capitolo 1 l’ n rgia n l mon o - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio...

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INDICE PREMESSA ........................................................................................ - 2 - CAPITOLO 1 - L’ENERGIA NEL MONDO ................................. - 4 - 1.1 LA QUESTIONE ENERGETICA ..................................................................................................................... - 5 - 1.2 GEOPOLITICA D ELLEN ERG IA, CONSUMI E DIPENDENZA .................................................................. - 8 - CAPITOLO 2 I LIMITI DELLO SVILUPPO ........................ - 17 - 2.1 ECONOMIA SO STENIBILE .......................................................................................................................... - 20 - 2.2 IMPRONTA ECOLOGICA ............................................................................................................................. - 22 - 2.3 L’ENERGIA COME QUESTIONE ETICA.................................................................................................... - 25 - 2.4 CONCLUSIONI ED INSEGNAMENTI ......................................................................................................... - 26 - 2.5 ENERGIE RINNOVABILI : LA SOLUZIONE? ............................................................................................. - 27 - CAPITOLO 3 - L’ENERGIA EOLICA ........................................ - 29 - 3.1 LEOLICO NEL MONDO ............................................................................................................................... - 30 - 3.2 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DI UN AEROGENERATORE ........................................................ - 33 - 3.3 LE TECNOLOGIE EOLICHE ......................................................................................................................... - 39 - ASSE DI ROTAZIONE ………………………………………………………………………………………………. - 39 - TAGLIA………………………………………………………………………………………………………………….. - 46 - SISTEMA DI GENERAZIONE ELETTRICA………………………………………………………………….. - 46 - SISTEMA DI CONTROLLO DELLA SOVRAVELOCITà………………………………………………….. - 48 - 3.4 ALCUNE GENERALITÀ TECNICHE ........................................................................................................... - 52 - 3.5 VANTAGGI DELLEN ERG IA EOL ICA ......................................................................................................... - 55 - 3.6 CLASSIFICAZIONE ........................................................................................................................................ - 56 - CAPITOLO 4 LA SCELTA DEL GENERATORE ................ - 58 - 4.1 AEROGENERATORI A VELOCITÀ FISSA ................................................................................................. - 59 - 4.2 AEROGENERATORI A VELOCITÀ VARIABILE ....................................................................................... - 60 - 4.3 GENERATORE SINCRONO (DIRECT DRIVE)......................................................................................... - 61 - 4.1.1 Generatore sincrono ad avvolgimento…………………………………………………………………….. - 62 - 4.1.2 Generatore sincrono a magneti permanenti……………………………………………………………. - 62 - 4.2 GENERATORE ASINCRONO ....................................................................................................................... - 67 - 4.2.1 GA con rotore a gabbia di scoiattolo ……………………………………………………………………….. - 69 - 4.2.2 GA con rotore ad avvolgimento ………………………………………………………………………………. - 70 - 4.2.3 Configurazione doubly-fed (DFIG) ……………………………………………………………………………. - 70 - 4.2.4 Configurazione GA e convertitore ……………………………………………………………………………. - 73 - 4.3 IN SINTESI ....................................................................................................................................................... - 73 - CAPITOLO 5 SIMULAZIONE ................................................ - 77 - 5.1 CURVE DI FREQUENZA ............................................................................................................................... - 78 - 5.2 PROFILO DIURNO MEDIO .......................................................................................................................... - 82 - 5.3 SCELTA DELLA TURBINA ........................................................................................................................... - 85 - 5.4 RAFFRONTO ECONOMICO ......................................................................................................................... - 87 - 5.5 CONCLUSIONI ................................................................................................................................................ - 88 - BIBLIOGRAFIA .............................................................................. - 90 - APPENDICE.................................................................................... - 92 -

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Page 1: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

INDICE

PREMESSA ........................................................................................ - 2 -

CAPITOLO 1 - L’ENERGIA NEL MONDO................................. - 4 -

1.1 LA QUESTIONE ENERGETICA .....................................................................................................................- 5 - 1.2 GEOPOLITICA DELL’ENERGIA, CONSUMI E DIPENDENZA ..................................................................- 8 -

CAPITOLO 2 – I LIMITI DELLO SVILUPPO ........................ - 17 -

2.1 ECONOMIA SO STENIBILE ..........................................................................................................................- 20 - 2.2 IMPRONTA ECOLOGICA .............................................................................................................................- 22 - 2.3 L’ENERGIA COME Q UESTION E ETICA....................................................................................................- 25 - 2.4 CONCLUSIONI ED INSEGNAMENTI .........................................................................................................- 26 - 2.5 ENERGIE RINNOVABILI: LA SOLUZIONE? .............................................................................................- 27 -

CAPITOLO 3 - L’ENERGIA EOLICA ........................................ - 29 -

3.1 L’EOLICO NEL MONDO ...............................................................................................................................- 30 - 3.2 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DI UN AEROGENERATORE ........................................................- 33 - 3.3 LE TECNOLOGIE EOLICHE .........................................................................................................................- 39 - ASSE DI ROTAZIONE ……………………………………………………………………………………………….- 39 - TAGLIA…………………………………………………………………………………………………………………..- 46 - SISTEMA DI GENERAZIONE ELETTRICA…………………………………………………………………..- 46 - SISTEMA DI CONTROLLO DELLA SOVRAVELOCITà…………………………………………………..- 48 - 3.4 ALCUNE GENERALITÀ TECNICHE ...........................................................................................................- 52 - 3.5 VANTAGGI DELL’ENERGIA EOLICA .........................................................................................................- 55 - 3.6 CLASSIFICAZIONE ........................................................................................................................................- 56 -

CAPITOLO 4 – LA SCELTA DEL GENERATORE ................ - 58 -

4.1 AEROGENERATORI A VELOCITÀ FISSA .................................................................................................- 59 - 4.2 AEROGENERATORI A VELOCITÀ VARIABILE .......................................................................................- 60 - 4.3 GENERATORE SINCRONO (DIRECT DRIVE).........................................................................................- 61 - 4.1.1 Generatore sincrono ad avvolgimento……………………………………………………………………..- 62 - 4.1.2 Generatore sincrono a magneti permanenti…………………………………………………………….- 62 - 4.2 GENERATORE ASINCRONO .......................................................................................................................- 67 - 4.2.1 GA con rotore a gabbia di scoiattolo………………………………………………………………………..- 69 - 4.2.2 GA con rotore ad avvolgimento ……………………………………………………………………………….- 70 - 4.2.3 Configurazione doubly-fed (DFIG)…………………………………………………………………………….- 70 - 4.2.4 Configurazione GA e convertitore…………………………………………………………………………….- 73 - 4.3 IN SINTESI .......................................................................................................................................................- 73 -

CAPITOLO 5 – SIMULAZIONE ................................................ - 77 -

5.1 CURVE DI FREQUENZA ...............................................................................................................................- 78 - 5.2 PROFILO DIURNO MEDIO ..........................................................................................................................- 82 - 5.3 SCELTA DELLA TURBINA ...........................................................................................................................- 85 - 5.4 RAFFRONTO ECONOMICO .........................................................................................................................- 87 - 5.5 CONCLUSIONI ................................................................................................................................................- 88 -

BIBLIOGRAFIA .............................................................................. - 90 -

APPENDICE.................................................................................... - 92 -

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RINGRAZIAMENTI ....................................................................... - 93 -

Premessa In questo periodo di rapidi cambiamenti, siamo arrivati ad accorgerci

che l’uomo è una creatura che capisce le sue origini, anche se indistinta-

mente, e che ha qualche potere sul suo futuro, ma che manca di ogni con-

creto senso d’orientamento; la tecnologia ne ha esteso enormemente il

potere materiale, ma sembra averne influenzato poco o nulla il modo di

ragionare e il discernimento.

I mutamenti climatici e il progressivo esaurimento delle risorse naturali,

energetiche fossili in particolare, ci impongono di ripensare la nostra

economia in direzione della sostenibilit, della tutela dell’ambiente e

delle generazioni future. In quest’ottica le fonti rinnovabili rappresen-

tano certamente una via obbligata, oltre che una grande opportunità di

sviluppo economico ed occupazionale per i Paesi che saranno in grado di

coglierla. L’Europa è da tempo in prima linea ed occupa una posizione

leader nella promozione delle energie rinnovabili. Tuttavia l’autore di

questo lavoro ritiene che una corretta politica economica sostenibile non

possa prescindere da un attento sviluppo delle risorse locali, da

un’economia solidale prevalentemente rivolta al sostegno dell’uomo e

all’indipendenza energetica, monetaria e produttiva. In tal senso questo

lavoro di tesi potrebbe fungere da viatico ispirativo per chi riconosce in

tali ideali l’unica possibilit di sviluppo per le future generazioni.

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Sia l’economia al servizio dell’uomo , non l’uomo al servizio dell’economia.

"Se un uomo non è disposto a battersi per le proprie idee, o le sue idee non valgono nulla o non vale nulla lui" . (Ezra Pound)

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CAPITOLO 1 - L’ENERGIA NEL MONDO

Non esiste sulla Terra il problema della scarsità di energia, né ora né

per qualche altro miliardo di anni. In natura tutto è energia: le piante,

gli animali, la pioggia producono nella loro maniera energia; alcune

tipologie sono misurabili e rilevabili, altre più nascoste. La principale

forma di energia proviene dal Sole, il quale è il “motore” principale di

tutto ciò che avviene e di tutte le forme di energia disponibili sulla

Terra.

L'energia solare ricevuta dalla Terra, è pari a circa 170’000 Terawatt,

considerata la stima di 15 TW di potenza erogata nel 2004 secondo

l’agenzia americana EIA [1] (nel 1900 erano 0.7), esso sarebbe

potenzialmente in grado di soddisfare oltre 10’000 volte l’attuale

fabbisogno energetico del genere umano. Questi 170'000 si

distribuiscono nelle seguenti forme principali:

50’000 TW vengono riflessi dagli strati superiori dell’atmosfera; 30’000 TW vengono assorbiti dall’atmosfera; 90’000 TW arrivano alla superficie terrestre.

Di questi 90’000 TW (55%), la maggior parte viene riflessa oppure viene assorbita e riemessa dalla superficie della Terra. Una porzione invece si trasforma:

400 TW servono per alimentare il ciclo dell’acqua (riscaldamento ed evaporazione),

370 TW per generare cicli convettivi delle masse d’aria e d’acqua, 80 TW vengono trasformati dalla fotosintesi delle piante in energia

chimica.

La somma di queste tre voci (850 TW) definisce l’1% dell’energia

proveniente dal Sole e rappresenta circa il 6% dell’energia utilizzata

attualmente dall’uomo. Sulla Terra, quindi, non c’è scarsit di energia,

tutt’al più il problema è la qualit dell’energia utilizzata.

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A riprova di ciò, un recente studio teorico americano pubblicato su

Nature Climate Change [2] ha stimato che la potenza massima

ricavabile dal vento sarebbe di 2.200 TW; sebbene non si possa

ricoprire il pianeta di piloni per lo sfruttamento del vento la rilevante

quota di 1.800 TW è stata definita ricavabile da turbine e aquiloni eolici

sospesi in quota e solo la minima parte di 400 TW ricavabile a terra con

turbine montate su piloni alti fino a 100 metri. Già così si tratta di oltre

venti volte il fabbisogno mondiale attuale, che sale a 100 volte nel caso

delle turbine sospese.

Ben oltre, dunque, di quanto il mondo consuma oggi.

1.1 La Questione Energetica

Il consumo mondiale di energia cresce velocemente, sebbene con

tendenza molto diversa nei vari Paesi. Nel 2010 gli abitanti del pianeta

hanno consumato una quantità di energia pari a più di 12 miliardi di

tonnellate di petrolio equivalente (TEP)1, facendo registrare un

aumento del 5,6% rispetto all’anno precedente. Si tratta del più alto

incremento dal 1973, l’anno della grande crisi energetica. A dirlo è il

rapporto della BP – Statistical Review of World Energy [3]- pubblicato a

fine giugno 2011.

Ma come viene prodotta l’energia che utilizziamo? Leggendo

l’infografica di Figura 1, che schematizza le diverse fonti dell’energia

consumata nel Mondo, in Europa e nel nostro Paese, è evidente che la

maggior parte dell’energia è prodotta sfruttando le risorse dei

combustibili fossili, principalmente il petrolio.

1 La tonnellata equivalente di petrolio (TEP) è un'unità di misura di energia. Rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo e vale 41,868 GJ o 11’630 KWh. Si usano anche il Mtep (milioni di tonnellate) e il Gtep (miliardi di tonnellate)

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Figura 1 - Nel 2010 il petrolio ha registrato un incremento di solo 3,1%, il più basso tra i combustibili fossili. Crescono fortemente, invece, il carbone (+7,6%) e il gas naturale (+7,4%) che oggi r appresen-tano, rispettivamente, il 29,6% e il 23,8% dei consumi, fonte: oggiscienza.wordpress.com

Nel 2010 in Italia sono stati utilizzati 73,2 milioni di tonnellate di

petrolio, per il 93% importati dall’estero, che hanno soddisfatto oltre il

40% di tutti i consumi energetici nazionali. [4]. La dipendenza dal

petrolio è fortissima, essendo infatti il Paese Europeo maggiormente

dipendente dalle importazioni di idrocarburi (petrolio e gas), per

buona parte provenienti dal Nord Africa. In Italia è molto ridotto il

contributo di rinnovabili (3,3%) ed idroelettrico (6,5%), il petrolio e i

suoi derivati, infatti, benché siano divenuti quasi marginali per la

generazione di energia elettrica, continuano ad essere insostituibili nel

settore dei trasporti e sono largamente presenti nelle attività

industriali, non solo del petrolchimico, che peraltro riveste un ruolo

essenziale nell’economia nazionale.

Come si può osservare dal grafico di Figura 22 le previsioni riguardanti

2 L'unità di misura utilizzata è il British Thermal Unit (Btu) un'unità di misura usata negli Stati Uniti e nel Regno Unito per misurare l’ energia. 1 kWh è approssimativamente pari a

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lo sfruttamento del petrolio (Liquids) e dell’energia nucleare del 1995

fino al 2011 furono abbastanza accurate, anche considerato il calo

dell’estrazione petrolifera del periodo 2005 -2007. Dal 1990 in poi lo

sfruttamento del carbone (Coal) è stato inferiore alle attese, tuttavia si

previde un incremento delle estrazioni nei decenni successivi in

considerazione dei costanti aumenti dei costi del greggio; infatti negli

ultimi tre anni il carbone, che è una delle fonti energetiche più

economiche (ma anche la più inquinante) è diventata la fonte su cui

basare la crescita dei consumi.[1] (Risorse e consumo di energia nel

mondo)

Figura 2 - Proiezioni di consumo di energia primaria3 nel Mondo che mette a confronto le proiezioni del 1995 con i dati storici e questi ultimi con le proiezioni post-2011, fonte:[5] (World Energy Consumption by Fuel 1990-2035) Lo sfruttamento delle rinnovabili e del gas naturale è stato superiore al

previsto, in particolare lo sfruttamento di quest’ultimo avanza

3,412 Btu. 3 In energetica una fonte di energia viene definita primaria quando è presente in natura e quindi non deriva dalla trasformazione di nessun’altra forma di energia. Rientrano in questa classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come i combustibili direttamente utilizzabili (petrolio grezzo, gas naturale, carbone) o l'energia nucleare. L’energia secondaria, invece, può essere utilizzata solo a valle di una trasformazione di energia (come la benzina, in seguito a raffinazione chimica, o l'energia elettrica o l'idrogeno).

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prepotentemente nei Paesi dove vi sono ricchi giacimenti come Russia,

Gran Bretagna e Germania.

Questa crescita dei consumi energetici si accompagna, come suddetto,

ad un aumento delle emissioni dei gas serra (+5,8%). Determinante il

ruolo della Cina, che ha superato gli Stati Uniti, diventando non solo il

più grande consumatore di energia al mondo, ma anche il Paese che

emette il maggior quantitivo di gas serra.

1.2 Geopolitica dell’energia, consumi e

Dipendenza

Le grandi economie mondiali sono caratterizzate da consumi e da livelli

di dipendenza dalle importazioni eterogenei, con importanti

implicazioni dal punto di vista dello loro indipendenza e sicurezza

energetica.

L’unit di misura che si tende ad usare è la tonnellata equivalente di

petrolio, ciò è dovuto al fatto che il greggio rappresenta il principale

vettore energetico del mondo essendo collegato in qualche modo ad

ogni consumo che sia energetico, logistico, produttivo diretto o

indiretto.

Secondo i dati riportati dal Statistical Review of World Energy 2013 [6]

(BP), la Cina è stata il primo consumatore mondiale di energia (2.735

milioni di tonnellate equivalenti di petrolio consumate), che da pochi

anni ha superato gli USA, storici detentori del primato (2.209 Mtep), UE

(1.673 Mtep), Russia (694 Mtep), India (563 Mtep), Giappone

(478 Mtep), Brasile (267 Mtep). L’Italia al 15° posto (volendola

escludere dall’UE) con 162 Mtep. Negli ultimi 10 anni i consumi cinesi

sono più che raddoppiati e, per avere un’idea, il solo aumento del

fabbisogno cinese è stato superiore a tutta la domanda italiana

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nell’ultimo anno.

Per l’Italia nel 2010 più del 23% delle importazioni di greggio sono

venute dalla Libia, il 15% dalla Russia, 14% Azerbaijan, il 13%

dall’Iran, 9.5% dall’Iraq, 7% dall’Arabia Saudita, 3.2% dalla Siria e 1.8%

dall’Egitto. Nel complesso, circa il 58% delle nostre importazioni di

petrolio viene dall’area araba, è indubbio dunque che i futuri scenari

geopolitici per quanto concerne la domanda e l’offerta di energia

saranno decisi dalla risoluzione della questione mediorientale, non solo

per quanto riguarda l’Italia. Basti pensare che solo l’Arabia Saudita

detiene il 61% delle riserve mondiali di petrolio con solo l’1% della

popolazione.

Secondo i recenti dati dello U.S Energy Information Administration

disponiamo ancora di circa 3.357 miliardi di barili di riserve di

petrolio4 [7]. Ciò significa che esauriremo le attuali scorte di greggio

entro i prossimi 40 anni (per il gas naturale e il carbone si parla di circa

55 e 115 anni).

Per quanto riguarda i dati relativi al consumo di petrolio nei singoli

Paesi, in testa troviamo gli Stati Uniti con 19,5 milioni di barili al giorno

ed il 35,3% dell'energia prodotta dal petrolio. La Cina consuma 7,8

milioni di barili producendo il 19% dell'energia da petrolio. Troviamo

poi il Giappone con 4,8 milioni di barili ed una percentuale del 45%.

