Alma Mater Studiorum- Universit

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Alma Mater Studiorum- Università di Bologna

• FACOLTA DI INGEGNERIA
• Corso di laurea in Ingegneria Gestionale
• Insegnamento Principi di Ingegneria elettrica

EOLICO OFFSHORE
Anno Accademico 2006 - 2007
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Obiettivi

• Descrizione tecnica
• Analisi delle fondamenta
• Collegamento alla rete
• Analisi dei costi
• Manutenzione
• Impatto ambientale
• Effetti socio-economici
• Panoramica politica europea
• Nuovi impieghi delloffshore

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Evoluzione nel tempo della tecnologia eolica
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Analisi delle fondamenta

• Strutture fisse al sottosuolo
• - gravity based
• - monopila
• - tripalo
• Strutture galleggianti
• - strutture a boa
• - navi semi-sommergibili

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Strutture gravity based

• Richiedono la preparazione del suolo
• Non adatti per acque con profondità superiori ai
  10 metri
• Non consigliati per siti ripidi
• Vengono realizzati in cantieri navali
• Trasporto con grosse navi
• Implicano lutilizzo di grandi
• navi-gru per linstallazione
• In sostituzione per ridurre i costi
• è adottata una struttura dacciaio

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Strutture monopila

• utilizzate nella maggior parte delle
  installazioni
• usate in acque con profondità inferiori ai 25
  metri
• diametro tra 3- 4,5metri e peso da 100 a 400
  ton
• penetrazione nel sottosuolo
• dai 18 ai 25 metri
• non richiede la preparazione del fondale
• fissati tramite vibrazione o trivella
• tempo dinstallazione circa 30 ore

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Struttura monopila

• Rappresentazione grafica della fase
  dinstallazione

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Struttura trepiede

• diametro tubi di supporto 0,9 metri
• profondità di penetrazione 10 20 metri
• adatto per acque profonde
• rischio di urto in acque profonde 6 7 metri
• struttura realizzata in cantieri
• navali e poi trasportata
• non richiede la bonifica del suolo
• piloni installati tramite trivella

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Strutture a boa e semi-sommergibili

• possibilità di sfruttare maggiori profondità
• sistemi di ormeggio sofisticati
• grandi zavorre per garantire la stabilità
• richiesta di grandi sforzi economici
• coprono circa il 40 del costo totale
  dinstallazione
• le strutture semi-sommergibili sono molto più
  costose e richiedono maggiori sforzi
• poca esperienza pratica
• il prezzo del KWh aumenta rispetto ad altri
  sistemi
• possibilità installare più turbine con strutture
  semi-sommergibili
• maggiori problemi per il collegamento e la
  manutenzione

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Collegamento alla rete elettrica

• sistemi di collegamento ad alta tensione in
  corrente continua HVDC
• sistemi di collegamento ad alta tensione in
  corrente alternata HVAC

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Sistemi HVAC
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• la turbina genera corrente a media tensione e
  il trasformatore la passa il
• alta tensione e la trasferisce al
  trasformatore sulla terra che la riporta
• alla tensione della rete
• in teoria la tensione può raggiungere livelli
  di 800 KV
• la struttura dei cavi è fondamentale per la
  messa in posa, composta da
• metallo e plastica
• il metallo serve per la corrosione e per
  attutire e assorbire le forze
• meccaniche
• possibilità di avere tre cavi separati o un
  unico cavo con tre conduttori
• con i cavi singoli si ha maggiore capacità di
  trasmissione
• maggiore profondità maggiore possibilità di
  rottura o danneggiamento
• dei conduttori

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Sistemi HVAC
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• utilizzo di grosse piattaforme per
  linstallazione e il trasporto dei cavi
• la portata di corrente dipende dal diametro
  mentre la tensione dallo spessore degli isolanti
• vantaggi campo magnetico neutralizzato con un
  unico cavo
• svantaggio maggiori perdite allaumentare
  della lunghezza del cavo
• si riescono a contenere le perdite con distanze
  inferiori a 120 Km

