4/10 - Wind energy - Fundamentals of Energy Technology (Italian)

S E M I N A R I O D I E N E R G E T I C A
d o t t . R i c c a r d o M a i s t r e l l o
I T I S G . M a r c o n i ( V e r o n a )
m e r c o l e d ì 2 1 m a r z o 2 0 1 2 , a u l a 1 1 0
Lezione nr. 3
ENERGIA DAL VENTO
Seminario di Energetica – ITIS G. Marconi (VR) – dott. Riccardo Maistrello

Cenni storici
 E‟ da almeno 3000 anni che l‟uomo sfrutta
l‟energia posseduta dal vento.
 Fino al XX sec. questa veniva utilizzata per
azionare pompe idrauliche e macine.
 Agli inizi della moderna era industriale si
perse interesse per l‟intermittente e scostante
energia del vento, preferendole motori
azionati da combustibili fossili o, più
recentemente, da energia elettrica.

Cenni storici
 Negli anni „70, con il prezzo del greggio alle
stelle, l‟interesse per le fonti rinnovabili
riemerge.
 Ma c‟è una novità: l‟interesse e‟ ora rivolto alla
generazione elettrica e non più agli impieghi
“meccanici” dell‟energia del vento. Il consumo
energetico si fa più raffinato e l‟attenzione si rivolge a fonti
e vettori più pregiati.
 Negli anni „90 l‟eolico è il grande protagonista
della riscossa delle rinnovabili e nell‟ultimo
decennio del XXI sec. la potenza installata
raddoppia ogni 3 anni.

Cenni storici
 Oggi (2011) l‟elettricità da eolico ha costi di generazione sui 5-7
c€/kWh (Nord Europa) e sugli 8-9 c€/kWh (Italia), un valore
molto vicino a quello della generazione termoelettrica
tradizionale (4-6 c€).
 In Italia la potenza installata è cresciuta da 1 GW (Gen/2008) a
4,85 GW (Dic/2009) per arrivare a 5,8 GW nel 2010.
 Dopo il boom 2008-2009, la diffusione di nuovi impianti eolici
sta rallentando in Italia, anche a causa della corsa agli
investimenti sul solare e, in particolare, al fotovoltaico.

Origine del vento
 Il riscaldamento della Terra da parte del sole avviene
disomogeneamente, e produce gradienti di temperatura tra zone
differenti del pianeta.
 I venti sono masse d’aria che si spostando dalle zone ad Alta
Pressione verso zone a pressione più bassa (configurazione
di minima energia).
 A complicare il tutto, la forza di
Coriolis (causata dalla rotazione
terrestre) devia il moto delle correnti.
(questo a livello globale)

Celle climatiche e venti

Potenza del vento
 A livello locale ostacoli come colline, montagne ed edifici o la
presenza di città, fiumi, laghi e mari influenzano la dinamica del
moto dei venti e ne modificano le traiettore e le caratteristiche
termodinamiche.
 In condizioni normali l‟aria contiene approssimativamente
78,08% di azoto (N2), 20,94% di ossigeno (O2), 0,93% di argon
(Ar), 0,04% di biossido di carbonio (CO2) e tracce di altri gas.
 In prima approssimazione, trattando l‟aria come un gas perfetto
valgono le leggi di Boyle e Gay-Lussac.
 Fluido perfetto -> densità costante, viscosità nulla

Potenza del vento
 Legge di Boyle
Se la temperatura e’ costante
v * p= cost.
 Leggi di Gay-Lussac
A pressione costante
V = V(0) + (1 + ∂ Tc)
A volume costante
p = p(0) + (1 + ∂ Tc)
 Equazione dei gas ideali
p * v = n R T
v = volume
p = pressione
Tc = temperatura in Celsius
T = temperatura in Kelvin
n = numero di moli
R = costante universale

Potenza del vento
 Si stima che il sole invii alla Terra ogni anno (per irraggiamento)
circa 130‟000 Gtep, di cui il 25/35-per-mille è convertito in
energia cinetica del vento (2-300 Gtep/anno).
(tep = tonnellata equivalente di petrolio → toe = ton of oil equivalent)
quantità di energia rilasciata dalla combustione di
una tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ
 Consumo mondiale annuo di energia (stime) ≈ 10 Gtep
 Se riuscissimo ad utilizzare l‟1-per-mille dell‟energia che il sole
invia alla Terra ogni anno avremmo energia per 10 anni per tutte
le nazioni di tutto il mondo…

Potenza del vento
Potenza cinetica di una vena fluida di vento
(calcoli e definizioni alla lavagna)
 La teoria di Betz (anni „20) individua la quota di potenza
massima estraibile (sottraibile) dal vento in 16/27 ovvero ≈ 59%
Attenzione alle unità di misura:
•Potenza [W];
•Velocità [m/s] → [m2/s2]
•Densità [kg/m3]
•Area rotore [m2].