Segue l'India (2,9 milioni con il 23,7%), la Russia (2,9 milioni ed il

37%), la Germania (2,6 milioni - 32%), il Brasile (2,5 milioni - 50%),

l'Arabia Saudita (2,4 milioni - 52%), il Canada (2,3 milioni - 31%) ed

infine la Corea del Sud (2,2 milioni - 45%)5 con l’Italia collocata al 15°

posto dopo la Gran Bretagna e precedendo la Spagna con “soli” 1,5

4 Il dato comprende lo shale oil anche detto « petrolio non convenzionale » di proprietà differenti, la cui estrazione è più difficoltosa e che diventa conveniente solo se il prezzo del greggio non sale oltre una data quota. 5 http://www.cadoinpiedi.it/2012/02/09/petrolio_ci_restano_41_anni_ecco_i_numeri.html

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milioni di barili.

Dunque, molte economie dipendono dalle importazioni di petrolio. La

fine di questo combustibile potrebbe portare al collasso di molte realtà.

In Arabia Saudita sono 8,4 milioni le persone impiegate in tutto ciò che

riguarda il petrolio e l'80% del Pil deriva da questo giro d'affari. In

Russia sono 6,8 milioni i lavoratori impegnati per il 40% del Pil. Negli

Emirati Arabi si parla di 2,5 milioni di persone che producono il 25%

del Pil. In Iran abbiamo 2,4 milioni per 57,8% per Pil. In Kuwait 2,3

milioni per il 50% del Pil.

Nel mondo il 66% dei mezzi è alimentato a petrolio o suoi derivati e

soltanto il 30% dell'energia prodotta da un veicolo viene sfruttata come

energia meccanica, il resto si disperde in calore. Quasi 9 americani su

10 si recano a lavoro in auto. Nel mondo in cui viviamo tutto dipende

dal petrolio. Moltissimi beni di consumo come i pneumatici, le borse, il

poliestere, le confezioni dei detergenti (solo per fare alcuni esempi)

sono ottenuti con il petrolio. Servono all'incirca 2 chili di petrolio per

fare 1 kg di plastica per alimenti Anche molta dell'elettricità che

produciamo proviene dal petrolio.

Facciamo un passo indietro e analizziamo il ruolo del suddetto ele-

mento nella geopolitica e relativi aspetti economici. In cosa consistono?

E’ con il petrolio che, per la prima volta, la crescita economica si

disgiunge dalla proprietà diretta delle risorse energetiche di cui si

alimenta. Un’economia è organica nel momento in cui riesce a produrre

autonomamente tutto ciò che gli occorre con le risorse di cui dispone,

la dipendenza dal petrolio ha rotto questo circolo virtuoso inducendo

spirali debitorie ed economie sempre più dipendenti dall’estero. Tale

dipendenza dal petrolio importato è andata crescendo costantemente a

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partire dal 19726, dopo che fu abolito il Gold Standard7 da parte degli

USA, sancendo il definitivo distacco dell’economia dall’oro e l’aggancio

al greggio: fu l’inizio dell’era del petro-dollaro e fu da quel momento

che l’approvvigionamento petrolifero da parte delle nazioni assunse a

funzione chiave per mantenere la capacità di esercitare il potere nel

campo della sicurezza.

I Paesi che dominano sul piano industriale divengono

progressivamente dipendenti dall’estero su quello energetico. Gli Stati

Uniti consumano ogni giorno il doppio della quantità di barili che

producono, basando l’intera loro economia sulle importazioni, hanno

un consumo annuo di greggio che è quasi un quarto di quello di tutto il

resto del mondo. [8] (Terzi)

Sul futuro dell’import petrolifero italiano gravano scelte difficili che

potranno essere alleviate solo perseguendo con maggiore determina-

zione politiche di innovazione e di avanzamento tecnologico volte a

diminuire la nostra dipendenza dall’estero e ad accelerare il processo

di sostituzione di petrolio e gas.

Questa esigenza è tanto più urgente, se si considerano anche gli aspetti

economici, che per il nostro Paese sono di tutto rilievo.

A parte l’esigenza di maggiore sicurezza delle forniture, infatti, per

ridurre la bolletta energetica non è sufficiente ridurre i consumi perché

nel complesso, a livello internazionale, da un lato la domanda è in forte

aumento e dall’altro vi è difficolt a ripristinare le riserve. Le tensioni

sui prezzi che ne derivano compensano abbondantemente gli eventuali

minori consumi.

Il livello di dipendenza è inteso come il contributo delle materie 6 Cfr. “Geopolitica dell'ambiente: sostenibilità, conflitti e cambiamenti globali” Corrado Maria Daclon, FrancoAngeli Editore, 2008, Milano, pag. 149. 7 In italiano “sistema aureo”, è un sistema monetario nel quale la base monetaria è data da una quantit fissata d’oro, abolito il 15 Agosto 1971 da Richard Nixon.

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prime energetiche importate sul totale del consumo di energia

primaria, la graduatoria vede al primo posto il Giappone (87%) poi UE

(56%), India (37%), USA (20%), Brasile (10%), Cina (6%). Tra le

grandi economie mondiali, l’unico Paese esportatore è la Russia, che nel

2011 ha ceduto sui mercati internazionali 606 Mtep, pari al 47% di

quanto prodotto (e all’88% di quanto consumato internamente).

CONSUMI DI ENERGIA PRIMARIA

Milioni di tonnellate di petrolio equivalente (MTEP)

CINA USA UE RUSSIA INDIA GIAPPONE BRASILE

1990 662 1968 1650 864 181 434 125 1991 689 1966 1651 853 191 448 129 1992 717 1998 1622 822 201 454 134 1993 768 2040 1615 767 206 460 140 1994 817 2077 1612 704 217 477 147 1995 888 2122 1649 664 236 492 154 1996 908 2192 1703 637 252 501 163 1997 937 2210 1692 602 261 508 172 1998 941 2224 1707 602 273 501 179 1999 985 2262 1702 608 281 506 182 2000 1011 2314 1722 614 296 515 186 2001 1041 2260 1756 623 297 513 182 2002 1106 2295 1742 626 309 510 186 2003 1277 2302 1779 645 317 511 190 2004 1512 2349 1807 651 346 522 200 2005 1659 2351 1809 651 364 527 207 2006 1832 2333 1816 670 382 528 213 2007 1951 2373 1791 674 416 523 226 2008 2042 2320 1785 679 446 515 236 2009 2210 2206 1682 644 488 474 234 2010 2403 2278 1745 669 521 503 258 2011 2613 2269 1691 686 559 478 267

Tabella 1

Nell’ultimo ventennio Cina, USA, India e Brasile sono i Paesi che più di

altri hanno incrementato i consumi di energia primaria. (Tabella 1, [9]

(Verda)) Sostanzialmente invariato il consumo nell’Unione Europea ,

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sebbene la componente petrolifera sia diminuita a fronte di quella da

combustibili solidi, gas naturale e nucleare sia aumentata. Invariati i

consumi anche in Giappone. Fa clamorosamente eccezione la Russia i

cui consumi sono diminuiti del 20%.

Tabella 2

DIPENDENZA

CINA USA UE RUSSIA INDIA GIAPPONE BRASILE

1990 -12,2% 15,5% 45,6% -49,1% 15,1% 83,6% 30,0% 1991 -8,8% 15,9% 46,0% -41,4% 15,6% 83,0% 30,5% 1992 -7,2% 17,8% 45,7% -38,5% 18,3% 83,5% 31,9% 1993 -3,3% 21,5% 45,2% -38,2% 19,0% 81,6% 32,0% 1994 -3,8% 20,0% 44,6% -41,4% 18,9% 83,0% 32,6% 1995 -3,9% 21,4% 44,9% -46,2% 19,4% 81,7% 32,5% 1996 -5,1% 22,6% 45,1% -51,5% 21,4% 81,6% 31,5% 1997 -3,6% 23,0% 45,5% -56,2% 23,2% 80,7% 30,9% 1998 -1,1% 22,8% 47,2% -57,2% 24,7% 79,7% 27,7% 1999 0,1% 25,4% 47,0% -58,2% 27,4% 80,8% 24,3% 2000 0,6% 27,5% 48,1% -60,0% 28,4% 81,2% 19,8% 2001 -2,7% 24,9% 49,0% -62,9% 28,4% 81,0% 20,0% 2002 -1,4% 27,2% 49,2% -68,0% 28,9% 81,2% 14,1% 2003 -0,9% 28,3% 50,9% -74,2% 28,4% 84,5% 11,8% 2004 2,3% 29,7% 51,7% -81,1% 29,7% 82,4% 14,2% 2005 1,7% 30,7% 53,7% -85,1% 30,9% 82,7% 10,9% 2006 4,1% 28,8% 55,2% -84,5% 30,6% 81,7% 9,2% 2007 3,9% 29,6% 55,8% -85,4% 32,6% 83,1% 11,2% 2008 3,5% 26,6% 55,9% -85,2% 34,2% 84,1% 12,5% 2009 5,9% 23,4% 55,3% -84,4% 35,2% 81,2% 7,8% 2010 5,2% 24,0% 55,9% -88,9% 34,7% 81,2% 11,4% 2011 6,4% 20,3% 56,2% -88,4% 37,3% 86,6% 10,0%

Nota metodologica La dipendenza è ottenuta dal rapporto tra le importazioni e i consumi di energia primaria. Le importazioni sono ottenute sottraendo ai consumi di energia primaria la produzione interna. La produzione interna è ottenuta sommando la produzione di combustibili fossili, nucleare e da fonti rinnovabili. Elaborazione su dati: BP, Statistical Review of World Energy 2012.

Fortissima la dipendenza (Tabella 2, [9]) del Giappone

dall’importazione di materie prime votate allo sviluppo energetico, la

più alta dipendenza al Mondo; forte anche nei Paesi dell’Ue

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accresciutasi di quasi il 25% negli ultimi 20 anni. Discreta la

dipendenza di India, USA e Brasile, in controtendenza la Russia, primo

esportatore al mondo di gas naturale.

Elaborazione grafica

Figura 3 – Il Giappone ha la più alta dipendenza dalle importazioni, seguono UE, India e USA, la Russia è in controtendenza a causa delle sue enormi riserve di gas naturale.

Dal grafico di Fig. 3 [10] (Elaborazione Grafica) si nota come,

tendenzialmente, quanto più un’economia è sviluppata tanto più è alta

la sua dipendenza dal petrolio. Essa è radicata non solo nello sviluppo

diretto di energia ma anche nello sviluppo indiretto; a partire dal

settore agro-alimentare, ai trasporti, al comparto industrial produttivo,

all’intera economia mondiale.

Risulta importante, inoltre, far notare come il petrolio giochi un ruolo

determinante anche sull’approvvigionamento alimentare. Per

mantenere i prezzi bassi, infatti, le grandi aziende alimentari fanno

largo uso di concimi e fertilizzanti derivati del petrolio ad alta resa

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produttiva, in questo modo riescono a mantenere i prezzi bassi ma a

costo di una perdita di fertilità dei terreni, sempre più dipendenti a loro

volta dall’uso degli stessi fertilizzanti.

Dall’inizio della crisi i prezzi degli alimentari seguono fedelmente le

oscillazioni di prezzo del greggio, come dimostra il grafico riportato in

Fig. 4:

Figura 4 – I prezzi degli alimentari inseguono il prezzo del petrolio

Il grafico di Fig. 4 [11] mostra tre cose principalmente: 1) il prezzo

degli alimentari aumenta e diminuisce in sintonia con quello del

greggio, 2) l'indice del prezzo del cibo ha raggiunto il massimo della

prima metà del 2010 già nel 2008 ma con un prezzo petrolifero molto

più alto, 3) la sensibilità del sistema alimentare alle variazioni del

petrolio sembra aumentata: se nel 2008 gli alimenti sono aumentati

"solo" del 60% a fronte di un aumento del greggio del 150%, ora i due

prezzi stanno aumentando all'unisono.

La moderna agricoltura dipende fortemente dall’uso di combustibili

fossili. La maggior parte dei trattori funziona a benzina o gasolio. Le

pompe d’irrigazione utilizzano gasolio, gas naturale o elettricit

prodotta dal carbone. La produzione dei fertilizzanti è altresì

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energeticamente dispendiosa. Il gas naturale viene impiegato per

sintetizzare l’azoto che costituisce la base dei fertilizzanti azotati.

L’estrazione, la lavorazione e il trasporto internazionale dei fosfati e del

potassio, dipendono interamente dal petrolio.

Nell’articolo intitolato The Mechanization of Agricolture (La

meccanizzazione dell’agricoltura) [12] (Il petrolio e gli alimenti)

pubblicato dalla rivista Science si leggono i seguenti dati: “nell’anno

1850, un solo agricoltore produceva alimenti per mantenere quattro

persone, oggi un solo agricoltore produce una quantità di alimenti

sufficienti a mantenere 78 persone.

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CAPITOLO 2 – I LIMITI DELLO SVILUPPO

Nel 1972 il MIT (Massachussets Institute of Technology) di Boston

pubblicò uno studio commissionato dal Club di Roma dal titolo

emblematico: The Limits to Growth. I limiti dello sviluppo. [13] (Donella

e Dennis L. Meadows, 1972).

Il rapporto, basato sullo strumento di simulazione World38, stima le

conseguenze della continua crescita della popolazione sull'ecosistema

terrestre e sulla stessa sopravvivenza della specie umana.

Il rapporto pubblica e documenta 11 scenari sull’evoluzione del

sistema socio-economico mondiale simulati a diverse condizioni di

carattere tecnico-scientifico, economico e sociale. Noi tratteremo solo il

primo in quanto scevro di speciali ipotesi tecniche o politiche che

invece caratterizzano gli altri dieci.

Lo Scenario 1 è, come detto, il punto di riferimento, a detta degli stessi

autori, perché rappresenta la modalità generale di comportamento più

probabile del sistema in cui si ipotizza che le politiche, i valori e le

tecnologie che hanno influenzato la crescita economica e demografica

dell’inizio del ‘900 si sarebbero evolute linearmente fino alla fine del XX

secolo senza grandi cambiamenti.

In tale evoluzione, la popolazione sale da 1,6 miliardi, nell’anno

simulato 1900, a più di 6 miliardi nel 2000 e a più di 7 miliardi nel

2030. Dal 1900 al 2000, il prodotto industriale complessivo si espande

di quasi 30 volte, e poi di un altro 10% entro il 2020. Tra il 1900 e il

2000, viene impiegato solo il 30% dell’intero stock di risorse non

rinnovabili della Terra; nel 2000, ne resta circa il 70%.

8 Si trattava dell'evoluzione di World2, un modello scritto nel linguaggio di simulazione DYNAMO da Jay Forrester nel 1971 ed illustrato da questi nel libro World Dynamics.

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Figura 5 il più probabile scenario secondo “I Limiti dello Sviluppo”.

Nell’anno simulato 2000, i livelli di inquinamento hanno appena

La società globale va avanti senza grandi cambiamenti rispetto alle politi-che seguite nel corso del XX secolo. Po-polazione e produ-zione aumentano finché la crescita non è arrestata dalla crescente inaccessibilità delle risorse non rinno-vabili. Per mantenere co-stante il flusso di risorse sono neces-sari investimenti sempre maggiori. Alla fine, la man-canza di fondi per investimenti negli altri settori dell’economia fa diminuire la produ-zione di beni e ser-vizi industriali. Man mano che la produ-zione si riduce an-che l’alimentazione e i servizi sanitari peggiorano, facendo diminuire la spe-ranza di vita e ac-crescendo il tasso di mortalità medio.

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cominciato ad aumentare in modo significativo: del 50% in più rispetto

al livello del 1990. I beni di consumo pro capite nel 2000 sono superiori

del 15% rispetto al 1900, e di quasi otto volte rispetto al 1900. In

particolare nel ventennio tra il 2000 e il 2020 la crescita della

popolazione e quella del capitale fisso industriale consumano tante

risorse non rinnovabili quante ne erano state impiegate dall’economia

globale nell’arco di tutto il secolo precedente. E, naturalmente, nello

sforzo incessante del mondo simulato di alimentare ulteriormente la

crescita, diviene necessario più capitale per localizzare, estrarre e

raffinare le risorse non rinnovabili rimaste.

Mano a mano che il reperimento delle risorse non rinnovabili diventa

più difficile, il capitale viene dirottato per incrementare tali produzioni.

Alla fine, intorno al 2020, l’investimento nel capitale industriale non

riesce a tenere il passo del deprezzamento a causa di usura e

obsolescenza. Il risultato è il declino industriale, un esito difficile da

evitare dal momento che l’economia non può smettere di allocare

capitale nel settore delle risorse; se lo facesse, la scarsità di materiale e

di combustibili ridurrebbe ancora più rapidamente la produzione

industriale.

Alla fine, il settore industriale trascina con sé nel declino il settore dei

servizi e quello agricolo. In questo Scenario il declino dell’industria ha

un impatto particolarmente forte sull’agricoltura, dal momento che la

fertilità della terra era già stata intaccata dallo sfruttamento eccessivo

prima dell’anno 2000.

Infine, intorno al 2030, la popolazione raggiunge un picco e comincia a

diminuire poiché il tasso di mortalit è spinto verso l’alto dalla carenza

di alimenti e di servizi sanitari. La speranza di vita media, che nel 2010

era di 80 anni, comincia a diminuire.

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L’idea che possano esservi limiti alla crescita è, per molti, inconcepibile.

I limiti sono politicamente innominabili e, sul piano economico,

impensabili. La cultura dominante tende a negare la possibilità stessa

del limite, pervasa com’è da una fede profonda nel potere della

tecnologia, nei meccanismi del libero mercato, nella crescita

dell’economia come soluzione di ogni problema, compresi i problemi

creati dalla crescita stessa.

2.1 Economia sostenibile

L’economista statunitense Herman Daly [14] (Daly, 1990) ha proposto

tre semplici regole che possono aiutare a definire i limiti di sostenibilità

dei flussi di materiali e di energia:

Per le risorse rinnovabili (suoli, acqua, foreste, pesci), il tasso

sostenibile di sfruttamento non può essere maggiore del tasso di

rigenerazione della loro sorgente. (Così, per esempio, l’attivit di

pesca è insostenibile se il tasso di prelievo dei pesci è maggiore del

tasso di crescita della popolazione ittica residua.)

