Università degli Studi di Bologna
Facoltà di Ingegneria
DIEM
Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,Nucleari,
Meccaniche,Nucleari,
Aeronautiche e di Metallurgia
STUDIO DI FATTIBILITA’ DI UN IMPIANTO
PER LA GENERAZIONE DI ENERGIA
ELETTRICA E L’APPROVVIGIONAMENTO
IDRICO MEDIANTE FONTI RINNOVABILI DI
ENERGIA
Tesi di Laurea di:
Pierluigi Bruno
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori
Chiar.mo Prof. Ing. Franco Persiani
Chiar.mo Prof. Ing. Gianni Caligiana
Tesi di Laurea di
Pierluigi Bruno
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Obiettivi
Generazione di energia elettrica stimabile in
circa 10000 kWh/anno ;
Approvvigionamento idrico stimabile in circa
10 m3/giorno da risorse idriche esistenti;
SOLUZIONI A ENERGIA RINNOVABILE
Tesi di Laurea di
Pierluigi Bruno
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400m
Analisi del sito
Bacino
d’accumulo
350m
290m
250m
Turbina
Risorse idriche
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QIN
Calcolo del volume del bacino
d’accumulo :
BACINO
D’ACCUMULO
QOUT
Il torrente che alimenta il bacino d’accumulo
è in piena 8 mesi su 12
VAccumulo V4 mesi ;
Siano rispettivamente
Q 1 ,V1 = portata e volume d’acqua usata per approvvigionamento idrico;
Q 2 , V2 = portata e volume d’acqua usata per la generazione di energia;
Vaccumulo =V1 + V2
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Calcolo del volume del bacino
d’accumulo :
V1 = 1240 m3
Q 1 = 10 m3/giorno ;
10000 kWh/anno
Pel
10000 kWh/anno
8 ore/giorno
Pel =ηtot gHQ2
Pel = 3,5 kW
Q2 = 0,0047 m3/s
= 1000 kg/m3;
g = 9,8 m/s2 ;
H = 150 m;
ηimp = 0,5;
Q2
V2;
V2 = 17000 m3
Sovradimensionando di un 20%
VAccumulo ≅ 25000 m3
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Diametro condotta - Scelta turbina
• Imponendo che hF = 4/100 H;
• Essendo
H = 150 m;
n = 0,009 (polietilene);
Q = 0,0047 m3/s;
L = 300 m ;
Turbina Pelton
D = 0,07m;
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La soluzione con bacino d’accumulo
PRO
Risolve al meglio il problema della
discontinuità delle F.R.E. garantendo entrambi
gli obiettivi fissati;
CONTRO
L’impatto ambientale di un bacino di 25000 m3
a 400m di quota rende la soluzione
inapplicabile;
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Valutazione delle risorse Eolico-Solari
Risorse EOLICHE
Installazione anemometro, ma:
Tempi di rilevazione 1 anno ;
Costi delle attrezzature paragonabili a quelli di una turbina di piccola taglia ;
Interpolando dati da :
1.
2.
3.
Rapporto CNR-PFE (1981) , “Indagine risorse eoliche in Italia “ ;
AMBROSINI (1992) , “Wind Potential in Emilia Romagna”;
ENEA (1999) ,”Energia Eolica : aspetti tecnici ambientali e socio-economici”;
cautelativamente si considera
Risorse SOLARI
da mappe isoradiative del Min.AMB
Vmedia nell’anno = 4,5m/s
E El annua in ca =1100kWh/kWp
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Approvvigionamento idrico Risorse idriche
400m
350m
290m
250m
Potenza
elettrica
Pompa
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Problema idrico: pompaggio di 10
m3/giorno con ∆H=70 m
Ricerche di mercato
Ottimizzazione di sistemi di pompaggio
Pompaggio Eolico
Pompaggio Fotovoltaico
Pompaggio Eolico-Fot.