Tubo di flusso (tdf):
• non c‟è scambio di energia o
massa attraverso i bordi;
• portata massica costante: i
[kg/s] che entrano sono gli
stessi che escono in ogni
momento;
• il flusso è laminare, non ci
sono turbolenze.
Portata di massa (m‟):
m‟ = Δm / Δt
[kg/s] = [kg] / [s]
Seminario di Energetica – ITIS G.
Marconi (VR) – dott. Riccardo
Maistrello

Potenza del vento
 L‟aria contenuta nel tubo di flusso incontra l‟ostacolo costituito
dal rotore di un aerogeneratore; via via che si avvicina alle pale
del rotore, l‟aria del tubo di flusso viene progressivamente
rallentata; la pressione, invece, aumenta.
(in base al principio di conservazione dell’energia, l’energia cinetica persa nel
rallentamento dell’aria diventa energia di pressione – trinomio di Bernoulli)
 Al passaggio attraverso il rotore, l‟aria gli cede energia.
Nell‟ipotesi che il rotore sia di spessore infinitesimo ( 0), la
pressione cala bruscamente a gradino.
(l’aria cede definitivamente energia alla macchina nel passaggio attraverso il
disco attuatore, l’energia di pressione si trasforma in energia meccanica
trasferita alle pale, che ruotano)
E‟ proprio grazie al “salto”Δp di pressione che sul rotore viene
esercitata una forza e trasferita potenza.

Potenza del vento
Grandezze caratteristiche di una macchina eolica sono:
 Fattore di interferenza (descrive l’interferenza delle pale, indica quanto
queste frenano il vento ed è intuitivo capire che più il vento viene frenato
dalle pale, più queste gli sottraggono energia)
dP(a)/da = 0  a = 1; a = 1/3
 a = 1 non ha senso poichè sarebbe Vr = 0 ovvero l‟aria dovrebbe
fermarsi in prossimità del rotore (paradosso fisico)
 a = 1/3 (interferenza ottimale) invece ha senso, ed è il valore di a che
dà la massima estrazione di potenza
Attenzione: a è adimensionale, non ha
cioè unità di misura, essendo data dal
rapporto tra due velocità: [m/s]/[m/s]

Potenza del vento
 Coefficiente di potenza (o prestazione) (Indica quanto buona è la
prestazione, in termini di potenza, della nostra macchina, esprimentola in un
intervallo 0÷1. Un Cp grande è preferibile ad un Cp piccolo, tenendo sempre
presente che Cp è funzione di a e perciò la potenza estratta dipende da quanto le
pale riescono ad interferire e rubare energia al vento. Per gli aerogeneratori
attuali ad asse orizzontale, tri- o bipala, un normale Cp è compreso tra 0,4 e 0,5.)
Cp = potenza estratta / potenza vento (sono [kW/kW] quindi è un numero, una
grandezza adimensionale, non ha UdM [-])
Cp (a=1/3) = 16/27 = limite di Betz (Si dimostra che tale limite non può essere
superato, pertanto le macchine che studieremo avranno sempre Cp < 0,6. Se da un
esercizio vi risulta un Cp più grande avete fatto un errore di calcolo.)
•Densità [kg/m3];
•Coeff. prestazione [-];
• coeff. interf. [-];

Potenza del vento
 Potenza estratta
Dipendenza:
 Lineare con la densità dell‟aria (0.9÷1.4 kg/m3, dipende da
temperatura, pressione atmosferica, umidità nell‟aria etc.)
 Lineare con Cp (specifica tecnica della macchina)
 Cubica con la velocità del vento (range tipico 0-25 m/s)
 Lineare con l‟area spazzolata dalle pale
•Potenza [W];
•Densità [kg/m3];
•Coeff. prestazione [-];

Esercizi nr. 1
 Una macchina tripala (lunghezza palare = 15 m) è immersa in un vento
costante con velocità 20 nodi. È il 3 marzo ed il tempo è mite e
soleggiato. Quale sarà la massima potenza che la macchina può estrarre
dal vento?