Per una risorsa non rinnovabile (combustibili fossili, giacimenti

minerari ad alto tenore, acque sotterranee fossili), il tasso sostenibile

di utilizzo non può essere maggiore del tasso al quale può essere

impiegata sostenibilmente, al suo posto, una risorsa rinnovabile. (Per

esempio, un giacimento di petrolio sarebbe sfruttato in modo

sostenibile se parte dei profitti che genera fossero investiti in impianti

eolici, pannelli solari e piantagioni di alberi, così da rendere

disponibile, una volta finito il petrolio, un flusso equivalente di energia

rinnovabile.)

Per un agente inquinante, il tasso sostenibile di emissione non può

essere maggiore del tasso al quale quell’agente può essere riciclato,

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assorbito o reso inoffensivo nel pozzo di destinazione. (Per esempio,

le acque di rifiuto possono essere immesse in un fiume o in un lago o

in un acquifero sotterraneo in modo sostenibile non più rapidamente

di quanto i nutrienti che vi sono contenuti possano essere assorbiti da

batteri e da altri organismi senza che il sistema acquatico ne sia

sopraffatto e sconvolto.)

Qualunque attività per la quale lo stock di una risorsa rinnovabile si

riduce, o un pozzo per l’inquinamento si espande, o lo stock di una

risorsa non rinnovabile è intaccato senza che una risorsa rinnovabile

sia pronta a rimpiazzarlo, non è sostenibile.

Presto o tardi, quell’attivit dovr essere ridotta.

I combustibili fossili sono risorse non rinnovabili. Una volta bruciati, si

trasformano in diossido di carbonio, vapore acqueo, diossido di zolfo

(anidride solforosa), più diverse altre sostanze, che non possono, su

una qualsiasi scala temporale significativa per l’umanit, ricombinarsi

per formare combustibili fossili.

Tuttavia le fonti energetiche rinnovabili non sono innocue per

l’ambiente, né sono prive di limiti. Gli Aerogeneratori richiedono

terreni e strade d’accesso. Alcuni tipi di celle solari contengono

materiali tossici. I bacini idroelettrici allagano terreni e interrompono il

corso dei fiumi. L’energia da biomasse è sostenibile né più né meno

delle attività agricole o forestali che producono quelle biomasse.

Le fonti energetiche sostenibili sono inoltre a tasso limitato: il flusso di

energia che ne scaturisce è perpetuo, ma il suo tasso è fisso,9 non sono

in grado di sostenere, cioè, una popolazione che si moltiplichi

indefinitamente e un capitale fisso che cresca a un tasso elevato. Sono

9 Il vento, analogamente al sole e differentemente dalle fonti di energia convenzionali, non fornisce energia continuamente ed omogeneamente e non può essere controllato per adattare l’energia prodotta alle richieste delle utenze, se non in combinazione con altre fonti di energia capaci di essere controllati.

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però abbondanti e diversificate e possono costituire la base energetica

per la società sostenibile del futuro.

2.2 Impronta Ecologica

Un metodo valido per misurare nel suo complesso la sostenibilità della

terra è quello del calcolo della cosiddetta “impronta ecologica”.

Il concetto di impronta ecologica è stato introdotto da Mathis

Wackernagel nel 1996, è un indicatore utilizzato per valutare il

consumo umano di risorse naturali rispetto alla capacità della Terra di

rigenerarle.

Nello specifico misura l'area biologicamente produttiva di mare e di

terra necessaria per rigenerare le risorse consumate da una

popolazione umana e per assorbire i rifiuti prodotti. Utilizzando

l'impronta ecologica è possibile stimare quanti "pianeta Terra"

servirebbero per sostenere l'umanità, qualora tutti vivessero secondo

un determinato stile di vita.

Confrontando l'impronta di un individuo (o regione, o Stato) con la

quantità di terra disponibile pro-capite (cioè il rapporto tra superficie

totale e popolazione mondiale) si può capire se il livello di consumi del

campione è sostenibile o meno.

L'impronta ecologica è un buon indicatore di pressione ambientale,

essa riporta il carico di cui l’umanit grava il pianeta, comprendente

l’impatto di agricoltura, attivit minerarie, prelievo ittico, tagli forestali,

emissioni, sviluppo fondiario, riduzione della biodiversità. L’impronta

ecologica tende ad espandersi al crescere della popolazione, perché è

più grande se i consumi aumentano, ma può anche ridursi se si

utilizzano tecnologie in grado di ridurre l’impatto per unit di attivit

umana.

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Dal grafico di Figura 6 [15] (Living Planet Report, 2010) si può notare

come durante gli anni ’70, l’umanit ha oltrepassato la soglia in cui

l’Impronta ecologica annuale era pari alla biocapacità annuale della

Terra, ossia, l’umanit ha iniziato a consumare le risorse rinnovabili a

una velocità maggiore di quella impiegata dagli ecosistemi per

rigenerarle e a rilasciare un quantitativo di biossido di carbonio

maggiore di quello che gli ecosistemi riescono ad assorbire. Questa

situazione è chiamata “superamento dei limiti ecologici” (overshoot) e,

da allora, è progredita ininterrottamente.

Figura 6 - Impronta ecologica per componenti, 1961–2007. L’Impronta è visualizzata sotto forma del

numero di pianeti necessari. La biocapacità totale,indicata dalla linea tratteggiata, è sempre equivalente a 1 pianeta Terra, sebbene la produttività biologica del pianeta vari ogni anno. Fonte: Living Planet Report 2010

L’ultimo calcolo dell’Impronta ecologica mostra come questa tendenza

non abbia subito alcuna flessione. Nel 2007, l’Impronta era tale da far

rilevare che l’umanit ha utilizzato l’equivalente di 1 pianeta e mezzo

per sostenere le proprie attività.

L’Earth Overshoot Day è il giorno del superamento delle capacità della

Terra; il giorno a partire dal quale l’umanit ha esaurito le risorse

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naturali rinnovabili che aveva a disposizione per l’intero anno , il

momento in cui iniziamo a vivere oltre le nostre possibilità.

Nel 1993 l’Earth Overshoot Day è stato il 21 Ottobre.

Nel 2003 è stato il 22 Settembre. Nel 2013 è già arrivato il 20 Agosto.

Dato il trend attuale una cosa è certa: l’Earth Overshoot Day tende ad

arrivare qualche giorno prima

ogni anno, in particolare dal

2001 si è anticipato di tre

giorni ogni anno.

Viene calcolato dal Global

Footprint Network,

un’organizzazione senza

scopo di lucro che si occupa

di ricerca sulla sostenibilità

ambientale. Il giorno del

“superamento” si ottiene

confrontando le risorse

terrestri con il consumo che

ne viene fatto, la data che si

ricava è approssimativa.

Secondo i calcoli del Global

Footprint Network, la nostra

domanda di risorse rinnova-

bili e di servizi ecologici che questi possono produrre è al momento

equivalente a quella di 1,5 Pianeti Terra. Di questo passo nel 2050

avremo bisogno di più di due pianeti (Fig.7).

La Cina, a questo ritmo di crescita, richiede 2 volte e mezzo la

grandezza di sé stessa, altri Paesi industrializzati non sono da meno:

noi italiani consumiamo risorse ecologiche pari a 4 volte le capacità del

Figura 7 - Uso delle risorse commisurato alle risorse disponibili - fonte: http://www.footprintnetwork.org

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territorio su cui viviamo; la Svizzera 4 volte e mezzo; il Qatar 6 volte; il

Giappone 7. La situazione non è sostenibile.

2.3 L’Energia come questione etica

Il Dr. Hermann Scheer10 fu un grande sostenitore del concetto di

impronta ecologica, illuminato e attivissimo uomo politico tedesco che,

per primo al mondo, ha proposto ed avviato una drastica e

responsabile svolta verso un’economia che avesse come primaria fonte

energetica solo le energie rinnovabili.

Hermann Scheer si è battuto con forte determinazione e grinta

puntando ad un solo, qualificante e grandissimo obiettivo: creare tutte

le condizioni, sia culturali che legislative per arrivare ad avere in

Germania, per prima al mondo ed in tempi strettissimi, come unica

fonte energetica, al 100%, le energie rinnovabili.

Egli fu tra i primi a comprendere l’importanza strategica e politica

dell’energia non solo per una questione etica, umana e morale ma

anche per le inevitabili e profonde implicazioni che una tale scelta

comporta.

Infatti mentre i benefici delle energie fossili e dell’energia atomica si

concentrano maggiormente nella parte più benestante della

popolazione mondiale (e controllate da oligopoli), i loro costi umani,

per esempio il cambiamento climatico, l’inquinamento ambientale,

ricadono sproporzionatamente su coloro (la stragrande maggioranza

delle persone) che meno profittano dei benefici. La parte meno

abbiente e più debole dell’umanit vede inoltre “ipotecato”

negativamente il proprio futuro, in particolare le nuove generazioni

10 Politico tedesco, già membro del Bundestag nelle file del SPD, presidente di Eurosolar e del World Council for Renewable Energy. Ha ricevuto nel 1999 il Right Livelihood Award per "l'infaticabile opera di promozione dell'energia solare nel mondo".

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che, di questo passo, erediteranno un pianeta fortemente condizionato

sul piano ambientale.

Il modello dell’autonomia energetica proposto da Hermann Scheer

tende ad accorciare le filiere dell’approvvigionamento energetico, così

che ogni territorio possa fare i conti solamente con le risorse

energetiche effettivamente disponibili.

Principalmente grazie alle sue idee, la Germania ha potuto giovarsi di

una posizione d’avanguardia nello sviluppo delle energie rinnovabili e

in particolare del solare, nel panorama europeo pur non godendo di

una posizione geograficamente privilegiata.

2.4 Conclusioni ed insegnamenti

Vi sono almeno due insegnamenti importanti da trarre dal rapporto su

“i limiti dello sviluppo”. Il primo indica che in un mondo finito e

complesso, se si elimina o si sposta verso l’alto un limite e si continua a

crescere, si incontra un altro limite. E il limite successivo, se la crescita

è esponenziale, si presenterà ben prima di quanto si creda.

Un secondo insegnamento è che quanto più una società riesce a

spostare in avanti i limiti attraverso adattamenti tecnici ed economici,

tanto più è probabile che essa finisca con lo scontrarsi con più limiti

simultaneamente.

Vi sono inoltre, almeno due ulteriori ragioni per cui i meccanismi della

tecnologia e del mercato, altrimenti perfettamente efficaci, non sono

però capaci di risolvere i problemi che nascono in una società in corsa

esponenziale verso una molteplicità di limiti interconnessi. Essi hanno

a che fare con gli scopi, i costi e i ritardi.

La prima ragione è che i mercati e le tecnologie non sono altro che

strumenti al servizio di scopi, dei valori etici e delle prospettive della

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società nel suo insieme. Se gli scopi impliciti di una società consistono

nello sfruttare la natura, arricchire le classi dominanti e trascurare ogni

prospettiva a lungo temine, quella società svilupperà tecnologie e

mercati che distruggono l’ambiente, ampliano il divario tra ricchi e

poveri e sono ottimizzate per il profitto a breve termine. In breve,

quella società svilupperà tecnologie e mercati che, lungi dall’impedire il

collasso, lo accelerano.

La seconda ragione è che i meccanismi di adattamento hanno dei costi, i

quali tendono a crescere man mano che ci si approssimi ai limiti, e lo

fanno con andamento non lineare.

2.5 energie rinnovabili: la soluzione?

Secondo il noto economista Eugenio Benetazzo [16] (Benetazzo, 2007)

le attuali energie cosiddette alternative avrebbero un nome improprio,

andrebbero chiamate “derivative” in quanto non rappresentano

assolutamente un’alternativa, quanto piuttosto una fonte di energia che

deriva anch’essa da un diverso uso del petrolio.

Pensare, infatti, di usufruire di pannelli fotovoltaici o impianti eolici

senza poter disporre di greggio in abbondanza ed a buon mercato

rappresenta una possibilità inverosimile. Le leggi del mercato e le

speculazioni sul prezzo del greggio faranno sì da determinare aumenti

di prezzo contingentati con quelli del greggio stesso, in questo modo

verranno a determinarsi spirali di stagflazione economica e produttiva

causate dalla dipendenza dal petrolio che le stesse rinnovabili

dovrebbero scongiurare. Sotto questo aspetto si comprende, quindi,

che la strada per la sostenibilità da fonte rinnovabile non è così

semplice, automatica e lineare.

Ma allora cosa si può fare?

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Se, dunque, sembra esser finito il tempo della dipendenza da un’unica

risorsa e quindi dai regimi monopolistici internazionali, l’unica via che

resta da percorrere è quella dell’autonomia energetica locale

sfruttando innovazioni tecnologiche globali.

Si ritiene, infatti, che questa sia la giusta interpretazione del motto

dell’Aspen Institute11:

“pensare globalmente, agire localmente”.

Da questo punto di vista la miglior soluzione, per quanto riguarda la

politica energetica, immediatamente realizzabile ed impiantabile sul

territorio potrebbe essere lo sfruttamento dell’energia eolica

sviluppata secondo politiche atte ad accrescere il decentramento

energetico. La tematica sarà approfondita nel capitolo successivo.

11 L’Aspen Institute è un’organizzazione internazionale non profit, fondata nel 1950. Tra i suoi fini quello di incoraggiare le leadership illuminate, le idee e i valori senza tempo e il dialogo sui problemi contemporanei.

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La Terra cede in continuazione all’atmosfera il calore ricevuto dal Sole, ma non in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore (zone di aria fredda) la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene rilasciato più calore, l’aria si riscalda e la pressione dei gas diminuisce. Si crea pertanto una macrocircola-zione dovuta ai moti convettivi: masse d’aria si riscaldano, diminui-scono la loro densità e salgono, ri-chiamando aria più fredda che scorre sulla superficie terrestre. Questo moto di masse d’aria calde e fredde produce le aree di alta pressione e le aree di bassa pres-sione stabilmente presenti nell’atmosfera, influenzate anche dalla rotazione terrestre. (Fig. 8).

Poiché l’atmosfera tende a ripristi-nare costantemente l’equilibrio di pressione, l’aria si muove dalle zone dove la pressione è maggiore verso quelle in cui è minore. Il vento è dunque lo spostamento di una massa d’aria, più o meno ve-loce, tra zone di diversa pressione. Tanto più alta è la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria e quindi tanto più forte sarà il vento.

CAPITOLO 3 - L’ENERGIA EOLICA L’energia del vento, così come tante altre forme di energia, deriva

dall’energia solare. La distribuzione irregolare della radiazione solare

unita alle diverse caratteristiche termiche della superficie del pianeta

genera una differenza di temperatura in atmosfera che crea un

gradiente nella densit dell’aria e, conseguentemente, una differenza di

pressione atmosferica, all’origine della convezione atmosferica (una

massa d’aria in alta pressione si

muove verso zone di bassa pressione).

La tecnologia eolica converte l’energia

associata al movimento delle masse

d’aria in forme utilizzabili di energia.

Figura 8

Abbiamo gi discusso nel primo capitolo di come l’energia del vento sia

meno dell’1% di tutta l’energia solare che raggiunge la Terra. Una

percentuale apparentemente modesta, che però rappresenta oltre 10

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volte il totale degli attuali consumi energetici mondiali.

Non tutta questa potenzialità è ovviamente sfruttabile dall'uomo, che

può al massimo catturare una frazione dell'energia eolica contenuta nei

primi 200 metri di atmosfera e con venti di velocità in genere compresa

tra i 4 e i 25 metri/secondo. Pur con queste limitazioni, tuttavia,

l'energia eolica resta teoricamente in grado di soddisfare l'intero

fabbisogno energetico.

3.1 l’eolico nel mondo

In effetti lo sviluppo dell’energia eolica per la generazione elettrica sta

progredendo in modo molto accelerato. Al 2012, la potenza

globalmente installata ammonta a quasi 280 GW (più del doppio di

quella 2008), pari all’1,5% della domanda elettrica mondiale e

sufficiente a soddisfare il fabbisogno basilare di 450 milioni di persone.

Figura 9 - Potenza Eolica Mondiale Totale installata, fonte: www.gwec.net

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Nel 2010 la quota era di 190 GW. Di questo passo secondo

le previsioni del rapporto Technology Road Map: Wind

Energy 2050 [17] (IEA, 2013), la IEA ritiene che l’industria

eolica possa porsi l’obiettivo «ambizioso, ma non

impossibile» di installare 2’000 GW al 2050, che

equivarrebbe alla copertura del 12% della domanda

elettrica attesa per quella data.

Figura 10

Anche secondo il Global Wind Energy Council [18], esistono

ottime prospettive di sviluppo. Come si evince dal grafico di

Fig. 10, secondo lo scenario delle previsioni di crescita

“medio” è possibile arrivare a installare 700 GW nel 2020, 1400 GW nel

2030 e 1800 nel 2050.

La corrispondente produzione di ener-gia è illustrata in questo altro grafico a destra. A scopo di confronto è ripor-tata anche la pro-duzione attuale da nucleare, per evi-denziare le interes-santi prospettive dell’eolico anche in campo industriale.

Secondo queste pre-visioni, dopo il 2030 la crescita non sarà più esponenziale, ma probabilmente rallenterà; la pro-ducibilità tuttavia non si ridurrà, anzi aumenterà dalle at-tuali 2100-2200 ore a 2400-2600, segno che si prevede di sfruttare siti off-shore ad alta vento-sità.

fonte: http://ecoalfabeta.blogosfere.it

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Circa il 99%

della genera-

zione eolica è

assicurata da

impianti a terra,

anche se la ca-

pacità in mare

(off-shore) si

prevede cre-

scerà rapida-

mente nei

prossimi anni rispetto ai 4.600 MW

installati in dodici Paesi a metà 2012 (Fig. 11) [19] (Ecoalfabeta).

A livello di singoli Paesi, la Top Ten della potenza eolica installata è

guidata prepotentemente dalla Cina (67.774 MW), con 17.600MW

installati nel 2012, pari a quasi il 44% del mercato mondiale. Il mercato

cinese si conferma quindi come il principale mercato dell’energia eolica

mondiale, nonostante un notevole calo mostrato rispetto al 2010. (Fig.

12) [20] (WorldWindEnergyAssociation, 2012)

Seguono gli USA (49.802 MW) che nel 2011 hanno installato 6.800 MW,

scalzando così la Germania (30.016 MW) che passa in terza posizione.

Quarta la Spagna (22.087 MW), seguita dall’India, Italia, Francia e Gran

Bretagna (3.241 MW).

Figura 11

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Figura 12

Benché gli impianti si moltiplichino e non manchi giorno che venga

annunciato un nuovo grande progetto da centinaia di MW, in realtà, in

un’ottica globale, la produzione eolica è ancora poco più che marginale

(1,5%) rispetto alla domanda mondiale di energia elettrica.