PRO
Installazione a distanza
della turbina eolica
PRO
Modulabilità dei pannelli
PRO
Continuità di
funzionamento
CONTRO
Prestazioni limitate
della turbina eolica
CONTRO
Funzionamento ore notturne
CONTRO
Aumento dei costi
Effettuo la scelta in base all’esigenza di CONTINUITA’ DI FUNZIONAMENTO
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Il sistema di pompaggio
eolico-fotovoltaico
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELL’IMPIANTO
Turbina eolica e moduli fotovoltaici produzione energia elettrica;
L’energia elettrica viene raddrizzata da IO 102 in c.c.;
c.c.;
L’energia elettrica viene inviata attraverso CU 200 alla pompa;
In questo caso la pompa invia l’
l’acqua dal lago d’
d’accumulo (di capacità
capacità infinita)
a un serbatoio posto a 70m più
più in alto da cui per caduta arriva agli utilizzatori;
COMPONENTI PRINCIPALI DELL’IMPIANTO
1) Turbina eolica Whisper H 80 di Southwest Windpower
Rotore a 3 lame;
Bassa velocità di inizio rotazione;
Collegamento turbinaturbina-pompa di tipo elettrico e non meccanico
posizionamento della turbina a distanza dalla pompa;
Diametro rotore
Peso(solo turbina)
Velocità del vento di start up
Voltaggio
Potenza di picco
3m
30 kg
3,1 m/s
12,24,48 V in c.c.;230
c.c.;230 V in c.a
1000 W a 10,5 m/s
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Il sistema di pompaggio
eolico-fotovoltaico
2) Modulo fotovoltaico GF 43
Trasforma l’energia radiante del sole in elettricità;
Potenza massima 43 Wp ( radiazione di 1000w/m2 e T= 25°C)
Sommabilità dei moduli in base alle esigenze d’acqua richieste
3) Cassetta interruttore IO 102
Raddrizza la tensione trifase proveniente dalla turbina eolica in
in
tensione continua;
Consente di combinare l’energia eolica e l’energia solare;
Possiede un meccanismo di freno per la turbina;
4) Unità di controllo CU 200
Comunica con la pompa e la stacca in caso di serbatoio idrico
pieno;
Offre le indicazioni di potenza d’ingresso, pompa in funzione e
serbatoio idrico pieno;
Indica l’arresto del funzionamento in caso di funzionamento a
secco,manutenzione,alimentazione di energia insufficiente;
Lunghezza max fra CU200 e pompa: 200 m;
Lunghezza max fra CU200 e interruttore di livello: 100m;
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Dimensionamento dell’impianto:
scelta e descrizione della pompa
DATI IN INGRESSO
∆H = 70 m;
Q = 10 m3/giorno;
PFunzionamento ≅ 50 % PMax;
Fra le pompe GRUNDFOS disponibili per applicazioni a energie rinnovabili (3 modelli a
rotore elicoidale per ∆H e Q e 4 centrifughe per Q e ∆H) quella che meglio
soddisfa le specifiche richieste è la SQF 2.5-2 a rotore elicoidale (Pmax = 900 W) che
con P1= 450W pompa 1m3/h a 70m di altezza.
Eel giorno= 4,5 kWh ; Eel anno≅ 1650 kWh;
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Dimensionamento dell’impianto:
il mix eolico-fotovoltaico
Performance turbina eolica
Performance impianto fotovoltaico
La potenza di un impianto fotovoltaico si
misura in kWp(kilowatt
kWp(kilowatt di picco) cioè la
potenza teorica massima che può produrre
nelle condizioni standard di irraggiamento
e temperatura (1000W/m2,T=25°C).
Nella zona considerata un impianto da 1
kWp di moduli policristallini produce 1100
kWh/anno.
Scegliendo un impianto
da 0,5 kWp si avrà
Eel prodotta in un anno= 1440 kWh
Eel prodotta in un anno= 550 kWh
Eel pompa = 1650 kWh < Eel prodotta (eol+fot)= (1440+550) kWh=1990 kWh
Sovradimensionamento del 20%
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Turbina eolica 1000w con
regolatore di carica eol
Controller pompa
Pompa alta prevalenza
Accessori
Totale
Analisi dei costi
5000
450
1500
1000
≅ 8000
Regolatore di carica
500
Moduli fotovoltaici (20 x 50 W)
Controller pompa
Pompa alta prevalenza
Accessori
8000
450
1500
1000
Totale
•Pompaggio FOTOVOLTAICO
Discontinuità della risorsa solare
≅ 11500
Turbina eolica 1000w con
regolatore di carica eol/fot
eol/fot
5500
Moduli fotovoltaici (10x50 W)
4000
Controller pompa
Pompa alta prevalenza
Accessori
450
1500
1000
Totale
•Pompaggio EOLICO
Obiettivo non raggiunto
≅ 12500
•Pompaggio EOL.-FOTOV.
Maggiore continuità di
funzionamento
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Problema elettrico: produzione di
10000kWh/anno da fonti rinnovabili
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Specifiche richieste: alta affidabilità, scarsa manutenzione
Si preferiscono soluzioni IN RETE alle soluzioni con batterie
Gli impianti ON GRID sono connessi alla rete elettrica pubblica e lavorano in interscambio con essa;
Autoproduzione en. el. > Richiesta en. el. si immette il surplus nella rete pubblica;
Autoproduzione en. el. < Richiesta en. el. si integra il deficit dalla rete pubblica;
I kWh ceduti alla rete o acquistati da essa hanno lo stesso prezzo
prezzo la rete funge da ACCUMULATORE;
Procedimento risolutivo
Paragono una soluzione solare e una soluzione eolica, entrambe ON GRID, tali che,
con le risorse naturali esistenti, la produzione annuale di energia elettrica sia
stimabile attorno ai 10000 kWh/anno e scelgo la più economica.
Nota
Il procedimento risolutivo del caso elettrico è differente rispetto al caso idrico.
Prima si aveva un obiettivo giornaliero su una rete (idrica) chiusa.
