono realizzate in genere in legno o materiali plastici come resine epoxy e fibre aramidiche. Gli ultimi sviluppi dei materiali vedono l'affermarsi delle fibre di carbonio in sostituzione della fibra di vetro; il vantaggio sta nella riduzione del peso consentendo di installare turbine con pale di diametro maggiore ma con minor peso. Per utilizzare il carbonio però sono stati introdotti sistemi per la protezione delle fibre dalle radiazioni solari, a causa delle caratteristiche di conduzione del calore del carbonio stesso, permettendone così l'uso in queste applicazioni.

Gli attuali aerogeneratori hanno una potenza media dell'ordine dei 700-1000 kW, costantemente in aumento. La massima taglia di aerogeneratori si aggira intorno ai 6-7MW.

Espressione della potenza della turbina eolica

Una turbina eolica fornisce la sua potenza convertendo l'energia cinetica posseduta dal vento in una forza di rotazione che agisce sul rotore. Il primo passo per la determinazione della potenza fornita da una turbina eolica è, quindi, quello della determinazione della potenza associata alla vena fluida del vento. È noto che questa potenza è espressa da:

Pv = 1/2 ρ S v³

In cui:

• Pv è la potenza posseduta in regime permanente da una corrente d'aria;
• ρ è la densità dell'aria;
• S è la sezione investita dalla vena fluida;
• v è la velocità della corrente d'aria.

Per una potenza espressa in Watt, ρ sarà espressa in kg/m³, S in m² e v in m/s.

Considerando che la superficie (S) è spazzata dalle pale della turbina di raggio R, sono possibili alcune considerazioni elementari:

• L'area del rotore determina quanta potenza una turbina è capace di raccogliere dal vento, poiché l'area aumenta con il quadrato del diametro del rotore, se aumenta il diametro (cioè la lunghezza delle pale) da una singola turbina eolica è possibile ricavare una maggiore potenza;
• La potenza che può essere ricavata dipende dal cubo della velocità del vento; pertanto, è indispensabile che nei siti di installazione ci siano condizioni di vento idonee.

In realtà, non tutta l'energia posseduta dal vento può essere assorbita dal rotore, ma solo una parte. Infatti, per cedere tutta la sua energia il vento dovrebbe ridurre a zero la sua velocità immediatamente dopo il rotore e quindi ci troveremmo con una massa d'aria perfettamente immobile alle spalle del rotore che impedirebbe all'altra massa d'aria in movimento di entrare nel rotore. Il vento, quindi, passando attraverso il rotore, subisce un rallentamento e cede solo parte della sua energia cinetica; questo rallentamento avviene in parte prima e in parte dopo il rotore.

Questa frazione di energia ceduta è chiamata coefficiente di potenza Cp delle turbine eoliche. Introducendo il coefficiente Cp, la potenza meccanica della turbina eolica è data da:

Pm = Cp Pv

Betz ha dimostrato che il limite massimo teorico di Cp è pari a 16/27 (0,593); nelle migliori condizioni è quindi teoricamente possibile estrarre al più il 59% dell'energia cinetica del vento. Nelle realizzazioni pratiche è quindi evidente che i valori di Cp che si riescono ad ottenere sono minori del limite di Betz. Le moderne turbine a 3 pale hanno un valore ottimale di Cp che varia in un range di 0,52-0,55 misurato al mozzo della turbina.