Esercizio nr. 2
 In presenza di un aerogeneratore
eolico il vento contenuto in un tubo
di flusso riduce la propria velocità da
v1 = 40 km/h a vr = 32 km/h.
Ipotizzando le stesse condizioni
climatiche dell‟esercizio
precedente, e sapendo che il
diametro del rotore è di 45
metri, calcolare il coefficiente di
prestazione Cp della macchina.
 Quindi, aiutandosi con il grafico a
destra, ipotizzare la tipologia di
macchina oggetto di studio in questo
esercizio (ignorando la grandezza
sull‟asse delle ascisse).
Cp

Esercizio nr. 3 (per casa)
Seminario di Energetica – ITIS G. Marconi
(VR) – dott. Riccardo Maistrello

Aerodinamica dell‟iterazione vento-pale
(cenni)
 Il rotore della turbina eolica estrae una parte dell‟energia cinetica
posseduta dal vento e la impiega per azionare un alternatore.
 Solo la massa d‟aria che attraversa il disco attuatore (l‟area
spazzata dalle pale) cede energia al rotore e diminuisce perciò la
propria velocità (rallenta).
 Fermo restando che l‟aria nel tdf rallenta, non è possibile
sottrarre energia in maniera brusca attraverso una variazione a
gradino della velocità sul disco attuatore (avrei accelerazioni e
quindi forze infinite).
 L‟energia sottratta a gradino è energia di pressione. Infatti l‟aria
rallenta prima delle pale ma per il principio di conservazione
dell‟energia, il calo di energia cinetica deve essere compensato da
un aumento della pressione dell‟aria.
da Bernoulli E(fluido) = Eh + Ek + Ep

(cenni)
 In prossimità del rotore la pressione crolla, c‟è uno sbalzo Δp a
gradino, e la variazione di energia di pressione del fluido
costituisce l‟energia ceduta al rotore.
 Dopo le pale, ma sempre nel tdf, la pressione – che inizialmente
si trova ad un valore inferiore di quella atmosferica – torna ad
aumentare sottraendo energia cinetica all‟aria (che quindi
continua a rallentare).
 All‟uscita dal tdf la pressione del fluido è nuovamente quella
dell‟ambiente ma la velocità è molto ridotta.
 La variazione di energia totale del fluido è stata trasmessa alla
macchina e, a meno delle perdite di conversione, diverrà energia
elettrica.

(cenni)

Tipologie di macchine
 I convertitori eolici (sistemi che convertono l‟energia del vento in
energia meccanica e/o elettrica) posso essere di due tipi:
 A resistenza: la pala si muove di moto rettilineo nella direzione della
velocità del vento u. Il dispositivo attuatore ruota attorno al punto 0 con
asse ortogonale al piano del disegno.
 La forza F è puramente resistente ed è proporzionale all‟energia cinetica
(relativa) vista dal profilo.

 A portanza: la pala ruota su un piano ortogonale alla velocità del vento,
attorno ad un asse parallelo alla velocità del vento.
 Si sviluppa sulla pala una forza F che, associata ad un braccio b, crea un
momento M che fa ruotare la pala intorno al mozzo.
 F è somma di due componenti, una parallela al vento, detta D (drag -
attrito), ed una perpendicolare L (lift - spinta).

 Si distinguono poi in macchine:
 Ad asse verticale (bassa velocità di rotazione, coppia elevata,
Cp modesto, funzionano con vento da qualsiasi direzione), poco
diffuse ma utili per alcuni utilizzi molto specifici;
 Ad asse orizzontale (alte velocità rotazione, Cp elevati, necessità di
orientare il disco attuatore, delicatezza della progettazione, costi
molto elevati), sono diffuse in tutto il mondo e si utilizzano
principalmente per la generazione elettrica.

Componenti di un aerogeneratore
1) Pale
2) Rotore
3) Pinch
4) Freno
5) Albero lento
6) Moltiplicatore di
giri
7) Generatore
8) Controllore
9) Anemometro
10) Direzione vento
11) Navicella
12) Albero veloce
13) Guida navicella
14) Motore navicella
15) Torre/traliccio
16) Trasformatore e
stazione elettrica a
terra

Caratteristica della macchina
(vedi dispensa)

Parco eolico
• Un parco eolico o wind farm (fattoria del vento) è un insieme di
aerogeneratori (torri o pale eoliche) localizzati in un territorio
delimitato e interconnessi tra loro, che producono energia
elettrica sfruttando la forza del vento. La generazione di energia
elettrica varia in funzione del vento e della capacità generativa
degli aerogeneratori.
• Per accertare che un sito sia adatto all‟installazione di
aerogeneratori è necessario procedere alla misurazione della
velocità del vento e della direzione, in modo costante (anche ogni
minuto) e per un periodo di almeno un anno (minimo!).
• È fondamentale inoltre acquisire il maggior numero di dati
meteorologici disponibili, anche dalle stazione vicine.

