Macchine eoliche a portanza
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Uso: Macchine eoliche a portanza • Punto A: minimo valore della velocità del vento (velocità di spunto o di cut-in, dell’ordine dei 3-5 m/s) in grado di far partire il rotore al di sotto del quale il Cp è negativo. • Punto B:valore della velocità del vento che genera un NJB per il quale il coefficiente di potenza è massimo. • Punto C:massimo valore della velocità del vento (velocità di cut-off, generalmente attorno ai 25-30 m/s, in corrispondenza del quale la turbina viene fermata per raggiunti limiti strutturali. • Punto D: valore del vento per il quale la turbina eroga la potenza nominale. 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 53 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Funzionamento di un generatore eolico Sistema di controllo Rotore L’azione del vento viene trasmessa dal rotore al generatore elettrico tramite il moltiplicatore di giri. Generatore Moltiplicatore di giri I componenti principali sono: • Il Rotore • Il Moltiplicatore di giri • Il Generatore elettrico • Il Sistema di Controllo • Il Supporto cuscinetto • La Torre • Il Trasformatore di macchina Torre Supporto cuscinetto Trasformatore 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 54 Uso: La taglia delle turbine 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 55 PUBBLICO Uso: Evoluzione della tecnologia La taglia delle turbine 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 56 PUBBLICO Uso: Punti di forza Tecnico-economici Produzione di elettricità a basso costo Impianti molto semplici da gestire Ambientali Riduzione delle emissioni di CO2 Riduzione emissione di SOx e NOx Sicurezza approvvigionamento Risorsa inesauribile 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 57 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Punti di debolezza Irregolarità del vento Problemi di rumorosità, soprattutto alle basse velocità di vento Impatto paesaggistico e sull’avifauna Necessità di dover predisporre impianti per l’allacciamento alla rete (cabine di trasformazione, ecc) Richiesta di ampie aree ad uso esclusivo (sistema a bassa densità di energia) 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 58 Uso: Applicazioni nel Mondo 2006: un altro anno record per l’eolico • Oltre 15.000 MW di potenza eolica aggiunta • Quasi 75.000 MW di potenza totale installata • Crescita del 26% nel corso dell’anno 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 59 PUBBLICO Uso: L’Europa leader 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 60 PUBBLICO Uso: La distribuzione geografica 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 61 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Le applicazioni in Italia 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 3500 3215 3000 Annual MW 2500 Cumulative MW 2340 Annual Energy Production 2000 1837 1458 1500 1404 1179 1000 563 500 402 118 232 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 62 Annual Energy Production (GWh) Installed Capacity (MW) • 417 MW installati nel 2006 • 2.123 MW potenza accumulata • 2.575 numero totale degli aerogeneratori Uso: Le applicazioni regione per regione 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 63 PUBBLICO Uso: PUBBLICO I temi di Ricerca e Sviluppo •Turbine e componentistica Ottimizzazione profili aerodinamici, applicazione di nuovi materiali con un rapporto resistenza-massa superiore, sviluppo di componenti più leggeri, metodi innovativi di progettazione strutturale e controllo. •Integrazione nella rete e previsione di produzione Messa a punto di modelli di previsione della risorsa eolica, sviluppo di strumenti di controllo e modelli di gestione per l’integrazione dei parchi eolici nella rete di trasmissione •Operation & Maintenance Sviluppo di strumenti di monitoraggio avanzati •Nuovi potenziali Utilizzo di tecnologie satellitari per la valutazione delle risorse di vento in orografie complesse ed aree remote •Tecnologia eolica off-shore •Tecnologia eolica per venti di alta quota 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 64 Uso: Eolico off-shore 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 65 PUBBLICO Uso: Perché l’off-shore D v §h· vo ¨¨ ¸¸ © ho ¹ Influenza degli ostacoli superficiali sul profilo verticale del vento 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 66 PUBBLICO Uso: L’Europa: off-shore vs on-shore Atlante del vento off-shore e on-shore in Europa 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 67 PUBBLICO Uso: L’impatto visivo 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 68 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Gli investimenti in Europa Estimated Estimated cumulative cumulative