Centrali eoliche

1. Centrali eoliche • Gli aerogeneratori di una centrale eolica sono sostanzialmente costituiti da una turbina eolica (di fatto un elica a una o più pale) collegata ad un generatore elettrico (quasi sempre una macchina asincrona).

2. Principi di funzionamento e definizioni • I generatori eolici trasformano l’energia cinetica di una massa d’aria in energia meccanica di rotazione A= sezione spazzata dalle pale v= velocità del vento = densità dell’aria

3. Principi di funzionamento e definizioni

4. Principi di funzionamento e definizioni • La velocità di rotazione della turbina eolica è molto modesta, specie per le taglie più elevate; tipicamente tale valore è dell’ordine di 45-60 giri/minuto. • Fenomeno causato delle leggi dell’arodinamica (necessità di velocità subsoniche). • I generatori necessitano quindi di moltiplicatori di giri (problemi: peso, manutenzione, rumore)

5. Principi di funzionamento e definizioni • Il rendimento di conversione dei generatori eolici è piuttosto basso; teoricamente il limite superiore è inferiore al 60%, in pratica supera di poco il 40% Cp= coefficiente di potenza

6. Producibilità • La producibilità dipende innanzi tutto dalla disponibilità di vento costante. • Date le leggi fisiche dell’aerodinamica (dipendenti dal cubo della velocità) e la grande aleatorietà del vento, è evidente che la producibiltà di questi impianti non può essere elevata. • L’ attuale producibilità media annua in Italia si aggira sulle 1600 h/anno. Difficilmente si potranno ottenere (anche in futuro) producibilità superiori a 2000 h/anno.

7. Producibilità

8. Tipologie di generatori: turbina a velocità fissa e passo variabile • Generatore: macchina asincrona a gabbia di scoiattolo. • Sistema di controllo dell’angolo di incidenza delle pale complesso • Allacciamento alla rete: diretto tramite trasformatore. • Avviamento: dalla rete in corto circuito. • Manutensione: sistema di controllo del passo.

9. Tipologie di generatori: turbina a velocità variabile e passo fisso • Generatore: macchina sincrona con controllo dell’eccitazione. • Sistema di controllo della velocità di rotazione tramite inverter (tensione/corrente impressa). • Allacciamento alla rete: tramite inverter. • Avviamento: tramite inverter + rete/batterie. • Manutenzione: inverter, macchina elettrica (spazzole).

10. Tipologie di generatori: turbina a velocità fissa e passo fisso • Generatore: macchina asincrona. • Sistema di controllo della velocità di rotazione assente (saturazione per stallo). • Allacciamento alla rete: diretto tramite trasformatore. • Avviamento: dalla rete in corto circuito.

11. Allacciamento alla rete elettrica • Un problema generale riguarda la necessità di realizzazione di una linea per il collegamento della centrale eolica al più vicino nodo della rete (di distribuzione). • L’energia da produzione eolica è non programmabile ed accumularla (batterie) costa troppo; di conseguenza queste centrali non possono essere utilizzate per i servizi di rete. • Le centrali eoliche installate in sistemi isolati non possono essere utilizzate da sole ma sempre in presenza di altra generazione programmabile (per es.: gruppi elettrogeni)

12. rete G Allacciamento alla rete elettrica :macchine a velocità fissa • Problemi di variazione di tensione (effetto flicker). • Problemi in fase di avviamento. • Vantaggi legati alla semplicità dello schema.

13. rete ac dc G dc ac Allacciamento alla rete elettrica :macchine a velocità variabile • Possibili problemi legati alla presenza di armoniche. • Vantaggi in fase di avviamento e per garantire la stabilità della tensione.

14. Mappa del vento in Italia • E’ stata costruita una procedura per realizzare una mappa del vento tridimensionale relativa a tutto il territorio italiano. • La mappa è stata realizzata in Italia partendo da un opportuno modello (WINDS) e tarando i risultati sulle misure disponibili sul territorio. • Il modello è stato sviluppato al CESI e fa parte delle attività relative alla ‘ricerca di sistema’. • I risultati non sono utilizzabili per definire i siti in maniera precisa, ma sono utili le indicazioni generali. • Nella figura è riportato il risultato a 50 m dal suolo.

15. Mappa del vento in Italia Mappa della velocità media del vento a 50 m. s.l.t.

16. Possibili siti non convenzionali: montagna • Le aree fino a 1000-1200 m i siti si vanno rapidamente esaurendo. • Oltre i 1000 m aumentano i problemi autorizzativi (comunità montane, parchi, ecc.) ed i costi (trasporto del materiale, linea di trasmissione, ecc.). • Per quote fino a 1800-2000 m si ha un consistente aumento del numero di ore equivalenti/anno dei generatori (si stimano almeno 180 h/anno ogni 100 m di aumento di quota) con conseguente riduzione del costo medio di produzione del kWh. • Ci sono esempi in Austria e Svizzera.

17. Possibili siti non convenzionali: off-shore • In altri paesi europei sono in fase di sviluppo progetti per l’installazione off-shore. • Vantaggi dovuti alla maggiore costanza del vento e conseguente aumento del numero di ore equivalenti per anno (fino al 30%). • Maggiori costi dovuti alle fondazioni, in parte compensati da macchine di potenza maggiore (fino a 5 MW). • Necessità di sfruttare siti con fondali non superiori a 15 m (costo fondazioni). • In Italia nelle zone con acque non profonde c’è mediamente poco vento. Indicazioni riportate in fig.