Come per le altre forme di energia solare, però, sussistono notevoli

limitazioni: bassa intensità energetica, discontinuità, aleatorietà e

distribuzione non uniforme sul territorio.

3.2 principi di funzionamento di un

aerogeneratore

Una turbina eolica o aerogeneratore trasforma l’energia cinetica

posseduta dal vento in energia elettrica senza l’utilizzo di alcun

combustibile e passando attraverso lo stadio di conversione in energia

meccanica di rotazione effettuato dalle pale.

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Il vento passa su entrambe le facce della pala, più velocemente sul lato superiore, creando un'area di bassa pressione. Questa differenza di pressione tra le due superfici ha come risultato una forza chiamata portanza aerodinamica (lift)(Fig.13). La portanza sull'ala di un aereo lo fa alzare da terra, in un aerogeneratore, poiché le pale sono vincolate a muoversi su di un piano, causa la rotazione intorno al mozzo. Contemporaneamente si genera una forza di trascinamento resistiva (drag), perpendicolare alla portanza che si oppone al moto. Il primo obiettivo nel progetto di una turbina eolica è avere un alto rapporto portanza-resistenza.

Le turbine possono essere a “portanza” o a “resistenza” in funzione di

quale sia la forza generata dal vento e sfruttata come “forza motrice”.

Figura 13

Per capire il principio di funzionamento di

un aerogeneratore facciamo riferimento

alle turbine attualmente più diffuse, ossia

quelle a “portanza”; in esse, rispetto a quelle a “resistenza”, il vento

scorre su entrambe le facce della pala, che presentano profili

geometrici differenti, creando così in corrispondenza della superficie

superiore una zona di depressione rispetto alla pressione sulla faccia

inferiore.12 Questa differenza di pressione produce sulla superficie

della pala eolica una forza chiamata portanza aerodinamica (Fig. 13),

analogamente a quanto accade per le ali degli aerei.

La macchina eolica è quindi capace di produrre un certo quantitativo di

energia, ciò in base ad un fattore rilevante ovvero la forza del vento che

12 Il profilo alare della pala eolica determina una velocità differente della vena fluida che lambisce la superficie superiore rispetto alla velocità della vena fluida che scorre lungo la superficie inferiore. Tale differenza di velocit è all’origine della variazione di pressione.

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la stessa riesce a trasformare; la potenza accumulabile dal generatore

eolico è proporzionale alla velocità del vento, alla densit dell’aria e

all’area spazzata dalle pale. In campo eolico vige la legge del cubo,

secondo cui, in un dato istante, la potenza del vento è proporzionale al

cubo della sua velocità. In altri termini ciò significa che se la velocità del

vento raddoppia la potenza di un generatore accresce di otto volte,

parimenti se la velocità si dimezza, la potenza sarà 8 volte inferiore. Gli

studi di Betz hanno dimostrato che una turbina ideale ad asse

orizzontale, al massimo può convertire il 59% dell'energia cinetica

posseduta dal vento, tale valore diminuisce considerando le perdite

dissipative dovute alla viscosità del fluido. La potenza elettrica

generata è quindi:

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 1

2∗ 𝜌 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑆 ∗ 𝑣1

3 (Equazione 1)

Dove:

𝑃𝑚𝑎𝑥 = potenza espressa in Watt

𝜌 = densità della massa d'aria espressa in 𝑘𝑔

𝑚3

𝐶𝑝 = coefficiente di potenza massimo di una turbina ideale ad asse

orizzontale, pari a 16/27 = 0.593 (Legge di Betz)

𝑆 = Area circolare spazzata dalle pale del rotore ed attraversata dalla

massa d'aria espressa in 𝑚2

𝑣1 = Velocità della massa d'aria indisturbata, prima del passaggio

attraverso le pale, espressa in 𝑚 𝑠

Come si può notare 𝑃𝑚𝑎𝑥 varia con il cubo della velocità del vento 𝑣1.

Ad esempio, con una densit standard dell’aria a livello del mare

𝜌 = 1.225 𝑘𝑔

𝑚3 ed 𝑆 = 1 𝑚2 si ha:

𝑣1 = 5 𝑚 𝑠 ⇒ 𝑃1 = 76 𝑊 𝑚2

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𝑣2 = 6 𝑚 𝑠 ⇒ 𝑃2 = 132 𝑊 𝑚2

𝑣3 = 7 𝑚 𝑠 ⇒ 𝑃3 = 210 𝑊 𝑚2

Quindi, con un aumento di velocità del vento di solo 1 𝑚 𝑠 , la potenza

disponibile specifica si incrementa di circa il 60-70%. Prendendo

inoltre come riferimento la potenza disponibile specifica (𝑃 = 210

𝑊𝑚2 ) della vena fluida relativa alla velocità 𝑣1 = 7 𝑚 𝑠 è possibile

determinare l’aerea ed il diametro di tale vena fluida per diversi valori

di potenza disponibile (v. Figura 14):

P = 1 kW ⇒ A = 4,7 𝑚2 ⇒ D = 2.5 m P = 10 kW ⇒ A = 47,6 𝑚2 ⇒ D = 7.8 m P = 20 kW ⇒ A = 95,2 𝑚2 ⇒ D = 11.0 m

Figura 14

La potenza P è direttamente proporzionale, quindi, all’area spazzata

dalle pale ed al cubo della velocità del vento. Calcolare con precisione la

velocità del vento è rilevante ai fini statistici poichè una minima

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variazione determina potenze molto differenti. Questa peculiarità

rende evidente l’importanza di un’oculata scelta dei siti in cui collocare

gli aerogeneratori e quindi la conseguente necessità di operare al fine

di sviluppare una mappa dei siti eolici prima di impiantare le fattorie

del vento. Il 𝐶𝑝 rappresenta il coefficiente di potenza ottenibile

moltiplicando il coefficiente di potenza teorico per il rendimento del

rotore, comprensivo delle perdite dissipative. Tale relazione viene così

espressa:

𝐶𝑝 = 𝐶𝑝𝑡 ∗ 𝜂𝑟

Nel calcolare l’ espressione della potenza captata (Equazione 1) si è

ipotizzato che il vento incida perpendicolarmente sul disco del rotore.

Diversamente, nella formula comparirebbe un ulteriore termine a

fattore, ovvero cos γ, dove γ rappresenterebbe l’ angolo tra la direzione

del vento e la normale alla superficie spazzata dal rotore.

Avendo costatato che il Limite di Betz è approssimativamente pari a 0.6

e che il rendimento del rotore è generalmente compreso tra 0.25 e 0.75,

a seconda della tipologia di aerogeneratore, si ha un andamento del

coefficiente di potenza compreso solitamente tra i valori 0.15 e 0.45.

Tale situazione si può verificare nel grafico di Figura 15, dove viene

riportato il coefficiente di potenza in funzione del coefficiente di

velocità periferica, per varie tipologie di rotori eolici. Si nota che nel

caso reale il coefficiente di potenza non è costante, bensì variabile in

dipendenza del coefficiente di velocità periferica λ. Il coefficiente di

velocità periferica λ13 è dato dal rapporto tra la velocità periferica delle

pale del rotore, ottenuta moltiplicando la velocità di rotazione Ω per lo

sviluppo radiale R della pala, e la velocità del vento V

λ = u

V=

Ω ∗ R

V

13 Identificato anche come TSR (Tip Speed Ratio)

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e rappresenta quindi un parametro molto significativo,

rappresentativo delle condizioni di funzionamento dell’

aerogeneratore.

Massimo valore di Cp ottenibile al variare di λ

Figura 15 - Andamento del massimo valore del coefficiente di potenza Cp al crescere del coefficiente di velocità periferica λ per le principali tecnologie eoliche raffrontate anche con il limite di Betz.

Gli andamenti rappresentati in Fig. 15 sono emblematici: le turbine ad

asse verticale hanno coefficienti di potenza minori di quelle classiche

ad asse orizzontale; quest’ultime raggiungono i massimi valori di

efficienza con λ più elevati ma danno prestazioni molto maggiori.

Al fine di massimizzare l’energia annua prodotta il coefficiente di

potenza Cp dovrebbe essere mantenuto al suo valore massimo durante

il funzionamento dell’aerogeneratore

per più tempo possibile, anche al variare della velocità del vento.

I primi aerogeneratori eolici installati erano a velocità fissa, ovvero la

velocità di rotazione del rotore era vincolata alla frequenza di rete con

la conseguenza che l’impianto entrava in funzione solo in un certo

range di ventosità, inferiore a quello teoricamente reso possibile dalla

sua curva di potenza.

Per sfruttare maggiormente il vento e in particolar modo la variabilità

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della sua intensità, sono state introdotte diverse tecnologie, tra cui:

aerogeneratori a velocità variabile che, muniti di appositi convertitori,

provvedono all’adattamento della frequenza della tensione prodotta a

quella della rete, permettendo al rotore di generare potenza adeguando

la sua velocità di rotazione a quella del vento. Normalmente il sistema

di controllo prevede anche la variazione dell’inclinazione delle pale, per

limitare la potenza assorbita quando il vento supera una certa

intensità. Questa tecnologia a velocità variabile permette un intervallo

di velocità del vento sfruttabile pari a ± 30% del valore nominale

ottenibile con impianti a velocità fissa.

3.3 Le tecnologie eoliche

Le classificazioni degli aerogeneratori sono molteplici, ma la più

conosciuta è senza dubbio quella che prevede due grandi categorie; in

base alla disposizione dell’asse di rotazione si individuano macchine ad

asse orizzontale e macchine ad asse verticale a seconda se l’asse è

rispettivamente parallelo o perpendicolare alla direzione del vento.

Esistono almeno 3 tipi di classificazione degli Aerogeneratori, per:

ASSE DI ROTAZIONE Gli aerogeneratori appartengono alla classe di sistemi eolici che

effettuano la conversione dell’energia cinetica del vento in energia

elettrica (continua o alternata). Il componente più importante di un

aerogeneratore, la turbina (o rotore), può presentare tipologie

costruttive e funzionali molto diverse, classificabili in funzione della

posizione dell’asse di rotazione in:

1. Turbine ad Asse Orizzontale (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine)

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Il 99% delle turbine attualmente in uso ha l’asse di rotazione

orizzontale. Un generatore eolico ad asse orizzontale è formato da una

torre in acciaio di altezze che si aggirano tra i 60 e i 100 metri sulla cui

sommità si trova un involucro (gondola) che contiene un generatore

elettrico azionato da un rotore a pale di lunghezza variabile. Esso

genera una potenza altrettanto variabile: tipicamente un rotore a pale

di 20-30 metri di raggio produce una potenza oscillante tra i 400-600

kW che equivale al fabbisogno giornaliero di circa 200 famiglie. La

lunghezza delle pale è il limite principale alla realizzazione di macchine

molto più grandi di quelle attualmente prodotte: i requisiti statici e

dinamici che bisogna rispettare non consentono di ipotizzare rotori con

diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di 180

metri. Come i generatori ad asse verticale anche quelli ad asse

orizzontale richiedono una velocità minima di 3-5 m/s ed erogano la

potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 m/s.

Ad elevate velocità (20-25 m/s) l’aerogeneratore viene bloccato per

ragioni di sicurezza. Non è producente, infatti, costruirli per venti più

forti in quanto questi venti sono rari, nel caso dunque di venti maggiori

a quello ottimale è necessario dissipare parte dell’energia in eccesso in

modo da non danneggiare la turbina; di conseguenza tutti i generatori

eolici sono equipaggiati con dispositivi per il controllo della potenza, ne

esistono principalmente di due tipi: controllo dell’inclinazione delle

pale (pitch control) e controllo di stallo. Verranno esaminati in seguito

nel dettaglio.

Tutti i modelli ad asse orizzontale indipendentemente dal numero di

pale presentano caratteristiche identiche; sono costituite da una torre

di sostegno, un rotore (che è l’insieme delle pale, del mozzo, dell’albero

e parte del meccanismo di controllo del passo) e da una navicella in cui

sono contenuti il generatore, il moltiplicatore di giri (assente nel caso

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di generatori sincroni), i freni, il sistema di controllo (che deve azionare

i freni meccanici in caso di sovraccarico, guasto o per manutenzione),

gli attuatori del “pitch control” (controllo del passo) e dello “yaw

control” (controllo dell’imbardata).

Figura 16

In Fig. 16 sono presentate le tipologie di HAWT più diffuse.

Il numero di pale ricade solitamente sul numero tre per ottenere un

miglior bilanciamento ed una generazione di coppia più regolare (pala

più alta massima potenza, pala più bassa risente dell’effetto ombra

della torre). I rotori monopala e bipala sono poco utilizzati se non per

ottemperare ad esigenze di natura economica, consentono alte velocità

ma anche forte rumore, impatto visivo e scarsa potenza.

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I sistemi multipala (da 10 a più di

20 pale) sono adatti per velocità

molto basse con alte coppie di

spunto, mentre sono molto

inefficienti ad alte velocità e con

rischio di danneggiamento. Sono

prevalentemente utilizzati nei

sistemi di pompaggio. Nelle macchine di piccola potenza la variazione

dell’angolo di “pitch” è assente, mentre quella dell’angolo di “yaw” al

posto di essere effettuata da servomeccanismi viene garantita da un

timone (Fig. 17) che ricorda nelle forme una pinna di pesce e

meccanicamente, senza elettricità, orienta la navicella.

Esistono due modalità di installazione del rotore (fig. 18): quella

sottovento e quella sopravento.

La prima non ha bisogno di nessun motore elettrico per lo “yaw

control” e nessun timone, infatti le pale sono molto flessibili e flettendo

creano un cono aerodinamico che allinea la macchina al vento. Presenta

però il grosso svantaggio di generare carichi pulsanti su tutta la

struttura facendo sorgere il fenomeno della fatica, c’è inoltre il

problema della schermatura generata dalla torre che riduce l’efficienza,

Figura 17

Figura 18 – Rotore sopravento e sottovento

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ragione per cui in genere si predilige l’installazione sopravento che pur

richiedendo pale più rigide al fine di evitare che una loro flessione le

porti a impattare contro la torre di sostegno garantisce maggior

efficienza. Per entrambe le installazioni al crescere della velocità del

vento l’angolo di attacco sulle pale aumenta finché al di sopra di una

certa velocit, il flusso d’aria inizia a distaccarsi dalla superficie delle

pale. Questo fenomeno di stallo si presenta all’inizio in prossimit del

mozzo e poi si estende verso l’estremit della pala all’aumentare della

velocità del vento fornendo un meccanismo automatico di regolazione

della potenza.

Ricapitolando sulle turbine ad asse orizzontale (HAWT):

Sono i più diffusi con potenza che varia da centinaia di W fino a 5 MW Installazione su torre (maggiore velocità del vento, minore turbolenza), mentre sul

tetto è limitata a piccole potenze (problemi di vibrazioni) Uso di rotori sopravento o sottovento Regolazione attiva del passo delle pale e dell’imbardata, in genere per potenze

elevate (>10 kW) Possibilità di controllare la potenza alle alte velocità sfruttando la deformazione

delle pale (‘aerodynamic stall effect’) Problema contenimento della velocità periferica per ridurre il rumore (<70 m/s)

2. Turbine ad Asse Verticale (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine)

Un generatore eolico ad asse verticale è un tipo di macchina eolica

contraddistinta da una ridotta quantità di parti mobili nella sua

struttura, il che le conferisce un’alta resistenza alle forti raffiche di

vento, e la possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza

doversi riorientare continuamente. È una macchina molto versatile,

adatta all’uso domestico come alla produzione centralizzata di energia

elettrica nell’ordine del Megawatt (una sola turbina soddisfa il

fabbisogno elettrico mediamente di circa 500 case).

Le pale si muovono nella stessa direzione del vento e sono

caratterizzate da una bassa velocità di rotazione e da un momento

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rotore elevato. Questa tipologia di impianti si presta ad essere adottata

per applicazioni di tipo rurale e/o residenziale quindi con impianti di

taglia medio/piccola. Questa tecnologia permette di funzionare con

venti a intensità molto variabile, di essere installata a livello del terreno

e di non richiedere ulteriori meccanismi di orientamento delle pale.

Questi vantaggi tuttavia si traducono in necessari compromessi, ovvero

una minore capacità di assorbire energia rispetto alle macchine con

asse orizzontale poiché la resistenza aerodinamica che offrono le pale

girando contro la direzione del vento riduce l’efficienza

dell’aerogeneratore, la necessit di un meccanismo di avviamento del

rotore (turbina Darrieus) e, infine la necessità per le componenti

dell’impianto di resistere a grandi sforzi meccanici, causati dal peso

della struttura e dal movimento delle pale che riducono l’efficienza

totale del sistema.

Figura 19 – Esempi di rotori ad asse verticale, a partire da sinistra: Giromill Darrieus, Sanonius tipo a, Savonius tipo b.

Sono meno efficienti rispetto alle macchine con asse orizzontale (30%),

negli ultimi tempi, tuttavia, si è cercato di ottimizzare molto queste

macchine, rendendole molto competitive: si stima che gli ultimi

prototipi, funzionando molte più ore l’anno rispetto a quelle ad asse

orizzontale abbiano di fatto un rendimento complessivo maggiore.

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Figura 20 – Esempi di rotori ad asse verticale, da sinistra in senso orario: Darrieus bipala, Darrieus modulare, Darrieus Turby, Savonius elicoidale (o Windside)

La principale differenza tra i due rotori risiede nella loro tipologia di funzionamento: la turbina Savonius lavora a resistenza, la Darrieus a portanza. Nella Tabella 4 vengono elencati alcuni dettagli tecnici. Tabella 3

Savonius Darrieus Rendimento rotore [%] 19 – 23 30-40

Densità di Potenza [𝑊 𝑚2 ] 175 (Windside) 470 (Turby)

Emissione sonora Trascurabile >70 dBA

Vibrazioni Scarsa Vibrazioni dovute al carattere intermittente

della forza aerodinamica Velocità massima Non dipendente dalla

turbina Limiti stringenti sulla

forza centrifuga

Tipo di avviamento Auto-avviante Avviamento da rete o con turbina ausiliaria

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Ricapitolando sulle Turbine ad asse verticale (VAWT)

Funzionamento indipendente dalla direzione del vento adatte per condizioni di vento turbolento

Possibile posizionamento a livello del terreno facile manutenzione sulle apparecchiature elettriche

Bassa velocità di inizio funzionamento (cut-in) possibilità di sfruttare i venti deboli

Basso impatto acustico e visivo adatte all’uso in ambito residenziale

TAGLIA La classificazione per taglia comprende in sé una doppia distinzione: il

concetto di taglia risulta stabilito, sia dalla classe di potenza nominale

del generatore, sia dalle caratteristiche geometriche del rotore e della

torre. Entrambi i fattori concorrono a determinare aerogeneratori di:

1. piccola taglia (rotore di D <12 m e P ≤100 kW), 2. media taglia (rotore di D <50 m e 100< P ≤600 kW), 3. taglia intermedia (rotore di D =50 m e 600< P ≤1000 kW), 4. grande taglia (rotore di D >60 m e P >1500 kW). E’ interessante notare come tale classificazione per taglia non possa

essere messa facilmente a confronto con quella (più moderna) relativa

alla sola classe di potenza nominale. Ci sono aerogeneratori che, pur

presentando uguale diametro, hanno una potenza nominale differente

tra loro, in quanto sono progettati per venti di diversa intensità; ciò ci

conferma come le due classificazioni non siano facilmente

sovrapponibili.