investment investment in in RES RES in in EU EU (Million (Million Euros), Euros), 2006-2011 2006-2011 Installed Installed wind wind capacity capacity (2006-2011) (2006-2011) 90 Offshore Onshore 80 Offshore w ind, 7.251 70 Others, 7.324 GW 60 50 40 30 Onshore w ind, 37.229 20 10 0 2006 2007 2008 2009 2010 Investments in RES over the next 5 years will focus on wind. 35 GW of new wind capacity (5 of which off-shore) will be added in 2006 ÷ 2011 Source: Emerging Energy Research, 2006 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 69 2011 Uso: PUBBLICO Gli attori principali Off-shore wind project pipeline '05-'08 (MW) 0 500 1000 1500 2000 2500 (MW) Dong Energy RWE 2000 Eon Heavy offshore investors 500 MW 1500 1000 Mixed wind investors Vattenfall Essent Edison Italia Enel / EDP Edf Total installed capacity today (on-shore+offshore) Scottish Power Statkraft Heavy onshore investors 500 Iberdrola Nuon Electrabel 0 Endesa On-shore wind project pipeline '05-'08 (MW) Among the big European utilities Iberdrola is the heaviest on-shore investor. Eon and RWE have the largest off-shore project pipelines Source: Emerging Energy Research, 2006 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 70 Uso: I temi di R&S (1) •Monitoraggio dell’impatto ambientale dei progetti offshore. •Minimizzazione dei costi O&M i quali sono fortemente influenzati dalla distanza dalla costa. •Costruzione di speciali sistemi per la posa in opera (innalzamento) e per la manutenzione delle turbine. •Sviluppo di sistemi con potenza oltre i 5 MW includendo la possibilità di sistemi multi-rotore. 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 71 PUBBLICO Uso: I temi di R&S (2) •Meteorologia offshore, previsione a breve e lungo termine e sviluppo di hardware appropriato. •Sviluppo di sistemi di fondazione alternativi per acque profonde •Studio degli effetti strutturali dovuti alla combinazione del vento e delle onde 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 72 PUBBLICO Uso: Eolico off-shore “Floating”: gli ancoraggi 1. Tri-Floater olandese semisommergibile. 2. Chiatta. 3. Albero galleggiante doppia fila di cavi. con 4. Piattaforma a singolo scafo con braccia in tensione. 5. Piattaforma con braccia in tensione in calcestruzzo ed ancora a gravità. 6. Albero per acque profonde. 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico Sistemi Floating 73 PUBBLICO Uso: Un complesso problema dinamico 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 74 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Un approccio modellistico relativamente semplice 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 75 Uso: 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 76 PUBBLICO Uso: Eolico off-shore “Floating” Stabilità di peso 30 agosto 2007 Stabilità di forma Energia da fotovoltaico e eolico Stabilità combinata di forma e di peso 77 PUBBLICO Uso: Il vento d’alta quota 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 78 PUBBLICO Uso: Sfruttamento delle correnti d’alta quota Il sistema sfrutta il movimento generato dal trascinamento di aquiloni (kite) portati ad alta quota (500 – 1000 metri) e collegati ai bracci di un carosello entro la cui torre di rotazione è posto un generatore elettrico. Un sistema di controllo regola la posizione dei kite per portare in rotazione il carosello alla velocità richiesta. 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 79 PUBBLICO Uso: 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 80 PUBBLICO Uso: 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 81 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Una potenzialità molto elevata Confronto tra le dimensioni di un impianto KiteGen ed un aerogeneratore tradizionale 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 82 Uso: PUBBLICO Il sistema MARS Il sistema sfrutta la rotazione di una turbina mantenuta ad alta quota (300-350 m) da un pallone aerostatico. Le potenze generate raggiungono i 1000 kW 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 83 Uso: 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 84 PUBBLICO Uso: Distribuzione del vento sul rotore della turbina 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 85 PUBBLICO Uso: Accumulo energetico 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 86 PUBBLICO Uso: Confronto fra le varie tipologie di accumulo elettrico ed elettrochimico 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 87 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Come accumulare elettricità • Accumulatori elettrochimici (batterie) • Accumulatori elettrici (supercondensatori e superconduttori) • Accumulo chimico (idrogeno) • Accumulatori meccanici (impianti di pompaggio, aria compressa, volani) 