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).
Principi di funzionamento e definizioni
- I generatori eolici trasformano l’energia cinetica di una
massa d’aria in energia meccanica di rotazione
A=
v=
=
sezione spazzata dalle pale
velocità del vento
densità dell’aria
Principi di funzionamento e definizioni
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)
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
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.
Producibilità
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.
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).
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.
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)
Allacciamento alla rete elettrica :
macchine a velocità fissa
G
-
-
rete
Problemi di variazione di tensione (effetto flicker).
Problemi in fase di avviamento.
Vantaggi legati alla semplicità dello schema.
Allacciamento alla rete elettrica :
macchine a velocità variabile
G
-
dc
ac
ac
rete
dc
Possibili problemi legati alla presenza di armoniche.
Vantaggi in fase di avviamento e per garantire la stabilità
della tensione.
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.
Mappa del vento in Italia
Mappa della velocità media del vento a 50 m. s.l.t.
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.
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.
Installazioni eoliche in Italia
Evoluzione potenza eolica
installata in Italia
incremento annuale
potenza installata
800
700
600
MW
500
400
300
200
100
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Centrali idrauliche
- L’energia posseduta da una massa di acqua di peso G ad una
altezza utile H è pari a
W G H
- La potenza ottenibile è pari alla derivata
dW
dG
dV
P
H
v H
v H Qv
dt
dt
dt
- Tenendo conto dei rendimenti la potenza ottenibile è pari a
Pe i e v H Qv
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
p1
2
1
2
2
v
p2 v
z1
z2
2 g
2 g
Centrali idrauliche:
trasformazione nella condotta forzata
- L’equazione di continuità impone
Q1 Q2
e quindi
v1 v2
se
A1 A2
- Di conseguenza
p2 p1 ( z1 z2 )
- Cioè la condotta trasforma l’energia di posizione in energia di
pressione (a meno delle perdite di carico)
Centrali idrauliche:
trasformazione nel distributore e nella girante
- L’equazione di continuità impone
Q1 Q2
e quindi
A1 v1 A2 v2
- Di conseguenza
v v
2
2
2
1
2 g
da cui
A1
v2 v1
A2
( p1 p2 )
- Cioè il distributore e la girante trasformano l’energia di
pressione in energia cinetica (a meno delle perdite di carico)
Centrali idrauliche
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
Centrali idrauliche
Centrali idrauliche
Centrali idrauliche
Centrali idrauliche
Centrali idrauliche
Centrali idrauliche
Centrali idrauliche
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.
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.
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).
Alcune caratteristiche tecniche dei
motori primi
Motore Diesel Motore a gas
Turbina
Microturb.
Rend. Elettrico
27 - 44
24 - 40
25 - 40
23 - 33
Rend. Totale
85 - 88
85 - 88
80 - 90
70 – 80
Potenza [kW]
3 - 20000
5 - 5000
500-30000
30 - 200
Disponibilità
90 - 94
95 - 97
92 - 96
92 – 97
400
30 - 95
10 - 25
9 – 45
Rumore [db]
70 - 120
70 - 120
75 - 90
70 – 80
Vita [h*1000]
20 - 60
48 - 60
90 - 150
60 - 80
Generatore [€/kW]
200 - 350
250 - 750
300 - 900
800 - 1100
Manuten. [c€/kWh]
0.5 - 3
0.5 - 3
0.3 - 0.8
0.5 - 1
Caldaia Rec.[€/kW]
75 - 150
75 - 150
100 - 200
75 - 350
Nox [ppm]
L’impianto sperimentale dell’Università di Pisa
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)
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’autoproduttore e della relativa qualità del servizio.
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
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).
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.
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).
Problematiche di interfaccia con la rete
Schema tipico di installazione di gruppi GenDis
Rete pubblica
Apparecchiature di
consegna e di misura
Rete
dell’autoproduttore
Dispositivo
generale
MT/BT
Altre utenze
Condensatori
di rifasamento
Dispositivo
di interfaccia
Parte della rete
dell’autoproduttore
non abilitata al
funzionamento in
isola
Parte della rete
dell’autoproduttore
abilitata al
funzionamento in isola
Dispositivo
del
generatore
SISTEMA
DI
PRODUZIONE
SISTEMA
DI
PRODUZIONE
Condensatori
di rifasamento
SISTEMA
DI
PRODUZIONE