SISTEMA DI GENERAZIONE ELETTRICA Ulteriore forma di classificazione è quella effettuata in funzione del tipo

di sistema di generazione elettrica adottato. Le tecnologie di

generazione possono raggrupparsi in due macrofamiglie costituite da:

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1. generatore sincrono - ad avvolgimento

- a magneti permanenti (direct drive) 2. generatore asincrono - a gabbia di scoiattolo

- ad avvolgimento Il principio di funzionamento del generatore sincrono ad

avvolgimento si basa su una spira rotante che taglia il campo

magnetico induttore, per cui ai suoi capi risulta disponibile una f.e.m.

alternata. Ai fini della produzione di f.e.m., si può anche tenere fissa la

spira collocandola sullo statore e creare invece un campo magnetico

rotante mediante una o più coppie di poli (con avvolgimenti). La

frequenza e la tensione ai capi della spira sono proporzionali alla

velocità di rotazione del rotore. Infatti se connesso alla rete, per

funzionare alla frequenza di quest’ultima, la turbina deve ruotare ad un

numero di giri costante e pari a

𝑛 = 60 ∗𝑓

𝑝

per questo motivo risulta necessario l’uso di un moltiplicatore

meccanico. Questo tipo di generatore è ad oggi quasi scomparso nelle

macchine eoliche anche perché la sua efficienza è molto inferiore a

quella di aerogeneratori a velocità variabile. Altra tecnologia è quella

utilizzata nel generatore sincrono a magneti permanenti detto anche

“direct drive”.

Il generatore sincrono “direct drive”, ovvero senza moltiplicatore di

giri, è composto da un generatore a magneti permanenti, accoppiato

direttamente alla turbina. Esso risulta essere al momento la soluzione

più performante disponibile sul mercato in quanto, per la grande

flessibilità del sistema di generazione, è in grado di operare a giri

variabili su un ampio campo di velocità.

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Come per il generatore sincrono ad avvolgimento, anche il generatore

asincrono a gabbia di scoiattolo, se collegato alla rete, dovrà ruotare

al numero di giri del sincronismo e dunque necessita di un

moltiplicatore meccanico e di una eccitazione dalla rete. Per rendere

più comprensibile il funzionamento del generatore asincrono, si pensi

dapprima al funzionamento del motore asincrono: il campo rotante

prodotto dalle correnti di statore (induttore) induce negli avvolgimenti

di rotore (indotto) tensione che genera circolazione di corrente,

essendo gli avvolgimenti di rotore chiusi su sé stessi (in cortocircuito).

L’applicazione più diffusa dell’asincrono è il generatore asincrono ad

avvolgimento che consiste nell’utilizzo del generatore accoppiato ad

un sistema di alimentazione rotorica controllata da un convertitore

bistadio AC-DC-AC (la potenza del convertitore è circa il 25-30% di

quella totale del sistema di generazione). In questo modo è possibile

regolare le grandezze elettriche rotoriche per ottenere il valore

richiesto di scorrimento. Tale soluzione tecnologica, molto diffusa negli

aerogeneratori di grande taglia, rappresenta un compromesso, in

termini di costi e prestazioni, fra il generatore sincrono a magneti

permanenti e il generatore asincrono a gabbia di scoiattolo, in quanto è

possibile il funzionamento a giri variabili ma in un campo di velocità

non molto esteso.

Il discorso sui generatori verrà approfondito nel Capitolo 4.

SISTEMA DI CONTROLLO DELLA SOVRAVELOCITà La classificazione dei sistemi di controllo della sopravelocità può essere

raggruppata in due grandi categorie:

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1. Sistemi di Controllo passivo I sistemi di controllo passivo sono quei sistemi che entrano in azione spontaneamente ovvero senza alcuna modificazione dell’assetto geometrico della pala. E’ la stessa velocit del vento ad innescare forze aerodinamiche in grado di ridurre la velocità di rotazione. In questa classe rientrano:

I. Controllo per stallo passivo Le turbine hanno le pale attaccate al mozzo con un angolo fisso. La geometria dell'elica è progettata aerodinamicamente in modo che, quando la velocità del vento diventa troppo elevata, si creino delle turbolenze che ostacolando la spinta sulle pale. La pala è inclinata leggermente lungo il suo asse longitudinale in modo da garantire lo stallo graduale. Questo tipo di controllo è molto semplice anche se richiede un progetto aerodinamico complesso.

II. Controllo per imbardata (yaw controlled)14 Adoperato per posizionare il piano dell'elica ortogonalmente rispetto alla direzione da cui soffia il vento. La turbina ha un errore dell'imbardata se il rotore non è perpendicolare al vento. Essa è libera di ruotare ma la spinta esercitata dal vento fa sì che al crescere della velocit essa abbandoni l’assetto frontale: alla velocità massima la turbina si disporrà quasi parallela al vento (turbina “in bandiera”); in tal caso la potenza si annulla.

2. Sistemi di Controllo attivo

Nei sistemi di controllo attivo rientrano:

I. Pitch Control Viene emanato un ordine agli attuatori che immediatamente ruotano le pale in modo che ricevano un minor vento. Inversamente le pale sono inclinate in modo che ricevano più vento, quando esso cala nuovamente. Le pale devono poter ruotare rispetto ad un asse longitudinale.

L’angolo di “pitch”, o angolo di calettamento, è l’angolo che assume la

pala rispetto al piano di rotazione del rotore e tramite una sua

variazione è possibile regolare l’ incidenza del vento sulla pala e di

conseguenza effettuare una regolazione attiva della macchina.

II. Controllo per stallo attivo

Meccanismo di controllo dell’inclinazione delle pale tecnicamente simile al pitch control, le pale possono inclinarsi per garantire un ragionevole incremento di coppia con venti deboli ma se il generatore sta per sovraccaricarsi, qui sta la differenza, le pale

14 Solo per turbine ad asse orizzontale, serve a mantenere la macchina orientata nella direzione del vento, ma che può anche essere utilizzato, in linea di principio, per il controllo della potenza.

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ruotano nella direzione opposta; in pratica si aumenta l'angolo d'incidenza delle pale sul vento in modo da farle entrare in stallo

per sprecare l'eccesso d'energia del vento. Nei sistemi di controllo per stallo, allo scopo di ridurre la portanza

aerodinamica sulla pala, si agisce sull’angolo di attacco per realizzare

una condizione di minore portanza rispetto a quella di progetto,

aumentando l’angolo di incidenza e quindi mandando in stallo il profilo

alare. Questo può avvenire sia per riduzione del rapporto fra la velocità

tangenziale del profilo e la velocità del vento (stallo passivo) che per

variazione diretta dell’angolo di attacco ruotando le pale intorno al

proprio asse longitudinale variando così l’angolo di attacco del profilo

(stallo attivo). Il “pitch control”, o “regolazione del passo”, è analogo allo

stallo attivo (entrambi rientrano nei sistemi di controllo attivi) con la

differenza che la riduzione di portanza aerodinamica sulla pala si

ottiene riducendo l’angolo di incidenza senza mandare in stallo il

profilo.

Infine nei sistemi di controllo per imbardata, l’angolo di “yaw” è l’angolo

di rotazione della navicella sulla propria torre di sostegno; dal

momento che la macchina deve sempre essere allineata rispetto al

vento, un sistema di movimentazione attivo provvede a movimentare la

navicella a seconda della direzione di provenienza del vento. Tale

sistema di controllo “yaw controlled” è in genere utilizzato solo per

impianti di microgenerazione con turbine ad asse orizzontale ed è

l’unico metodo di regolazione della potenza disponibile per queste

macchine. Tale tecnologia consente regolazioni meno precise rispetto

ai sistemi attivi e non può prescindere dall’utilizzo di freni meccanici o

aerodinamici atti ad arrestare il rotore in caso si voglia interrompere il

funzionamento dell’aerogeneratore in presenza di vento.

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In fig. 21 sono messe a confronto, in funzione della velocità del vento, la curva della potenza disponibile della vena fluida, la curva ideale del limite teorico di Betz della potenza mas-sima estraibile e le curve reali della po-tenza generata in una turbina a controllo pas-sivo dello stallo ed a regolazione dell’angolo di Pitch. Come si può notare, mediante il con-trollo di tale angolo, una volta raggiunta la potenza nominale del generatore elettrico, è possibile mantenerla molto prossima a tale valore fino alla velocità di cut-off.

Al contrario i sistemi di controllo attivo (pitch, stallo attivo) sono in

grado di modificare l’angolo di incidenza della pala e quindi assolvono

anche alla funzione di freno (orientando il profilo aerodinamico in

posizione di bandiera), rendendo superflui dei sistemi di frenatura

aggiuntivi. Questa soluzione tecnologica, più costosa e precisa, è di

solito adoperata su sistemi di classe megawatt

e multimegawatt, essendo sempre possibili

delle eccezioni.

Figura 21

Tuttavia, in ambito mini-eolico per macchine la cui potenza nominale

non superi i 100 kW la differenza di stabilità a regime tra i sistemi di

regolazione attivi e passivi risulta modesta, come dimostra il grafico di

Fig. 22 (Segato, 2009).

Figura 22 - Andamento tipico curva di potenza per aerogeneratori controllati con sistemi attivi rispetto a sistemi passivi

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3.4 Alcune generalità tecniche

Lo strumento utilizzato per la conversione dell’energia eolica:

l’aerogeneratore eolico, trasforma l’energia cinetica del vento in energia

meccanica di rotazione, essa può essere utilizzata in modo diretto dalle

macchine (per esempio pompe d’acqua o mulini a vento) o convertita

in energia elettrica tramite l’utilizzo di un generatore elettrico. Esistono

aerogeneratori diversi per forma e dimensione. Possono, infatti, avere

una, due o tre pale di varie lunghezze: quelli con pale lunghe 50

centimetri vengono utilizzati come caricabatterie, quelli con pale

lunghe circa 30 metri, sono in grado di erogare una potenza di 1.500

kW e oltre, riuscendo a soddisfare il fabbisogno elettrico giornaliero di

circa 5/600 famiglie.

Il tipo più diffuso è l’aerogeneratore di taglia media, alto oltre 50 metri,

con due o tre pale lunghe circa 20 metri. Questo tipo di aerogeneratore

è in grado di erogare una potenza di 500‐600 kW e soddisfa il

fabbisogno elettrico giornaliero di circa 2/300 famiglie. La

conformazione di un terreno influenza la velocità del vento. Più un

terreno è rugoso, cioè presenta variazioni brusche di pendenza, boschi,

edifici e montagne, più il vento incontrerà ostacoli che ridurranno la

sua velocità. In generale la posizione ideale di un aerogeneratore è in

un terreno appartenente ad una bassa classe di rugosità e che presenta

una pendenza compresa tra i 6 e i 16 gradi. Il vento deve superare la

velocità di almeno 5,5 metri al secondo e deve soffiare in modo

costante per gran parte dell’anno. Mentre i migliori siti eolici offshore15

sono quelli con venti che superano la velocit di 7‐8 metri al secondo,

che hanno bassi fondali (da 5 a 40 metri) e che sono situati ad oltre 3

chilometri dalla costa.

15 Con l'espressione "eolico off-shore" si intendono gli impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi, per meglio utilizzare la forte esposizione alle correnti di queste zone.

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L’indicatore solitamente utilizzato per misurare il rendimento degli

impianti è il capacity factor (Cp), calcolato come il rapporto tra

l’energia effettivamente generata in un certo intervallo di tempo e

l’energia che sarebbe prodotta se il generatore operasse alla massima

potenza nel medesimo intervallo di tempo. I valori di riferimento per

gli impianti di ultima generazione hanno raggiunto livelli che oscillano

tra il 25% e il 40%, corrispondenti a un intervallo fra 1.750 e 3.100 full

load hours (ovvero ore equivalenti di funzionamento a regime

dell’impianto lungo un intero anno).

Per quanto riguarda invece la misura della produttività degli impianti,

le grandezze di riferimento sono la power curve, che rappresenta la

relazione tra la velocit del vento e la potenza in uscita, e l’availability

factor, ovvero la “disponibilit” di un impianto per produrre energia. La

power curve “tipica” di un aerogeneratore ha un andamento come

quello riportato in Figura 23.

Figura 23 – La power curve di un aerogeneratore tipo

Su questa curva è possibile individuare dei valori soglia, in relazione

alla velocità del vento, che determinano diversi livelli di produttività: in

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particolare si ha un cut-in speed, solitamente pari a circa 3-4 m/s, che

rappresenta la soglia minima necessaria per generare elettricità, e un

cut-off speed, solitamente pari a circa 20-25 m/s, che è invece la soglia

massima di vento oltre il quale l’aerogeneratore si disattiva

automaticamente per evitare danneggiamenti.

Tra il cut-in speed e il cut-off speed, la potenza generata

dall’aerogeneratore cresce all’aumentare della velocità fino ad arrivare

alla velocit ottimale per la quale l’aerogeneratore è stato progettato

(rated wind speed). Nel tempo la power curve ha subito delle

modificazioni, sia per quanto riguarda i valori soglia (con un

progressivo ampliamento della zona di producibilità), sia per quanto

riguarda la zona di funzionamento a regime, con minori perdite dovute

a velocità del vento soggette a grande variabilità.

Per raggiungere valori di potenza accettabili (pari ad un vento di 10

m/s) sulla terra ferma e in contesto urbano è necessario collocare

l’aerogeneratore ad altezza minima da terra pari a oltre 30 m che si

riducono a soli 15 m se lo stesso impianto viene collocato in zona

costiera e a meno di 10 m se posizionato a qualche decina di metri dalla

costa. Inoltre l’impatto visivo e ambientale di un impianto off-shore è

molto minore. Ancora oggi, tuttavia, l’eolico off-shore sconta lo

svantaggio di costo legato alla complessità della costruzione delle

fondamenta (ad oggi ci si limita a fondali con profondità inferiori ai 20

metri, anche sono state fatte alcune installazioni sperimentali con

profondità di 40 - 50 metri), anche se è recentissima la notizia di un

nuovo tipo di approccio dell’eolico off-shore basato su cuscini

galleggianti ancora tuttavia in fase di studio e sperimentazione.

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3.5 vantaggi dell’energia eolica

In questo contesto diventa prioritaria la ricerca di fonti di energia di

adeguata quantità, compatibilità con l’ambiente e a costi non elevati

che possano in maniera graduale ma sensibile sostituire i combustibili

fossili.

Tra queste fonti di energia, quella eolica, avendo ormai raggiunto un

livello di maturità tecnologica ed industriale elevato, si pone come una

delle strade più promettenti da seguire tra le energie rinnovabili.

Tra i vantaggi dell’energia eolica , si possono elencare i seguenti16:

E’ pulita, il che significa non solo l’eliminazione delle immissioni di composti

inquinanti e di anidride carbonica nell’atmosfera, ma anche l’assenza di rischi di danneggiamento o di degradazione dell’ambiente dovuti all’esplorazione, estrazione, trasporto, elaborazione o smaltimento di combustibili.

E’ economica. Non ci sono costi dovuti al combustibile. Inoltre non ci sono

incertezze né rischi sui costi futuri perché la maggior parte dei costi dell’energia eolica sono fissi e noti a differenza dell’alta variabilit e imprevedibilit dei costi dei combustibili fossili.

E’ indigena. Non c’e’ dipendenza da importazioni. Ciò comporta non avere rischi

sulle forniture elettriche europee, non dover competere in scenari internazionali per fonti distanti, né avere una rilevanza geopolitica del consumo elettrico. Non ci sono dunque i rischi associati all’utilizzo di una risorsa esterna.

E’ inesauribile. Rimuove l’incertezza sulla riduzione delle fonti di energia, riduce la

necessità di investimenti a lungo termine nella ricerca e nello sviluppo di possibili energie alternative.

È strategica. Se ben coordinata e progettata potrebbe garantire la fornitura continua

di corrente riuscendo a rimuovere la dipendenza dai sistemi di stoccaggio dell’energia.

La capacità delle macchine varia da poche centinaia di watt a molti megawatt e ciò può venire incontro alle esigenze sia delle abitazioni private che dell’uso industriale. Inoltre la vita media di una turbina si aggira intorno ai 20 / 25 anni, terminata la quale è semplice smantellare l’impianto e riportare il terreno alle condizioni iniziali.

16 tratti dalla iniziativa «No Fuel » della Associazione Europea di Energia del vento EWEA.

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3.6 Classificazione

IMPIANTI EOLICI

On-shore Terra Near-shore Mare Off-shore

Grid-connected Stand-alone Grid-connected Grid-conn

Micro Mini MW MultiMW Micro Mini MW MultiMW MultiMW

Figura 24 - Sistema di classificazione di impianti eolici

Partendo dalla base dell’albero di Fig. 24 è possibile riconoscere il terzo

livello di classificazione rappresentato da quattro categorie di impianti

eolici in funzione della classe di potenza (nominale):

a) Micro: potenza ≤ 20 kW

b) Mini: 20 kW < potenza ≤ 100 kW

c) Megawatt: 100 kW < potenza ≤ 1.5 MW

d) Multimegawatt: potenza > 1.5 MW

E’ chiaro che l’unione di microaerogeneratori in cluster può dar luogo

ad un sistema minieolico così come cluster di miniaerogeneratori e

Aeromegawatt possono andare a costituire, rispettivamente, impianti

megawatt e multimegawatt (windfarm).

Si noti come, al secondo livello di classificazione esistono 2 differenti

modalità di progettazione: lo stand-alone e il grid-connected.

Il primo prevede la realizzazione di aree isolate energeticamente

autonome, distaccate dalla rete e coadiuvate da un sistema ausiliario

eolico-diesel, pronto ad entrare in funzione in caso di scompensi di

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fornitura elettrica.