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Sistemi HVDC

• la media tensione generata dalla turbina è
  trasformata in alta tensione AC e dopo convertita
  in alta tensione DC. La corrente viene trasferita
  sulla terra ad alto voltaggio in corrente
  continua con dei cavi. Sulla terra ferma lalta
  tensione in DC viene convertita i tensione AC con
  frequenza a 50Hz è dopo viene portata da un
  trasformatore al livello di tensione della rete
  di connessione
• Tipologia di trasmissione tramite tiristore

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Sistemi HVDC
La tensione in corrente alternata viene
convertita in corrente continua da un
raddrizzatore. Alluscita del sistema la DC è
convertita in AC da un ponte tiristore che
commuta i poli DC alternativamente alla trifase
del sistema in corrente alternata. Questo
classico convertitore HVDC richiede la presenza
di una rete AC per operare dalla quale attira
potenza reattiva. La corrente AC risultante ha la
forma a gradino e richiede ampie unità di filtro,
i due convertitori lavorano simmetricamente,
uguagliando in uscita livelli positivi e
negativi. Un vantaggio di questi sistemi è la
capacità di trasmette energia ad alta tensione.
Uno svantaggio è che non può generare una
propria rete di tensione e di frequenza e vi è un
generatore diesel o un cavo in corrente continua
parallelo a quello in corrente alternata che
porta la tensione alla turbina.
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Sistemi HVDC

• I conduttori DC sono rivestiti da un isolante
• Hanno unarmatura per attutire le forze
  meccaniche
• Non vi sono perdite di corrente
• Il campo magnetico è neutralizzato dai due poli
• Possibilità di usare due cavi separati o un cavo
  concentrico o un cavo con due conduttori
• Importante sotterrare i cavi in parallelo a una
  distanza tra 1 e 10 metri
• Massima neutralizzazione ottenuta
• con il cavo concentrico
• Maggiore utilizzo di isolante con
• cavi concentrici
• Maggiore potenza di trasmissione
• con cavi separati

Tipo di cavo Massima tensione Massima capacità di trasmissione
Bipolare o concentrico 400 KV 800 MW
Due cavi separati 600 KV Da 800 MW a 1GW, in futuro a 2,5GW
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(No Transcript)
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Confronto sistemi di trasporto di corrente
HVAC HVDC HVDC
HVAC Tecnologia tiristore Tecnologia IGB-transistore
Perdita di trasmissione Alta e aumenta con la distanza bassa Bassa
Approvvigionamento di tensione e frequenza possibile impossibile Possibile
Approvvigionamento di potenza reattiva si No Si, ma invertita
Controllo della potenza attiva e reattiva Impossibile dal sistema di trasmissione Possibile dal sistema Possibile dal sistema
Direzione della trasmissione bidirezionale Uni-direzionale Bi-direzionale
Spazio richiesto Piccoli Molto ampi ampi
Vantaggi Semplice tecnologia Testato in numerose applicazioni onshore Capacità di trasmissione molto alte Trasmissione bi-direzionale Approvvigionamento di potenza reattiva
svantaggi Alte perdite che aumentano con la lunghezza del cavo Nessuna fornitura di potenza reattiva Nessuna generazione di una rete di tensione Capacità di trasmissione limitata Usato solo in poche applicazioni
Andamento dei costi dei due sistemi in funzione
della distanza
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(No Transcript)
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Costi

• negli ultimi 15 anni il suo costo è diminuito
  dell'85
• l'economia eolica dipende molto dalla ventosità
  del sito
• Attuali costi dinstallazione 1650 /KW
• Riduzione dei costi negli ultimi anni da 0,064 a
  0,049 a KWh
• Nel 2010 costi dinstallazione pari a 750 /KW

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(No Transcript)
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Costi

• Esiste un trend di media-alta taglia
  (30-70 metri di diametro) che si
• incrementa allaumentare delle
  dimensioni del diametro del rotore

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Costi

• turbine con potenza tra 2 e 2,5 MW rispondono
  molto bene come costo per KW
• dovuto a una più alta velocità grazie a un
  maggior rapporto di prestazioni nominali
• del diametro del rotore.