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 88 Uso: PUBBLICO Accumulatori elettrochimici ¾ Al Piombo ¾ Ni-Cd Tradizionali ¾ Ni-MH ¾ Litio ¾ VRB Vanadio Redox ¾ PSB Poli-Solfuro Bromuro ¾ ZnBr A circolazione di elettrolita: i più adatti per le grandi scale ¾ NaS Sodio/Zolfo ¾ Z.E.B.R.A. Sviluppati soprattutto per i trasporti ¾ Ni-Zn ¾ Metallo/Aria 30 agosto 2007 Potenze ridotte, in fase di primo sviluppo Energia da fotovoltaico e eolico 89 Uso: PUBBLICO Accumuli elettrochimici a circolazione di elettrolita ¾ VRB Vanadio Redox • Alta efficienza 85% • N°infinito di cicli carica/scarica • vita > 20 anni • Bassa manutenzione • Economie di scala • In fase di R&S • Ottime potenzialità • Svantaggi non evidenti 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 90 Uso: PUBBLICO Accumuli elettrochimici a circolazione di elettrolita ¾ PSB Poli-Solfuro Bromuro • Efficienza 75% • Installazioni sperimentali di 120 MWh – 15 a 12 MW in Inghilterra dal 2003 • In USA dal 2004 impianto da 12 MW, 120 MWh 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 91 Uso: Accumuli elettrici ¾ Supercondensatori Principio di funzionamento C 30 agosto 2007 H 0H r S G E Energia da fotovoltaico e eolico 1 C V 2 2 92 PUBBLICO Uso: PUBBLICO Accumuli elettrici ¾ Superconduttori SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) Principio di funzionamento E 30 agosto 2007 1 LI2 2 evol Energia da fotovoltaico e eolico B2 2 P0 93 Uso: PUBBLICO Accumuli elettrici Supercondensatori Superconduttori SMES • 1 Wh/kg (batterie Pb: 35 Wh/kg) • Potenze raggiunte finora ~ 10-100 MW • 1000 W/kg (100 delle batterie Pb) • Potenzialità: fino a 2000 MW ed oltre • nrcarica/scarica infinito 5000 MWh (con bobine di R=200 m) • tempo di vita elevato: > 10 anni • Capacità: centinaia di F e fino a 3 V per • No reazioni chimiche, no elementi nocivi rilasciati ogni supercondensatore • No reazioni chimiche, no elementi nocivi rilasciati 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 94 Uso: PUBBLICO Accumulo chimico: l’idrogeno L’idea Fonti rinnovabili Utenti rete elettrica Fonti nucleari Energia elettrica Fonti fossili Elettrolisi Generazione stazionaria Idrogeno Autotrazione Stoccaggio L’accumulo chimico è la catena produzione-accumulo-riutilizzo 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 95 Uso: PUBBLICO Accumulo chimico: l’idrogeno Il problema chiave: la bassa densità dell’idrogeno Stoccaggio gassoso • Rapporto ponderale (Rm): < 6% (@700bar), Rapporto volumetrico (U_v) < 40 kgH2/m3 • Sistemi a 350 bar e 700 bar ancora in fase di sviluppo • Perdite energetiche per la compressione: ~ 5-10%PCI Stoccaggio liquido • U_v ~ 70 kgH2/m3 • Perdite energetiche per la liquefazione: ~ 30%PCI Stoccaggio in idruri metallici • Rm: < 5% (interstiziali), <13% (complessi, e.g. XAlH4, XBH4) • U_v ~ 150 kgH2/m3 • Ancora in fase di sviluppo su piccole scale Stoccaggio in idruri chimici (liquidi – es. NaBH4) • Rm < 40%, U_v > 150 kgH2/m3 • In fase di studio cicli di rigenerazione dell’idruro 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 96 Uso: PUBBLICO Idruri metallici Accumulo chimico: l’idrogeno Idruri chimici (liquidi) Composti naturali 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 97 Uso: Accumulo chimico: l’idrogeno La catena di accumulo/riutilizzo Elettrolisi Accumulo Generazione K ~ 75% K~1 K ~ 65% (FC) Ktot ~ 48% 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 98 PUBBLICO Uso: PUBBLICO L’esperienza di Adriatica Aerogeneratori: • Potenza: 360 Wp ciascuno (720 W totali) • Diametro: 1.2 m • Peso: 12.5 kg Pannelli FV: • Potenza : 215 W • Dimensioni: 0.8 x 1.4 m, • Peso: 10 kg Turbina Idraulica • Peak power: 120 W • Diametro: 0.9 m • Peso: 12.5 kg 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 99 Uso: Schema di processo 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 100 PUBBLICO Uso: Descrizione delle apparecchiature Idrogeno Elettrolizzatore • Produzione nominale H2: 0.25 m3H2/h, c.n. • Pressione di lavoro: 10 bar • Potenza elettrica nominale: 1.8 kW • Efficienza di conversione energetica: 42% Stoccaggio con Idruri Metallici (LaNi5) • Capacità: 1.5 m3H2_c.n. (circa 4.5 kWh) • Pressione di carica: 10 bar • Dimensioni: diam. 145 mm; lungh. 284 mm • Peso: 10 kg Pila a combustibile • Potenza massima: 1 kW • Consumo di H2 a potenza massima: 0.8 m3H2/h, c.n • Efficienza: 40% 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 101 PUBBLICO Uso: Risultati della sperimentazione ENERGIA PRODOTTA DA RINNOVABILI 861.8 kWh ENERGIA DA IDROGENO 474.3 kWh CO2 Evitata 775 kg CONTRIBUTI ALLA PRODUZIONE Turbina Hydro 4.9% Solare 23.6% Eolico 71.5% 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 102 PUBBLICO Uso: 30 agosto 2007 Energia da fotovoltaico e eolico 103 PUBBLICO