Parco eolico
Nella realizzazione di un parco eolico occorre tenere in
considerazione questi effetti:
• Rugosità del terreno: meno piano e senza ostacoli è il terreno,
più il vento è frenato e meno energia dà alla turbina (classi di
rugosità).
• Effetto collina: colline morbide, con pendici poco ripide, sono
ottimi corridoi per accelerare il vento verso la sommità (dove
posso installare gli aerogeneratori).
• Ostacoli: hanno un impatto enorme sul vento e vanno
opportunamente rimossi o considerati nei calcoli.
• In un parco eolico (molte turbine) ogni aerogeneratore
interferisce con gli altri (sono ostacoli enormi): vanno
rispettate opportune geometrie.

Effetto di un ostacolo sul vento
esame!

esame!
Effetto collina

Layout di un parco eolico
esame!

Anemometri
• 3-4 coppiglie di uguale geometria
• Asse rotante centrale
• Drag device (disp. a resistenza)
• Accelerazione rapida con l‟aumento del vento, decelerazione
lenta con la scomparsa del vento (inerzia delle parti rotanti)
• Non adatto a misurare raffiche e turbolenze
• Siccome l‟attrito (Cd) dipende dalla densità
dell‟aria, al variare di questa varia l‟accuratezza
dello strumento
• il vento è misurato attraverso la variazione di velocità di un‟onda
sonica (suono = vibrazione nell‟aria)
• il segnale acustico viaggia da un emettitore al suo ricettore, rallentato o
accelerato dal vento
• ottimo per misurare venti tra 0 e 65 m/s ma molto costoso
• necessitano di manutenzione (polvere, escrementi di uccelli etc.)
possono causare il fuori servizio dello strumento

Stazioni anemometriche
Italia
SeminariodiEnergetica–ITISG.Marconi(VR)–dott.RiccardoMaistrello

• L‟Italia può contare, specie nelle zone mediterranee meridionali e nelle
isole, su venti di buona intensità, quali il maestrale, la tramontana, lo
scirocco e il libeccio; la producibilità (numero di ore equivalenti di
funzionamento alla potenza nominale dell‟aerogeneratore) supera però
le 2‟000 ore in poche aree.
• il potenziale eolico sfruttabile al 2020 è pari a circa 12.000 MW
(terraferma + offshore), con una produzione di energia elettrica di circa
22.6 TWh (circa 1‟850 h di producibilità media);
• le regioni più interessanti sono quelle del Sud, in particolare
Campania, Puglia, Molise, Sicilia e Sardegna;
• Costo impianto chiavi in mano: 1‟000-1‟200 €/kW (Europa), 1‟500-
1‟600 (Italia);
• Costo annuale di esercizio e manutenzione = 3% Investimento iniziale
• In Italia, in un sito con una producibilità annua di 2000 ore equivalenti
alla potenza nominale, con tasso di sconto pari al 6% e costo di impianto
pari a 1600 €/kW, il costo di produzione dell‟energia può essere stimato
intorno a 8.5 c€/kWh
Conclusioni

• Occupazione del suolo ed impatto visivo
• Rumorosità
• Morte dei volatili e modifica delle rotte migratorie
Impatto ambientale

Attualità
Buttati al vento!
• Investiamo nell‟eolico 3,5 miliardi ma la rete non regge
e una pala su cinque deve essere fermata.
• Il Gestore ferma le pale ma deve pagare la mancata
produzione: è come chiamare un taxi e pagarlo per stare
fermo nel parcheggio…
Articolo del numero di Gennaio 2012
-La rete AT (alta tensione > 300 kV) è più sviluppata nell‟industrializzato Nord
Italia ma la potenza più consistente viene prodotta nel ventoso Sud e nelle Isole.
Occorrerebbe costruire nuovi elettrodotti (linee aree AT) ma l‟opposizione di
comunità locali e ambientalisti è troppo forte, ci vorranno anni/decenni.
- Inoltre Terna tratta con diffidenza fonti di energia volatili e variabili come
quella del vento più difficili da gestire.

Istruzioni per lo studio personale
 Studiare le slide viste in classe;
 Fare l‟esercitazione nr. 3 per la prossima lezione;
 Leggere con attenzione la dispensa sull‟energia
eolica.
Per ogni dubbio/domanda/segnalazione:
riccardomaistrello@gmail.com

Fonti
 “L’energia eolica”, prof. G. Zollino, Università di
Padova;
 “Wind energy systems”, prof. G. Pavesi, Università
di Padova.

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