18. Installazioni eoliche in Italia

19. Evoluzione potenza eolica installata in Italia

20. Centrali idrauliche • L’energia posseduta da una massa di acqua di peso G ad una altezza utile H è pari a • La potenza ottenibile è pari alla derivata • Tenendo conto dei rendimenti la potenza ottenibile è pari a

21. Centrali idrauliche • Le trasformazioni energetiche avvengono: • Nella condotta forzata • Nel distributore • Nella girante • Dalla applicazione del teorema del Bernoulli si possono quantificare tali trasformazioni nelle differenti sezioni

22. Centrali idrauliche:trasformazione nella condotta forzata • L’equazione di continuità impone e quindi se • Di conseguenza • Cioè la condotta trasforma l’energia di posizione in energia di pressione (a meno delle perdite di carico)

23. Centrali idrauliche:trasformazione nel distributore e nella girante • L’equazione di continuità impone e quindi da cui • Di conseguenza • Cioè il distributore e la girante trasformano l’energia di pressione in energia cinetica (a meno delle perdite di carico)

24. Centrali idrauliche

25. Centrali idrauliche • Il grado di reazione di una turbina è il rapporto tra l’energia potenziale di pressione residua all’uscita del distributore e l’energia potenziale in ingresso. • La rampa di presa di carico delle turbine idrauliche dipende essenzialmente dai tempi di manovra consentiti dalle condotte forzate; sono comunque molto rapidi (in pochi minuti si può arrivare fino alla potenza massima). • Le forme dei distributori e delle giranti variano con il tipo di turbina: • Turbine Pelton • Turbine Francis • Turbine Kaplan

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29. Centrali idrauliche

30. Centrali idrauliche

31. Centrali idrauliche

32. Centrali idrauliche

33. Cosa si intende per Generazione Distribuita • Impianti di generazione di piccola e media taglia (da qualche centinaio di kW a qualche MW) localizzati vicino ai carichi. • Impianti isolati (raramente) o connessi alla rete di distribuzione. • Gli impianti da fonti rinnovabili fanno tipicamente parte di questa categoria.

34. Tecnologie disponibili per la generazione distribuita • Impianti a fonte rinnovabile: fotovoltaici, eolici, idraulici, biomasse,... • Motori primi convenzionali: alternativi diesel e a gas, turbine a gas. • Motori primi innovativi: microturbine e celle a combustibile.

35. Alcune limitazioni riguardanti i motori primi • I motori alternativi diesel e a gas e le celle a combustibile rendono disponibili per l’utilizzazione termica tipicamente fluidi a bassa entalpia (acqua a circa 90 °C). • Sempre per motori alternativi diesel e a gas è possibile utilizzare una parte del calore residuo per ottenere vapore, ma sempre ad entalpia relativamente bassa (gas di scarico disponibili a temperature di circa 200 – 250 °C).

36. Alcune caratteristiche tecniche dei motori primi

37. L’impianto sperimentale dell’Università di Pisa

38. Condizioni tecnico-economiche di applicabilità della GenDis • C’è convenienza economica solamente in presenza di cogenerazione. • Dal punto di vista operativo il gruppo può essere gestito: • Ad inseguimento elettrico • Ad inseguimento termico • A generazione programmata (elettrica o termica)

39. I vantaggi potenziali per un auto-produttore • Possibilità di effettuare produzione combinata di energia elettrica e calore, sia per uso proprio sia per rivendita; tale opportunità, se ben studiata, comporta in generale una riduzione dei costi energetici. • Sensibile miglioramento della continuità della alimentazione dell’energia elettrica all’utenza dell’auto-produttore e della relativa qualità del servizio.

40. I vantaggi potenziali per un auto-produttore • Quando ricorrono le condizioni per la cogenerazione (IRE): • l’energia prodotta da questi impianti è “neutra” rispetto ai Cerificati Verdi • gli impianti hanno priorità di dispacciamento

41. Quali vantaggi introduce la GD(distributori e clienti finali) • I potenziali vantaggi della GD per i distributori ed i clienti finali sono proporzionali al livello di penetrazione della generazione stessa. • Tali vantaggi sono inoltre strettamente collegati alla possibilità di una gestione della GD profondamente diversa da quella attuale (che fra l’altro corrisponde ad un livello di penetrazione modesto).

42. Quali vantaggi introduce la GD(distributori e clienti finali) • Tra i potenziali vantaggi della GD per i distributori ed i clienti finali si possono ricordare: • miglioramento della continuità della fornitura e della qualità del servizio; • riduzione delle perdite di rete; • differimento dei rinforzi di rete dovuti ad aumento del carico; • possibili riduzioni delle potenze transitanti nella rete nelle ore di alto carico (peak shaving); • costi energetici più bassi in virtù della maggiore efficienza energetica.

43. Problematiche di interfaccia con la rete • Poiché la rete di distribuzione è passiva e radiale le protezioni sono unidirezionali; pertanto la GenDis deve sottostare a specifiche di allacciamento alla rete molto rigide. • In particolare si deve distaccare dalla rete per mancanza di tensione, potendo però alimentare in isola il carico interno (di stabilimento).

44. Problematiche di interfaccia con la rete • Schema tipico di installazione di gruppi GenDis