Ora si ha un obiettivo annuale su una rete (elettrica) che lavora in interscambio.
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400m
350m
290m
250m
Generazione di energia
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1ª Ipotesi per la generazione di
energia elettrica
Turbine eoliche di piccola taglia
• 0,3 kW < P < 50 kW ;
• Installazioni ON GRID,OFF GRID ;
• 2000-6000 / kW ;
• VMEDIA VENTO 4 m/s ;
• Bassa manutenzione ;
Sul mercato esistono
• Numerosi
modelli di P < 3kW (più di 10 tra SOUTHWEST
WINDPOWER e
BERGEY ,aziende leaders nel settore);
• Alcuni modelli da 10-15 kW (BWC EXCEL 10 di BERGEY,
MINIWIND E-15 di ENEL GREENPOWER);
• Pochi modelli da 50 kW ( di ATLANTIC ORIENT CORPORATION );
IN BASE ALL’OBIETTIVO RICHIESTO E ALLE
CONDIZIONI AL CONTORNO SI SCEGLIE
PRELIMINARMENTE IL
BWC EXCEL 10 kW
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Turbina eolica e torre di sostegno
•POTENZA NOMINALE = 10 kW con v=16 m/s;
•VELOCITA’ DI START UP = 3,4 m/s;
•ROTORE a 3 lame con D = 7m;
•GENERATORE: Alternatore a magneti permanenti
senza spazzole;
•OUTPUT : C.A. trifase per connessioni in rete; C.C.
per applicazioni con batterie;
•CONNESSIONE IN RETE con inverter Gridtek
(uscita monofase 240 V.A.C.-60Hz, 220 V.A.C-50 Hz);
Performance BWC Excel
Con torre da 80 ft (≅ 24m) si ha:
E el ca mensile = 840 kWh ;
E el ca annua= (840x12) kWh =
= 10080
kWh ;
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1)
2)
3)
4)
2ª Ipotesi: l’impianto fotovoltaico
MODULO FOTOVOLTAICO = pannello di
materiale semiconduttore (silicio) che
sottoposto a radiazione solare produce
corrente el.
el. continua;
INVERTER = apparecchiatura impiegata per
trasferire energia in c.c. sulla rete in c.a.;
c.a.;
METER = contabilizza l’energia elettrica
immessa in rete perché prodotta in eccesso;
RETE B. T. = allacciamento in parallelo in
accordo con il documento ENEL DK 5950 ;
Dalle mappe solari
E El annua in ca =1100kWh/kWp
Con un impianto di P = 9 kWp
E El annua in ca = 9900 kWh
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Il programma “10000 Tetti Fotovoltaici”
Piano quinquennale di finanziamenti del Min. Ambiente e
delle Regioni per ridurre le emissioni di gas serra (CO2) ;
Per impianti fotovoltaici connessi in rete ;
Rivolto a soggetti privati e enti pubblici ;
Potenza nominale degli impianti compresa fra 1 e 20 kWp ;
Contributo statale: max 75% per PNOM <5kWp ; max 70% per
5kWp < PNOM < 20kWp ;
Costo massimo dell’impianto : 8000 per kWp installato ;
Impianto da mantenere in esercizio per almeno 12 anni ;
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Analisi dei costi
Impianto fotovoltaico :
90 Moduli fotovoltaici da 100
kWp l’uno;
1 inverter da 10 kWp per la
connessione in rete;
Scatole, cavi,strutture di sostegno;
Posa in opera;
Impianto eolico :
Turbina eolica BERGEY BWC da
10 kW;
Torre di sostegno da 80ft (24m);
Inverter GridTek 10;
Scatole ,cavi;
Posa in opera;
(Costo dell’impianto=7500 /kWp)
Costo totale dell’impianto=67500 ;
Costo totale dell’impianto =30000 ;
Nota:
•per entrambi gli impianti la vita media va dai 20 ai 30 anni e CMANUT./Anno < 200 ;
X= percentuale di finanziamento;(67500-X 67500) = 30000 X=55%
Se il contributo statale > 55% CTOT FOT.conviene il FOTOVOLTAICO
Se il contributo statale < 55% CTOT FOT. conviene l’ EOLICO
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Riepilogo e Conclusioni
OBIETTIVI RICHIESTI
ANALISI DEL SITO
STIMA RISORSE IDRICHE
SOLUZIONE INTEGRATA
BACINO D’ ACCUMULO
STIMA RISORSE EOLICHE
E SOLARI
INAPPLICABILITA’
DELLA SOLUZIONE
SOLUZIONI PROBLEMA IDRICO
SOLUZIONI PROBLEMA ENERGETICO
RICERCHE DI MERCATO
RICERCHE DI MERCATO
DIMENSIONAMENTO DELLE SOLUZIONI
DIMENSIONAMENTO DELLE SOLUZIONI
SCELTA DELLA SOLUZIONE
esigenza di continuità di funzionamento
ANALISI DEI COSTI
ANALISI DEI COSTI
SCELTA DELLA SOLUZIONE