Trovandoci, dunque, attualmente nella manifesta incapacità di

progettare aree energetiche isolate che siano scevre dell’uso di

combustibili fossili e la cui economia sia distaccata dall’uso del petrolio

si rende necessario lo sviluppo di impianti decentrati (grid-connected)

rinnovabile-eolici connessi alla rete il cui contributo “verde” sia in

misura crescente con l’aumento dei costi delle risorse fossili fino ad

arrivare al definitivo punto di sganciamento.

Sotto questo aspetto risulta di fondamentale importanza la scelta di

un generatore idoneo, che consenta cioè, una gestione autonoma delle

proprie risorse energetiche, possibilmente che possa lavorare sia in

configurazione grid-connected che in isola.

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CAPITOLO 4 – LA SCELTA DEL GENERATORE Unitamente al rotore il componente più importante del sistema eolico è

il Generatore Elettrico, detto anche alternatore. Si tratta della macchina

elettrica che trasforma energia meccanica fornita dalla turbina in

energia elettrica, è dunque il componente da tenere in maggior

considerazione in quanto da esso dipender l’efficienza

dell’installazione eolica. La corrente che produrrà in output può essere

continua (CC) o alternata (AC), una corrente continua può essere

prodotta da una dinamo oppure raddrizzando per mezzo di diodi una

corrente alternata. Una corrente alternata può essere prodotta da un

generatore sincrono o da un’ asincrono. Sono costituiti da due parti

fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e

rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati detti induttore

e indotto (la loro posizione non è determinata a priori).

Gli alternatori sincroni sono macchine reversibili: possono funzionare

anche come motori (si mettono in moto rotatorio se ricevono energia

elettrica), in essi sullo statore è posizionato l’indotto e sul rotore

l’induttore; quest’ultimo è realizzato con elettromagneti eccitati in CC

(poli). Gli alternatori a magnete permanente utilizzano magneti

permanenti in sostituzione dei poli di eccitazione.

Entreremo ora nel dettaglio delle soluzioni adottate per macchine di

media e grande potenza connesse alla rete elettrica.

Esistono 2 tipi di generatori che normalmente vengono usati per

l’installazione dell’energia eolica: sincroni e asincroni; le loro

particolarit dipendono dall’esistenza di due fattori vincolanti: il primo,

aerodinamico, nasce dalla specificità della turbina: dato che la potenza

fornita dal vento è variabile con il vento le ragioni di efficienza

richiederebbero che anche la velocità di rotazione fosse variata in

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corrispondenza, almeno parzialmente. Il secondo, elettrico, è dovuto al

fatto che il generatore produce una corrente di frequenza

proporzionale al suo numero di giri e ogni variazione si traduce in una

variazione di frequenza. Dato che i due vincoli sono in contrasto le

caratteristiche del generatore dipenderanno dalle soluzioni di

compromesso.

I generatori impiegati nelle macchine eoliche producono corrente

alternata a tensione elevata, generalmente 690 V, che poi viene

ulteriormente elevata con trasformatori ed inviata in rete.

4.1 Aerogeneratori a velocità fissa

In questi tipi di aerogeneratori vengono impiegate, per la conversione

dell’energia meccanica estratta dal vento in energia elettrica, macchine

elettriche ad induzione (macchine asincrone) scelte per la loro

semplicità costruttiva e robustezza, la relativa economicità e per la

semplicità di connessione e disconnessione dalle rete. Di norma sono

preferiti i rotori a gabbia di scoiattolo in quanto più robusti e meno

costosi di quelli a rotore avvolto, preferiti invece negli aerogeneratori a

velocità variabile. Le macchine ad induzione (asincroni) richiedono una

data quantità di potenza reattiva per il funzionamento.

Tale potenza deve essere prelevata dalla rete o fornita localmente da

una batteria di condensatori, la quale deve essere dimensionata

accuratamente per evitare l’auto-eccitazione del generatore sincrono in

caso di disconnessione dalla rete per guasto. Inoltre tali macchine

necessitano di una sorgente esterna a frequenza costante per generare

il campo magnetico rotante e quindi sono connesse a reti con potenza

di cortocircuito elevata in grado di sostenere la frequenza. Raggiunta la

velocità di sincronismo la potenza eolica estratta fa girare il rotore in

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marcia supersincrona a scorrimento negativo, erogando quindi alla

rete potenza attiva. Poiché lo scorrimento ha valore dell’ordine del 2%,

lo scostamento dalla velocità nominale è di fatto molto limitato ed è per

questo che l’impiego di tali macchine elettriche determina il

funzionamento dell’aerogeneratore a velocità costante.

4.2 Aerogeneratori a velocità variabile

Vi sono, almeno il linea di principio, diverse soluzioni che consentono il

funzionamento del rotore a velocità variabile, pur mantenendo la

frequenza costante. Tali soluzioni possono essere sia di natura

meccanica che elettrica, anche se quelle più utilizzate attualmente sono

di tipo elettrico inserendo in particolare una delle seguenti

configurazioni:

generatori asincroni a rotore avvolto con resistore variabile esterno;

generatori asincroni a rotore avvolto con interposto un convertitore di potenza tra rotore e rete (configurazione doubly-fed);

generatori asincroni con interposto un convertitore elettronico di potenza tra statore e rete (configurazione full converter);

generatori sincroni (alternatori) con interposto un convertitore elettronico di potenza tra statore e rete (configurazione full converter).

Nei successivi paragrafi verrà affrontato uno studio mediamente

approfondito sulle diverse modalità di configurazione del generatore,

con un occhio di riguardo a quelle ritenute idonee a lavorare in isola

(stand alone).

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Un generatore sincrono funziona come la dinamo di una bicicletta. Genera corrente in un intervallo di giri piuttosto largo e varia di Volt e Hz, genera corrente già con un numero di giri basso e non necessita di tensione d'avviamento per cominciare a generare. Nel campo eolico tende ad essere usato per riscaldare l'acqua con cartucce elettriche, non dipendendo da un Hz costante poiché produce una promiscua qualità d'energia. Viene anche chiamata “direct drive” per via del suo innesto diretto senza riduttore.

4.3 Generatore sincrono (direct drive) Un campo magnetico rotante induce una corrente alternata nei circuiti

dell’indotto, tale campo magnetico è realizzato alimentando un

elettromagnete solidale al rotore, più sovente nelle applicazioni eoliche

è invece prodotto da un magnete

permanente che non richiede

alimentazione e fornisce un’eccitazione

permanente (alternatore a m.p.).

La frequenza della corrente alternata sarà

proporzionale al numero di giri del

generatore, se perciò si vuol produrre

corrente alternata a frequenza costante

occorre che anche il numero di giri sia

costante.

𝑓 𝐻𝑧 = 𝑝 𝑁𝑔/60

ove p è il numero di poli

Ciò richiede che al variare della velocità del vento si effettui un

controllo del numero di giri della turbina (e dunque del generatore)

mediante regolazione del passo delle pale. Se invece si adotta una

turbina a pale fisse la condizione di λ ottimo si può ottenere solo ad una

specifica velocità del vento.

Il vincolo imposto dalla frequenza ha progressivamente ridotto il

campo di applicazione dei generatori sincroni ad alimentazione diretta,

che oggi vengono adottati solo per centrali che alimentano una rete

locale, perché comunque essi offrono un’importante propriet:

producono potenza reattiva, necessaria alla sincronizzazione della rete.

Perciò nelle reti elettriche locali alimentate da un solo generatore la

macchina sincrona è indispensabile.

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4.1.1 Generatore sincrono ad avvolgimento Rappresenta il generatore sincrono classico; sul rotore, trascinato dalla

turbina, è realizzato l’avvolgimento alimentato dalla corrente continua

di eccitazione che crea un campo magnetico rotante, sullo statore sono

realizzati gli avvolgimenti in numero pari di coppie polari p. La

corrente continua di eccitazione è prodotta da una dinamo o

raddrizzata da una fonte alternata. Si rende necessario un

moltiplicatore perché il numero di poli non può essere molto grande,

essendo p inversamente proporzionale a 𝑁𝑔 si impone un numero di

giri elevato affinchè la frequenza prodotta sia prossima a quella di rete.

Nelle reti isolate tale condizione non è vincolante a patto che non si

voglia alimentare carichi diversi da elementi resistivi. Diversamente è

comunque accettabile una fluttuazione di frequenza di pochi punti %.

Il vincolo della velocità costante costituisce il fattore determinante

nella progressiva scomparsa delle applicazioni eoliche di questo

generatore. La sua bassa efficienza non è competitiva con quella delle

macchine a velocità variabile, tuttavia talvolta potrebbe risultare

determinante il suo inserimento in una rete locale in quanto dispone

dell’indispensabile prerogativa di regolare la potenza reattiva il che

consente il controllo delle reattanze presenti.

Necessita di velocità perlopiù costante Scarsamente efficiente

Produce potenza reattiva

4.1.2 Generatore sincrono a magneti permanenti In questa macchina gli avvolgimenti rotorici alimentati dalla CC di

eccitazione che generano il CEM rotante sono sostituiti da magneti

permanenti. Necessita anche questa come la precedente di una velocità

di rotazione costante per produrre corrente di frequenza costante,

permane dunque il vincolo limitativo del generatore sincrono. Ha il

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vantaggio di non richiedere eccitazione del circuito rotorico ma non

consente in questa configurazione il controllo della potenza reattiva.

Tuttavia il successo di questo generatore è dovuto ad un aspetto di

notevole interesse, il suo accoppiamento alla turbina è diretto anziché

via moltiplicatore, ciò comporta che ruoti ad un numero molto basso di

giri e disponga di un alto numero di poli (anche più di cento coppie

polari) il che fa escludere l’uso di generatori ad avvolgimento perché la

densit di coppia elettrica e l’efficienza sarebbero molto basse .

È invece possibile realizzare macchine molto efficienti adoperando

magneti permanenti ad alte prestazioni ricorrendo ad una

configurazione periferica che consente di disporre di molti magneti su

grandi diametri secondo diverse soluzioni, sono state sperimentate

macchine a flusso radiale (RFPM), radiali a flusso traversale (TFPM) e a

flusso assiale (AFPM). Lo schema più diffuso prevede uno schema di

generatore a m.p. a flusso radiale con magneti orientati

tangenzialmente, a causa dell’accoppiamento diretto con la turbina

offre numero di giri basso e coppia molto elevata.

Il successo di questo generatore è anche dovuto, però, ad un altro

elemento di notevole interesse; al sistema viene combinato un

converter, cioè un dispositivo elettronico di potenza in due stadi: il

primo (rectifier) trasforma la corrente alternata di frequenza e

tensione in corrente continua tramite un raddrizzatore a ponte di diodi,

il secondo (voltage source inverter, VSI), connesso alla rete, trasforma la

CC in alternata con onda quadra alla frequenza e tensione di rete.

Quest’ultimo dispositivo consente il controllo sia della potenza attiva

che della reattiva e seppur con un costo maggiore (trascurabile perché

si elimina il riduttore) ed una sensibile diminuzione di efficienza si

consente di funzionare a velocità variabile in tutto il campo di moto

sfruttando appieno il potenziale eolico liberando il generatore dalla

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necessità di generare onde sinusoidali con tensione e frequenza pari a

quelle di rete perché il converter lascerà passare solo quelle

corrispondenti alla caratteristiche della rete.

Tale configurazione rende questo sistema idoneo a lavorare sia in

configurazione grid-connected che stand-alone.

Idoneo a lavorare in entrambe le modalità di impianto Produce potenza reattiva

Impossibilità di controllare la costanza della frequenza

Generatore sincrono e convertitore (full-converter) Si tratta dello stesso generatore con interposto un convertitore a

gestire la potenza. Lo schema impiantistico viene riportato in Fig.25.

Il campo magnetico di rotore è generato da una corrente continua

circolante negli avvolgimenti di campo che viene fornita da una dinamo

coassiale all’alternatore o prelevata ai morsetti di statore e quindi

raddrizzata da un ponte a diodi. Il movimento del campo magnetico di

rotore rispetto agli avvolgimenti di statore dovuto alla rotazione

dell’albero principale induce una terna di tensioni alternate negli

avvolgimenti di statore con valore efficace proporzionale al flusso

magnetico di rotore ed alla velocità di rotazione. Poiché la frequenza

della forza elettromotrice generata è legata alla velocità di rotazione

tramite la relazione:

𝑁 = 60𝑓/𝑝

il valore efficace della tensione indotta sullo statore è proporzionale al

valore della frequenza con cui è generata. Quando il generatore è

connesso ad un carico (stand-alone o grid-connected) e viene erogata

corrente, questa genera a sua volta nel traferro della macchina un

campo magnetico rotante in sincronismo con il campo induttore, senza

scorrimento relativo. Inoltre se i due campi magnetici sono allineati

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Figura 25 – Schema impiantistico di un generatore sincrono in modalità full-converter

non vi è coppia resistente e pertanto la potenza attiva immessa in rete è

nulla. Viceversa se vi è uno scostamento dovuto ad una coppia esterna

motrice, nasce una coppia elettrica resistente di bilanciamento con

immissione di potenza attiva in rete. Mantenendo costante la potenza

attiva erogata al variare della velocità di rotazione e quindi della

frequenza e della tensione indotta varia la corrente erogata, assumendo

come parametro la potenza attiva erogata, se la tensione indotta supera

la tensione di rete l’alternatore eroga potenza reattiva, mentre, se la

tensione indotta è inferiore alla tensione di rete l’alternatore assorbe

potenza reattiva. Mentre, se la tensione indotta è di valore pari alla

tensione di rete (cosφ=1) si ha il minimo della corrente circolante

nello statore. Come si è già visto le macchine sincrone non sono

intrinsecamente auto avvianti, il campo magnetico induttore sul rotore

viene generato dai magneti permanenti ivi integrati e la tensione

indotta sullo statore non può essere ovviamente regolata agendo sulla

corrente di eccitazione, di conseguenza la tensione ai morsetti del

generatore sarà funzione della sola velocità di rotazione del rotore.

Poiché la frequenza in uscita dall’alternatore dipende dalla velocità di

rotazione del rotore e dal numero di poli, per poter utilizzare il

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generatore sincrono in un turbina eolica a velocità variabile pur

mantenendo costante le frequenza lato rete, occorre interporre un

convertitore di potenza a due stadi che gestisce l’intera potenza

elettrica generata:

nel primo stadio un raddrizzatore a ponte a diodi o controllato a

tiristori converte le grandezze elettriche in uscita dall’alternatore che sono alternate a frequenza variabile in grandezze continue

nel secondo stadio, attraverso un DC link, viene alimentato un inverter che riconverte le grandezze elettriche continue tensione e corrente in grandezze alternate a frequenza di rete

Qualora l’alternatore sia ad eccitazione separata, la regolazione del

valore efficace della tensione generata è effettuata agendo sulla stessa

corrente d’eccitazione; se invece l’alternatore è a magneti permanenti

la tensione può essere regolata nel raddrizzatore o nell’inverter

mediante opportuni accorgimenti (raddrizzatore tramite ponte

controllato, controller PWM17).

L’utilizzo della configurazione alternatore-convertitore di potenza

consente quindi il disaccoppiamento del generatore dalla rete

(riducendo anche gli shock meccanici sulla turbina durante i guasti in

rete). Si ha, inoltre, generazione anche della potenza reattiva desiderata

ed un pieno controllo sulla potenza attiva.

Eroga potenza reattiva Idoneo a lavorare in isola e in grid-connected Necessita di un convertitore grande e costoso

17 Tecnica di modulazione PWM, comporta armoniche di ordine elevato (>20) nella tensione generata dal convertitore elettronico ma permette di ridurre le variazioni di tensione e le armoniche a bassa frequenza. Inoltre consente la possibilità di accettare potenza meccanica variabile in un ampio intervallo di velocità permettendo di sfruttare l’effetto smorzante dell’inerzia meccanica sulle pulsazioni a bassa frequenza della coppia aerodinamica, riducendo in tal modo il flicker.

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Questo tipo di generatori non può produrre corrente se non è prima magnetizzato e quindi bisogna avviarlo come un motore elettrico normale. Il momento in cui il rotore riceve vento sufficiente, tanto da superare il numero di giri del sincrono, allora la macchina comincia a funzionare da generatore e produce corrente continua fino a quando raggiunge il numero di giri critico che normalmente è di 1500g/m.

4.2 Generatore asincrono

Essenzialmente si tratta di un motore trifase ad induzione, a differenza

del generatore sincrono, dove il campo magnetico rotante è prodotto

da una corrente di eccitazione continua esterna, nell’asincrono la

corrente di eccitazione è alternata e autoindotta nel circuito rotorico

che è cortocircuitato. Gli avvolgimenti

statorici sono collegati alla rete e

attraversati dalla corrente alternata a

frequenza fissa. Tale corrente crea

all’interno della macchina un campo

magnetico rotante al numero di giri di

sincronismo imposto dalla frequenza f di

rete:

𝑁𝑠 = 60𝑓/𝑝

Questo campo magnetico concatenandosi con le spire

dell’avvolgimento rotorico, induce in queste una corrente alternata di

frequenza indotta

𝑓𝑖 = 𝑁𝑠 − 𝑁𝑟 𝑝/60

Tali correnti rotoriche originano un campo magnetico che ruota

rispetto al rotore alla velocità |𝑁𝑠 − 𝑁𝑟| e assieme a esso con numero di

giri 𝑁𝑟 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑔𝑖𝑟𝑖 𝑑𝑖 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒 .

Al traferro il campo magnetico indotto sarà dunque sempre sincrono

con quello induttore, ma se 𝑁𝑟 = 𝑁𝑠 cessa l’azione induttrice e gli

avvolgimenti rotorici non saranno alimentati. La differenza tra le due

correnti determina la fase della corrente supplementare che interessa

gli avvolgimenti di statore a causa dell’interazione tra i due campi

magnetici. Poi, una volta raggiunta l’autoeccitazione il sistema si

mantiene da solo.

La caratteristica principale del generatore asincrono quindi consiste

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nel fatto che esso deve ruotare a un numero di giri leggermente

superiore a quello di sincronismo, la differenza relativa 𝑠 = (𝑁𝑟 −

𝑁𝑠)/𝑁𝑠 è detta scorrimento, non deve superare il 10%.

Ma per costringere l’indotto a ruotare a un numero di giri superiore a

quello di sincronismo occorre applicare al suo asse una coppia motrice,

in tal caso la macchina funziona da generatore (𝑁𝑟 > 𝑁𝑠).

Se invece si applica una coppia resistente, il rotore rallenta e si

stabilizza ad un numero di giri inferiore al sincronismo, tale che la

coppia elettromagnetica equilibri la coppia resistente, in tal caso

abbiamo il funzionamento da motore asincrono (𝑁𝑟 < 𝑁𝑠).

In questo caso la corrente statorica supplementare corrisponderà ad

una corrente assorbita dalla rete.

Il generatore asincrono non produce potenza reattiva ma anzi ne

assorbe, ciò lo rende inidoneo ad alimentare un impianto isolato a

generatore singolo. Tuttavia ha un rendimento superiore a quello del

generatore sincrono ed è per questo molto impiegato nelle macchine

eoliche collegate alla rete elettrica, particolarmente negli impianti di

grande potenza. L’asincrono può funzionare solo ad un numero di giri

prossimo al sincronismo pur godendo di un margine fornito dallo

scorrimento, si rende perciò consigliabile l’impiego della regolazione

del passo delle pale per adattare la turbina al vento.

L’impiego di due generatori, uno di potenza nominale, l’altro di potenza

ridotta può consentire in alcuni casi due diverse velocità di sincronismo

e quindi due punti di funzionamento ottimo.

Esistono due versioni principali di generatore asincrono, a seconda del

modo in cui viene realizzato l’indotto. A gabbia di scoiattolo e ad

avvolgimento rotorico.

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4.2.1 GA con rotore a gabbia di scoiattolo Il rotore interno è realizzato con una serie di sbarre di rame

cortocircuitate tra loro, mentre lo statore esterno presenta delle cave

nelle quali sono immersi in resina i circuiti che costituiscono gli

avvolgimenti, quest’ultimi possono essere semplici o doppi.

Nel primo caso, in modo non dissimile dal GS, il rotore deve ruotare al

numero di giri di sincronismo e può quindi essere impiegato solo con

turbine a giri costanti (regolate con stallo), numero di poli non elevato,

assorbe potenza reattiva a dunque presenta il medesimo limite di

applicazione nelle reti elettriche isolate a meno di non inserire in

parallelo al carico un banco di condensatori che riduca la potenza

reattiva assorbita dalla rete rifasando il cosφ su valori di equilibrio.

Nel secondo caso, l’avvolgimento statorico doppio è una soluzione di

compromesso molto impiegata: i due distinti avvolgimenti rotorici

hanno diverso numero di poli e, poiché la velocità di sincronismo è

inversamente proporzionale al numero di poli ne derivano due diverse

velocità di sincronismo e quindi due diversi punti di funzionamento. Il

riduttore resta necessario con questa soluzione che comunque è

adottata in molteplici turbine di potenza non superiore a 1.3 MW.

Con queste soluzioni la macchina può funzionare solo a velocità

praticamente fissa, con valore di scorrimento non superiori a 1-2%,

scorrimenti più elevati fino al 10% sono consentiti solo

transitoriamente.

Deve girare al nr. di giri di sincronismo

Assorbe potenza reattiva Idoneo connesso alla rete, in Isola necessita di un banco di condensatori in parallelo

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4.2.2 GA con rotore ad avvolgimento Sul rotore al posto della gabbia è realizzato un avvolgimento. Soluzione

pratica ed efficiente ma che non consente di controllare la corrente

rotorica e la potenza dissipata per

slittamento. Assorbe potenza

reattiva induttiva necessaria alla

magnetizzazione e ciò lo renderebbe

inadatto a lavorare in isola a meno di

opportuni accorgimenti come

l’inserzione di opportuni banchi di

condensatori, a questo scopo sono

stati approntati degli anelli di slittamento (slip rings), una superficie

anulare conduttiva connessa agli avvolgimenti rotorici. Grazie a tale

predisposizione è stato possibile non solo controllare la potenza dissi-

pata negli avvolgimenti di rotore ma anche variare lo slittamento e la

velocità del rotore fino a ±30%, risulta inoltre possibile il controllo

della potenza reattiva e il funzionamento a cosφ=1 (tensione e corrente

in fase).

4.2.3 Configurazione doubly-fed (DFIG) Una recente evoluzione già molto diffusa commercialmente di questo

generatore è il doubly-fed induction generator (DFIG) o generatore

asincrono a doppia alimentazione. La macchina non viene interfacciata

direttamente con la rete, ma viene interposto un inverter che ha il

compito di convertire alla frequenza di rete tensione e corrente in

uscita dallo statore, al fine di compensare la differenza, in termini di

frequenza, tra la velocità elettrica di statore e la velocità meccanica di

rotore. Questa configurazione permette il funzionamento a velocità

Figura 26 - Rotore avvolto

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Il termine doubly fed (doppiamente alimentato) ri-flette il fatto che la tensione sullo statore è appli-cata dalla rete mentre quella di rotore viene ap-plicata dal con-vertitore.

parzialmente variabile (± 30%). In questo modo è possibile uno

sfruttamento della risorsa eolica più intensivo sia per velocità maggiori

che minori di quella “nominale”. In figura 27 viene presentato un tipico

schema di turbina eolica equipaggiata con generatore DFIG.

Il concetto principale su cui basa il funzionamento del DFIG è che per

ottenere una frequenza costante in uscita dallo statore la frequenza di

rotore deve essere variata dal convertitore in modo da “adattarsi” alla

velocit effettiva di rotazione ω, così da non fare uscire la macchina

dalla sua zona di funzionamento stabile da generatore. L'imposizione

da parte del convertitore RSC di una determinata frequenza agli

avvolgimenti di rotore determina dei flussi di potenza che in base allo

scorrimento possono essere sia entranti (positivi) che uscenti

(negativi); si possono così suddividere due casi che riservano maggiore

interesse, vale a dire il funzionamento subsincrono (s>0, potenza

entrante) e il funzionamento supersincrono (s<0, potenza uscente).

Nel caso di funzionamento subsincrono il rotore gira ad una velocità

minore rispetto a quella del campo rotante. Normalmente, per una

macchina asincrona, questo punto di funzionamento corrisponde al

Figura 27 - Schema di una turbina eolica equipaggiata con generatore DFIG

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funzionamento come motore: per passare a generatore, il DFIG, oltre ad

assorbire la potenza meccanica deve assorbire tramite il rotore anche

la potenza elettrica necessaria a compensare la differenza (in

frequenza) tra la velocità elettrica di statore e la velocità meccanica di

rotore: in questo modo è possibile ottenere un flusso di potenza

uscente dallo statore. Infatti tutte le volte che la macchina lavora in

sottosincronismo il rotore dovrà assorbire potenza (prelevata dai

morsetti di statore tramite il convertitore), mentre quando si trova in

supersincronismo il rotore, insieme allo statore, dovrà erogare

potenza. Perciò in condizioni di sottosincronismo una parte della

potenza, che viene erogata dallo statore, sarà assorbita dal convertitore

di rete.

Il DFIG può riuscire a generare potenza elettrica anche in condizioni di

sub sincronismo: l'aumento (o decremento) di potenza dipende dal

valore assunto dallo scorrimento, pur essendo dimensionato per

sopportare le correnti nominali da un punto di vista termico può

arrivare a erogare una potenza incrementata del 30% circa in

particolari condizioni di scorrimento. E' inoltre possibile fornire in rete,

quando richiesto, elevati valori di potenza reattiva. Lavorando con il

rotore in moto alla velocità di sincronismo ed eccitandolo tramite il

RSC in corrente continua si raggiunge una magnetizzazione con bassa

potenza reattiva; la situazione è analoga a quella di un generatore

sincrono nel suo funzionamento come condensatore rotante, che

contribuisce totalmente alla regolazione della tensione sulla rete senza

generare potenza attiva.

Grazie alla sua versatilità, il DFIG può dunque essere usato anche in siti

dove la velocità media del vento non sia sufficiente per la generazione

tramite macchine asincrone classiche e con alcuni accorgimenti tecnici

si può espandere il campo di utilizzo, mantenendo comunque un

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elevato rendimento anche alle velocità medio-basse. Un enorme passo

avanti per questo tipo di risorsa.

Alta efficienza anche a basso numero di giri

Eroga corrente a frequenza costante Eroga potenza reattiva

Convertitore di ridotte dimensioni Richiede moltiplicatore

Richiede collegamento alla rete (inidoneo in isola)

4.2.4 Configurazione GA e convertitore È possibile utilizzare un generatore asincrono a gabbia di scoiattolo

nelle applicazioni eoliche anche a velocità variabile mediante

l’interposizione di un convertitore elettronico tra il generatore e la rete.

Tale convertitore disaccoppia e svincola la frequenza del campo

magnetico rotante dalla frequenza della rete; la frequenza del campo

magnetico rotante viene quindi modulata per controllare la velocità di

rotazione del rotore. Analogamente alla configurazione doubly-fed, vi è

un sistema elettronico di potenza, ma posto sullo statore del

generatore. Il convertitore deve, a differenza della configurazione

precedente, deve gestire la totalità della potenza generata ed è quindi

più grande e costoso. Essendo un generatore ad induzione necessita

comunque di assorbire potenza reattiva per il funzionamento, la quale

può essere fornita dal convertitore stesso.

Richiede collegamento alla rete

Convertitore di grandi dimensioni Possibilità di modulazione

4.3 In sintesi

Dunque per quanto riguarda quel che ci offre la tecnologia della

conversione elettromeccanica, come già spiegato dettagliatamente, due

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tipi di turbine si dividono il mercato: quelle a velocità fissa (40%), da

sempre presenti, e quelle a velocità variabile (60%), di recente

sviluppo, equipaggiate con generatore asincrono a doppia

alimentazione (Doubly Fed Induction Generator, DFIG) per il 45% del

mercato e con generatore sincrono per il 15% del mercato.

Nell’immagine di Fig. 28 ne sono riportati gli schemi realizzativi.

Figura 28 - Tipologie dei sistemi di generazione eolica a velocità fissa/variabile più diffusi

Nella tecnologia a velocità fissa, le turbine, normalmente dotate di

generatori asincroni a gabbia di scoiattolo, consentono di ottenere

rendimenti elevati soltanto in prossimità della velocità nominale del

vento con scorrimenti dell'1-2% circa; scorrimenti più elevati (10%) si

possono accettare solo transitoriamente per ridurre le sollecitazioni

sugli organi meccanici, come nel caso di improvvise raffiche di vento.

Un miglioramento, dal punto di vista del rendimento alle basse velocità

del vento, si ottiene con i sistemi a due velocità: in questo caso, le

turbine sono equipaggiate con generatore asincrono ed avvolgimenti a

doppio numero di poli oppure con due generatori asincroni di diversa

potenza e moltiplicatore di giri a doppio rapporto, per sfruttare in

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maniera soddisfacente sia la velocità nominale sia le basse velocità del

vento.

Nella tecnologia a velocità variabile, utilizzata con potenze più elevate

(fino a qualche megawatt), l’intervallo di velocit è ampio (superiore a

± 30% del valore nominale arrivando a 15 - 45 rpm). La proprietà più

interessante è che esse presentano rendimenti elevati anche per

velocità del vento medio-basse (4 – 8 m/s), tipiche ad esempio delle

regioni italiane. Se si adotta la soluzione del generatore sincrono la

potenza del convertitore elettronico, che raddrizza la tensione

alternata a frequenza variabile (AC-DC) e inverte la tensione continua a

frequenza di rete (DC-AC), deve essere pari all’intera potenza prodotta

dallo statore del generatore; si ha tuttavia il vantaggio di non dover

ricorrere a un moltiplicatore di giri. Se si impiega invece il generatore

DFIG, la potenza del convertitore elettronico è solo quella di

scorrimento che transita dal rotore verso la rete in funzionamento

super-sincrono e dalla rete verso il rotore in funzionamento sotto-

sincrono: si ha così una potenza di dimensionamento molto minore

(circa il 30%), che si traduce in minori perdite e risparmio sul costo.

Diventa però necessario l’uso di un moltiplicatore di giri. Dal punto di

vista della “qualità di potenza” verso la rete, va segnalato che con

entrambi i tipi di generatore è possibile regolare in modo separato le

potenze attiva e reattiva, garantendo un fattore di potenza unitario per

il generatore ed eventualmente compensando anche altri assorbimenti

di tipo induttivo.

Le prime turbine realizzate sia orizzontali sia verticali utilizzavano un

generatore asincrono che presenta la costanza della frequenza,

parametro indispensabile per l’immissione di elettricit nella rete

elettrica, indipendentemente dalla velocità di rotazione delle pale

(purché essa sia superiore a quella di sincronismo); questa

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sembrerebbe la scelta più naturale per un impiego del genere, vista la

non costanza della velocità di rotazione. Lo svantaggio risiede nella

necessità di adoperare un moltiplicatore di giri, molto costoso, fonte di

molto rumore che introduce perdite meccaniche e possibilità di rotture

ma conferisce al tempo stesso il vantaggio di non utilizzare un

generatore enorme, per le troppe coppie polari, ed evita alle pale di

dover ruotare troppo velocemente. Il generatore sincrono, spesso a

magneti permanenti, si trova a generare elettricità a frequenza del

tutto variabile. Se questo poteva apparire un impedimento

insormontabile anni addietro (infatti le turbine ad asse orizzontale con

generatore sincrono erano più costose e più pesanti rispetto a quelle

con generatore asincrono), con l'evolversi dei dispositivi soprattutto in

termini di potenze, costi e peso è risultato molto più naturale e

vantaggioso disporre di questi generatori affiancati da un raddrizzatore

e da un inverter, che provvedono a raddrizzare in ingresso la corrente a

frequenza variabile, trasformandola in continua e operando una nuova

riconversione da continua in alternata a frequenza di rete.

Nel prossimo capitolo verranno condotte simulazioni con i due

generatori esaminati e ritenuti maggiormente idonei alla conversione

elettromeccanica della potenza in regime variabile avvalendoci di dati

anemometrici registrati in una generica zona della Basilicata.

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CAPITOLO 5 – SIMULAZIONE Dal punto di vista della risorsa eolica, bisogna subito chiarire che i siti

candidati a ospitare impianti eolici devono presentare una velocità del

vento media superiore a 5 m/s, tenendo presente che con velocità del

vento di 20 m/s la densità di potenza della risorsa eolica si avvicina a 5

𝑘𝑊 𝑚2 . In Europa si riscontra una prevalenza di questi siti nel Mare

del Nord e quindi i Paesi più favoriti sono, oltre alla Danimarca e alla

Germania, la Gran Bretagna, la Francia e la Norvegia. In Italia i siti più

ventosi si trovano in Puglia, in Sardegna, in Sicilia e sull'Appennino,

come si evince dall’Atlante Eolico Italiano, disponibile sul “web”18.

In una generica zona della Basilicata sono state condotte analisi

anemologiche durate 9 mesi, dal 3 Dicembre 2011 al 22 Settembre

2012; grazie all’uso di un doppio anemometro collocato alle altezze di

13 e 20 metri è stato possibile estrarre i valori medi del vento ogni 10

minuti raccogliendo circa 43'000 dati. Tali valori sono stati dapprima

raccolti ed analizzati con il software Microsoft Excel con cui sono stati

ricavati i valori in Tabella 4:

Tabella 4 – Valori delle misurazioni anemometriche con i due anemometri, in m/s

Dic 2011

Gen 2012

Feb 2012

Mar 2012

Apr 2012

Mag 2012

Giu 2012

Lug 2012

Ago 2012

Set 2012

Media1 5,60 5,23 4,722 4,475 4,978 4,487 3,676 4,048 3,556 3,546

Media2 3,725 4,344 4,071 3,814 4,216 3,698 2,999 3,273 3,021 2,792

𝑽𝒎𝒂𝒙1 21,6 19,6 13,6 14 20,3 13,6 12,2 13,7 12,2 9,8

𝑽𝒎𝒂𝒙2 17,1 16,9 12 13 17,5 12,6 9,3 10,9 11,1 9,1

Media1: velocità media registrata dal primo anemometro (20 metri) Media2: velocità media registrata dal secondo anemometro (13 metri) 𝑽𝒎𝒂𝒙1: velocità media massima registrata dal primo anemometro 𝑽𝒎𝒂𝒙2: velocità media massima registrata dal secondo anemometro

18 http://atanteeolico.rse-web.it/viewer.htm

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in seguito, avvalendoci del software Windographer Professional19 è

stato possibile estrarre le curve di frequenza relative ai due

anemometri, interpolate secondo la distribuzione di Weibull, e i profili

diurni medi del vento relativi ad ogni mese.

5.1 Curve di frequenza

Il più adoperato e affidabile modello matematico per rappresentare

una distribuzione statistica di densità di frequenza del vento è quello di

Weibull. Si tratta di un modello a due parametri, ossia richiede la

conoscenza di due proprietà locali: il parametro di forma k e il

parametro di scala c. Il parametro c viene calcolato con la formula

seguente:

𝑉 = 𝑐Γ(1

𝑘+ 1)

dove:

𝑉 è 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜

Γ è 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎

k è il parametro di Weibull

Il parametro di forma adimensionale k è invece un parametro empirico,

esso dipende solo dalla irregolarit del vento e rappresenta l’ampiezza

della distribuzione, valori bassi (tra 1 e 1,5) corrispondono ad ampie

distribuzioni in cui la velocità del vento tende a variare notevolmente.

Entrambi i parametri sono stati calcolati secondo il metodo della

massima verosimiglianza e valutati mese per mese.

Gli istogrammi seguenti rappresentano la densità di frequenza della

velocit del vento interpolate secondo Weibull, sull’asse delle ordinate

19 Periodo di prova di 14 giorni

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si legge la frequenza percentuale di densità di vento, sulle ascisse gli

intervalli di velocità.

Vento 1 Dicembre 2011 Vento 2

k=1,59; c=6,41 m/s k=1,24; c= 4,03 m/s Gennaio 2012

k=1,67; c=5,82 m/s k=1,68; c=4,92 m/s

Gli intervalli lungo le ordinate sono di 1 punto percentuale, lungo le

ascisse di 0,5 m/s.

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Dec 2011

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.59, c=6.41 m/s)

0 5 10 15 200

5

10

15

20

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Dec 2011

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.24, c=4.03 m/s)

0 5 10 15 200

2

4

6

8

10

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Jan 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.67, c=5.82 m/s)

0 5 10 15 200

2

4

6

8

10

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Jan 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.68, c=4.92 m/s)

Page 80: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

- 80 -

Vento 1 Febbraio 2012 Vento 2

k= 1,83; c=5,24 m/s k=1,72; c=4,42 m/s Marzo 2012

k=1,89; c=5,07 m/s k=1,92; c=4,33 m/s Aprile 2012

k=1,49; c=5,66 m/s k=1,63; c=4,82 m/s

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Feb 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.83, c=5.24 m/s)

0 3 6 9 120

2

4

6

8

10

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Feb 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.72, c=4.42 m/s)

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Mar 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.89, c=5.07 m/s)

0 2 4 6 8 10 12 140

3

6

9

12

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Mar 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.92, c=4.33 m/s)

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Apr 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.49, c=5.66 m/s)

0 5 10 15 200

2

4

6

8

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Apr 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.63, c=4.82 m/s)

Page 81: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

- 81 -

Vento 1 Maggio 2012 Vento 2

k=2,06; c=4,94 m/s k=2,26; c=4,13 m/s Giugno 2012

k=1,93; c=4,27 m/s k=2,15; c=3,47 m/s Luglio 2012

k=1,94; c=4,39 m/s k=1,98; c=3,53 m/s

0 2 4 6 8 10 12 140

3

6

9

12

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, May 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=2.06, c=4.94 m/s)

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

12

14

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, May 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=2.26, c=4.13 m/s)

0 2 4 6 8 10 12 140

3

6

9

12

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Jun 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.93, c=4.27 m/s)

0 2 4 6 8 100

4

8

12

16

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Jun 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=2.15, c=3.47 m/s)

0 2 4 6 8 10 12 140

3

6

9

12

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Jul 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.94, c=4.39 m/s)

0 3 6 9 120

2

4

6

8

10

12

14

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Jul 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.98, c=3.53 m/s)

Page 82: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

- 82 -

Vento 1 Agosto 2012 Vento 2

k=2,1; c=4,14 m/s k=2,27; c=3,56 m/s Settembre 2012

k=1,86; c=3,83 m/s k=1,77; c=3,05 m/s

5.2 Profilo diurno medio

Di seguito viene riportato l’andamento medio del vento suddiviso nei 9

mesi di registrazione lungo le 24 ore giornaliere. Lungo le ordinate è

riportata la velocità del vento in m/s, lungo le ascisse il tempo in ore

giornaliere.

0 2 4 6 8 10 12 140

3

6

9

12

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Aug 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=2.10, c=4.14 m/s)

0 3 6 9 120

4

8

12

16

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Aug 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=2.27, c=3.56 m/s)

0 3 6 9 120

3

6

9

12

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Sep 2012

Velocità Vento 1 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.86, c=3.83 m/s)

0 2 4 6 8 100

2

4

6

8

10

12

14

Fre

qu

en

cy (

%)

Probability Distribution Function, Sep 2012

Velocità Vento 2 (m/s)

Actual data Best-f it Weibull distribution (k=1.77, c=3.05 m/s)

Page 83: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

- 83 -

Ve

loci

tà d

el

ve

nto

(m

/s)

Dicembre Gennaio

Febbraio Marzo

Aprile Maggio

Si può notare come il momento più ventoso della giornata sia

mediamente compreso tra le prime ore del mattino e il mezzogiorno,

inoltre, come sarà evidente più avanti, i mesi più ventosi che offrono il

maggior contributo energetico sono Aprile con un coefficiente di

potenza pari a 25,6, Gennaio con il 22,6, Dicembre con il 22,1, Maggio

con un 18,2, Febbraio e Marzo con una percentuale circa pari al 17,9.

(Fig. 30, settima colonna)

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Dec

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Jan

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Feb

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Mar

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Apr

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7May

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- 84 -

Giugno Luglio

Agosto Settembre

Con questi dati sarebbe teoricamente possibile valutare la sostenibilità

di un’area isolata con la sola energia eolica distaccata finanche dall’uso

di batterie e/o accumulatori, disponendo della sola curva di consumo

che dovrebbe fornire l’Ente dispacciatore, nel caso dell’Italia, l’Enel.

Non avendo a disposizione tale dato si procederà “virtualmente”

simulando l’operativit di una turbina equipaggiata con il generatore

che ha offerto le migliori garanzie secondo questo studio sia dal punto

di vista della connessione in rete (grid-connected) che da quello

dell’alimentazione di un’area isolata (stand-alone): il sincrono a

magneti permanenti.

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Jun

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Jul

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Aug

0 6 12 18 240

1

2

3

4

5

6

7Sep

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- 85 -

5.3 Scelta della turbina

La scelta della turbina è caduta sulla Northern Power NW100/21 dotata

di sincrono a magneti permanenti direct drive di cui si elencano le

caratteristiche tecniche20:

Tabella 5 – Caratteristiche tecniche

Modello Northern Power 100-21

Classe di progetto IEC IIA (veloc. media annua vento inferiore a 8,5 m/s, raffiche di vento di picco/50 anni inf. a 59,5 m/s)

Vita progetto 20 anni

Diametro rotore 21 metri Altezza navicella 37 m / 30 m / 23 m Tipologia torre Palo tubolare in acciaio

Orientamento Controvento Controlli Attivi, elettromeccanici guidati dai sensori di

velocità e direzione del vento Regolazione potenza Controllo di stallo a velocità variabile

Velocità del vento nominale 14,5 m/s Velocità di cut-in 3,0 m/s

Velocità di cut-out 25 m/s Velocità di sopravvivenza 59,5 m/s Tipologia moltiplicatore di giri Nessuno (trasmissione diretta direct drive)

Tipologia generatore A magneti permanenti con raffreddamento passivo

Sistema di frenatura ridondato (secondo IEC 61400-1) F

Freno elettromeccanico del generatore e multiple pinze freno azionate a molla

Potenza elettrica nominale 100 kW, trifase, 400 VAC, 50 Hz Tipologia controller Piattaforma integrata a multiprocessore

basato su DSP Tipologia convertitore Convertitore di frequenza IGBT con

tecnologia PWM Fattore di potenza Set-point regolabile tra 0,9 ritardato e 0,9

anticipato Potenza reattiva +/- 45 kVAR

Livello rumore apparente Inferiore a 55 dBA a 40 metri Intervallo temperatura: in funzionamento da -20 °C a 50 °C

Il calcolo della velocità del vento alla quota di lavoro della turbina è

stato eseguito attraverso l’estrapolazione verticale tenendo conto della

norma IEC 61400-121 che prevede l’uso della seguente equazione, detta

power law:

𝑉𝑧 = 𝑉𝑟𝑖𝑓 (𝑧 𝑧𝑟𝑖𝑓 )∝

20 Tratte da da http://www.northernpower.com/global/documents/NPS100-21_SpecSheet_EU-A4_Italian_2013.pdf 21 http://www.windpower.org/download/461/Introduction_to_the_IEC.pdf

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- 86 -

Figura 29

dove:

𝑉𝑧 : velocit del vento all’altezza incognita

𝑉𝑟𝑖𝑓 : velocit del vento misurata all’altezza 𝑧𝑟𝑖𝑓 di riferimento

l’esponente α (coefficiente di Helmann) dipende da numerose variabili

quali l’altitudine, l’ora del giorno, la stagione, la scabrezza del suolo;

può essere determinato desumendolo da opportune tabelle calibrate

empiricamente secondo la tipologia di terreno (il coefficiente varia da

“Aria instabile su mare aperto” α=0.06 a “Aria stabile su area abitata”

α=0.6) oppure mediante calcoli algebrici calibrati a considerare il

coefficiente medio della giornata, della settimana, del mese o dell’intero

set di dati. Al fine di una maggior semplicità di calcolo si è provveduto a

valutare l’esponente medio lungo l’intero set di dati in modo che la

legge di potenza approssimasse meglio la curva di frequenza, è stato

così calcolato il valore α=0.484.

L’estrapolazione verticale è stata eseguita alla quota di lavoro della

turbina di 37 metri. La densità standard dell’aria a 1.225 𝑘𝑔 𝑚3 .

I risultati della prova condotta al simulatore sono illustrati in Fig. 30 e

sono i seguenti:

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- 87 -

Figura 30 - Produzione annua turbina Northern Power NW100/21

Come si legge dall’immagine di Fig. 30 in corrispondenza della riga

gialla la produzione annua di questa turbina, classificabile nel

minieolico, è in grado di sostenere una produzione di 156'094

𝑘𝑊𝑕 𝑎𝑛𝑛𝑜 che, considerando una opportuna approssimazione dei

mesi Ottobre e Novembre non pervenuti, potrebbe aggirarsi intorno ai

170 𝑀𝑊𝑕 𝑎𝑛𝑛𝑜 .

Se si considera che, in base a dati Istat del 201122, il consumo medio

energetico di ogni utenza del capoluogo lucano è stato di 2023.4

𝑘𝑊𝑕 𝑎𝑛𝑛𝑜 si calcola come tale consumo sia agevolmente sostenibile

più di 80 volte dalla produzione di questa turbina.

Ciò induce a pensare che basterebbe un parco eolico modesto di questo

tipo di turbine non particolarmente invasive per alimentare un’area

isolata di un migliaio di abitanti sia in configurazione grid-connected

che, eventualmente, stand-alone.

5.4 Raffronto economico

Un impianto di una sola turbina avrebbe un costo medio di 380’000 €

22 http://dati.istat.it/Index.aspx?DataSetCode=DCCV_CNSENRG

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- 88 -

più IVA23, immaginando di poterlo equidistribuire spalmandolo sul

numero di 80 famiglie ne risulterebbe un costo una tantum di circa

5’000 € a famiglia più l’eventuale manutenzione di altri 5'000 € l’anno.

Dall’analisi è escluso l’ammortizzamento economico dovuto

all’eventuale immissione in rete del surplus, decisione comunque

valutabile anche a posteriori.

Volendo investire, dunque, a valle di una soddisfacente analisi

anemometrica e immaginando una sostanziale autonomia energetica,

questa soluzione potrebbe rappresentare un’ulteriore passo in avanti

lungo la strada del decentramento energetico e sfruttamento delle sole

risorse locali.

5.5 Conclusioni

In questo studio si è cercato di dimostrare, anche se solo teoricamente,

come un parco eolico modesto sia sufficiente ad alimentare un’area

isolata di una contrada o piccolo paese come numerosi ce ne sono in

Basilicata, anche collocati in aree decentrate, disponendo delle sole

nostre risorse eoliche finanche svincolati da dispositivi di stoccaggio di

energia e tecnologie affini (fotovoltaico). Il tipo di impianto di

collegamento, se in rete o in isola, si presterebbe ad una progettazione

anche successiva (una volta verificata la non sufficiente copertura o i

frequenti sbalzi di fornitura elettrica) grazie alla duttilità del

generatore sincrono direct-drive permanent magnet generator (PMG).

Da notare che l’eventuale uso dei più efficienti generatori asincroni in

impianti di tipo grid-connected prevedrebbe una erogazione di potenza

reattiva (necessaria ad eccitare l’indotto) da parte della rete che il

Dispacciatore potrebbe non fornire a titolo di cautela a causa di

eventuali troppi contributi di potenza intermittente in quanto poco 23 http://www.purenergy.it/mini-eolico/northern-power-60-100

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- 89 -

gestibili e potenzialmente forieri di squilibri energetici, l’Ente

erogatore nazionale infatti prevede la possibilità di un numero di

agganci non superiore ad un certo limite proprio per non gravare la

linea elettrica di perdite dovute ad uno sfasamento non gestibile.

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- 90 -

Bibliografia [1] Risorse e consumo di energia nel mondo. (s.d.). Tratto da http://it.wikipedia.org/wiki/Risorse_e_consumo_di_energia_nel_mondo

[2] http://www.nature.com/nclimate/journal/vaop/ncurrent/full/nclimate1683.html [3] Tratto da Statistical Review of World Energy 2011. http://www.bp.com/assets/bp_internet/globalbp/globalbp_uk_english/reports_and_publications/statistical_energy_review_2011/STAGING/local_assets/pdf/statistical_review_of_world_energy_full_report_2011.pdf. [4] Tratto da http://energyviews.enel.it/?p=1018

[5] World Energy Consumption by Fuel 1990-2035. (s.d.). Tratto da http://commons.wikimedia.org/wiki/File:World_energy_consumption_projection_1995-2011.png [6] BP. (s.d.). Statistical Review of World Energy 2013. Tratto da http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/statistical-review/statistical_review_of_world_energy_2013.pdf

[7] http://www.eia.gov/analysis/studies/worldshalegas/

[8] Terzi, R. (s.d.). Mercato del petrolio, geopolitica e fondamentali: uno scenario in cambiamento. Tratto da http://www.ambientediritto.it/dottrina/Politiche%20energetiche%20ambientali/politiche%20e.a/mercato_petrolio_terzi.htm [9] Verda, M. (s.d.). Sicurezzaenergetica. Tratto da http://www.sicurezzaenergetica.it/wp-content/uploads/2012/07/PEC_e_dipendenza.xls [10] Elaborazione Grafica. (s.d.). Tratto da http://www.sicurezzaenergetica.it/wp-content/uploads/2012/07/dipendenza_mini.png [11] Tratto da http://cdn.blogosfere.it/ecoalfabeta/images/gennaio%202011/Prezzi%20alimentari%20petrolio-anteprima-450x283-232284.jpg [12] Il petrolio e gli alimenti. (s.d.). Tratto da http://www.comedonchisciotte.org/site/modules.php?name=News&file=print&sid=3868 - [13] Donella e Dennis L. Meadows, J. R. (1972). The Limits to Growth. I limiti dello sviluppo. Mondadori. [14] Daly, H. (1990). Toward Some Operational Principles of Sustainable Development. Ecological Economics , pp. 1-6.

Page 91: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

- 91 -

[15] http://assets.wwf.ca/img/original/lpr2010_figure2.jpg Tratto da Il cibo sul pianeta varia in base al petrolio. (s.d.). Tratto da http://ecoalfabeta.blogosfere.it/2011/02/il-cibo-sul-pianeta-non-e-mai-stato-cosi-caro-come-oggi.html - Living Planet Report. (2010). Tratto da http://awsassets.wwf.ca/downloads/lpr2010.pdf

[16] Benetazzo, E. (2007). La farsa delle energie alternative. Tratto da Disinformazione.it: http://www.disinformazione.it/farsa_energie_alternative.htm

[17] IEA. (2013). Technology Road Map: Wind Energy 2050. Tratto da http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/Wind_2013_Roadmap.pdf

[18] Global Wind Energy Outlook 2010. Tratto da Global Wind Energy Council http://gwec.net/wp-content/uploads/2012/06/GWEO-2010-final.pdf

[19 ]Ecoalfabeta. (s.d.). Previsioni di crescita per l'eolico: energia. Tratto da http://cdn.blogosfere.it/ecoalfabeta/images/gennaio%202011/Previsioni%20eolico%202010-anteprima-450x325-236128.jpg [20] WorldWindEnergyAssociation (2012). Half-year report http://www.wwindea.org/webimages/Half-year_report_2012.pdf

Testi consultati:

“Sistemi di conversione eolica” - Rodolfo Pallabazzer

“I nuovi limiti dello sviluppo” - Donella e Dennis Meadows, Jorgen Randers “Studio ed ottimizzazione del sistema di avviamento di un aerogeneratore ad

asse verticale” - Riccardo Nasolini (2012) – Unibo: Tesi di Laurea “Il minieolico: tecnologia ed applicazioni” - Natale d’Armetta (2005) – Unipa:

Tesi di Laurea “Generatore asincrono a doppia alimentazione” - Tomas Pradella (2010)-

Unipd: Tesi di Laurea “Valutazione del potenziale energetico e impatto sulla rete elettrica di

impianti eolici” - Alessandro Segato (2009) – Unipd: Tesi di Laurea “Scelta e installazione delle mini turbine eoliche” – Dott. Ing. Lorenzo Battisti –

DIMS Università di Trento – www.qualeenergia.it “Toward Some Operational Principles of Sustainable Development” in

“Ecological Economics” – Herman Daly

Riferimenti on-line

it.wikipedia.org

Key World Energy Statistics 2012 U.S. Energy Information Administration - www.eia.gov

La Geopolitica dei Paesi esportatori di petrolio e gas - http://www.treccani.it/export/sites/default/Portale/sito/altre_aree/Tecnologia_e_Scienze_applicate/enciclopedia/italiano_vol_4/401-422_x8.1x_ita.pdf

Page 92: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

- 92 -

Statistical Review of World Energy 2011 Statistical Review of World Energy 2012

World Energy Outlook 2012 Data Book 2013

Quaderni di applicazione tecnica N.13 “Impianti Eolici” - http://www.orizzontenergia.it

http://www.indexmundi.com/map/?l=it http://www.nature.com/

dgerm.sviluppoeconomico.gov.it

APPENDICE Si elencano le turbine dotate di generatore sincrono direct drive a

magneti permanenti (PMG permanent magnet generator) conosciute

fino al 2013, ordinate per diametro di rotore.

Direct Drive PMG System Turbines Turbines Diameter

[m]

Power

[kW]

ENERCON E-112 114.0 4500

ENERCON E-70 E4 71.0 2300

Harakosan (Zephyros) Z72 70.0 2000

ENERCON E-66 70.0 1800

MTorres TWT 1650/78 78.0 1650

MTorres TWT 1650/70 70.0 1650

VENSYS 70 70.0 1500

VENSYS 77 77.0 1500

Leitwind LTW 77 77.0 1350

VENSYS 64 64.0 1200

VENSYS 62 62.0 1200

Leitwind LTW 61 61.0 1200

ENERCON E-58 58.0 1000

Jeumont J53 53.0 750

Unison U50 750 kW 50.0 750

ENERCON E-48 48.0 800

Jeumont J48 48.0 750

ENERCON E-33 33.4 330

Subaru 22/100 (FUJI) 22.0 100

Northern Power NW

100/21

21.0 100

Page 93: CAPITOLO 1 L’ N RGIA N L MON O - 4old · classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica) che fonti esauribili, come

- 93 -

Ai fini della ricerca dell’indipendenza energetica si segnalano turbine di

nuova generazione appartenenti alla classe micro-eolico (<20kW)

appositamente disegnate per utenze domestiche, tra le quali

segnaliamo le Revolutionair 400 e Revolutionair 1000 della Pramac

Spa.

Ringraziamenti Perché si sia potuta compiere questa opera sono stati necessari sforzi e

sacrifici consistenti non solo da parte mia, per questo ringrazio i miei

genitori per il sostegno economico, mio padre per quello che mi ha

fatto passare rendendomi più forte, mia madre per non aver mai

smesso un attimo di credere in me, i nonni Salvatore e Rosa per avermi

dato accoglienza e sostegno nel momento più difficile, gli amici che, in

questi anni, pur avvicendandosi in presenza fisica non mi han mai

negato supporto e sostegno morale: Frank Lucia, Adriano Gianfredi,

Domenico Petruzzi, Lucio Santoro, Mariella Mecca, Rocco Marrese,

Rocco Piccirillo, Michele Verrastro.

Ringrazio inoltre il Prof. Bonfiglioli per la paziente assistenza e l’Ing.

Vito Filippi per la gentile concessione dei dati su cui ho lavorato.