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Manutenzione

• Manutenzione molto difficile e costosa (accesso
  con navi o elicotteri)
• Importanti per la valorizzazione economica
  modelli di manutenzione correttiva e preventiva
• È fondamentale lavorare sullaccessibilità
  introduzione di
• - piattaforme fisse
• - passaggi flessibili
• - pilastri di sostegno per ormeggiare i
  battelli
• - navi con sistemi di sollevamento più
  semplici
• accessibili dal personale e
  dallequipaggio
• Miglioramento delle turbine, dei set-up delle
  sottostazioni e dei sistemi di cablaggio per
  migliorare la disponibilità e laffidabilità e
  diminuire la manutenzione

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(No Transcript)
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Impatto ambientale

• È unenergia pulita, non vi è né impatto chimico
  né radioattivo dei componenti
• Bilancio costi ambientali/beneficio ambientale
  ampiamente positivo
• Aspetti ambientali considerati
• - emissioni evitate
• - occupazione del territorio
• - impatto visivo
• - rumore
• - effetti elettromagnetici
• - interferenze elettromagnetiche
• - effetti su flora e fauna

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Emissioni evitate

• La riduzione di emissioni può essere calcolata
  usando la seguente formula
• CO2 (in ton) (A x
  0.3 x 8760 x 860)/1000
• SO2 (in ton) (A x
  0.3 x 8760 x 10)/1000
• NOX (in ton) (A x
  0.3 x 8760 x 3)/1000
• dove
• A la stima della capacità di sviluppo
  dellenergia eolica in MW
• 0.3 è una costante che tiene in conto
  lintermittente natura del vento, la
  disponibilità delle turbine eoliche e le
  ordinarie perdite
• 8760 è il numero di ore in un anno

Una tipica turbina di 0.66MW contribuisce alla
riduzione di emissioni con

• 1491,65 ton di CO2
• 17,34 ton di SO2
• 5,2 ton di NOX

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Impatto visivo

• limpatto sul paesaggio e visivo è generalmente
  inferiore, data la distanza dalla linea di costa
• possono comprendere segnali per la navigazione,
  elementi per lilluminazione notturna
• in Gran Bretagna hanno valorizzato i paesaggi
  diventando oggetto dattrazione turistica
• si valutano progetti per installazione più a
  largo, con conseguente aumento dei costi e
  maggiore difficoltà per la gestione dellimpianto

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Impatto ambientale

• Impatto acustico
• - abbastanza ridotto
• - dipende dalla velocità del vento
• - minore rispetto a quello cittadino
• Interferenze sulle telecomunicazioni
• - può
  influenzare la propagazione dei segnali
• -
  unadeguata distanza fa si che
• 
  linterferenza sia irrilevante

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Flora e fauna

• linquinamento elettromagnetico ed acustico
• stormi di uccelli vanno a sbattere contro le pale
  del rotore
• gli uccelli reagiscono meglio quando il vento è
  contrario

• le anatre evitano il volo a 100 metri dalla
  torre
• grandi ostacoli posti dagli animalisti
• problema della migrazione di uccelli
• limpatto acustico va a modificare il loro
• comportamento dallalimentazione al volo

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Flora e fauna

• I mammiferi marini sono vulnerabili perché non
  riescono a comunicare

• le vibrazioni e il rumore emesso dalle pale
  possono rappresentare dei
• possibili pericoli come
• - presenza di altri animali
• - possibili attacchi
• - alterazione della
  sensibilità al rumore

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Flora e fauna

• Mutazione della fauna
• Migrazione di alcune specie di pesci
• Maggiori problemi durante linstallazione
• Vengono effettuate delle analisi per valutare
  lalterazione dellambiente marino prima e dopo

• linstallazione dei cavi su fondali e i vari
  scavi contribuiscono notevolmente a deturpare la
  fauna marina distruggendo lhabitat

• Per ogni impianto vanno fatti degli studi
  specifici in quanto ogni zona è caratterizzata da
  animali con caratteristiche e comportamenti
  differenti

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Conflitto dinteresse

• interferenza con il traffico marino
• - le rotte marine non possono essere
  concesse per parchi eolici
• il traffico di aerei civili è un problema
• - viene concesso il permesso per
  installare ma non lo spazio aereo
• per avere accesso e fare la
  manutenzione
• le aree militari
• - problema principale in Svezia e
  Finlandia
• disturbi radio e dei segnali radar
• - le turbine hanno effetti negativi
  sui sistemi utilizzati dalla Nato
• - non ci sono particolari problemi
  con le nuove strumentazioni
• - il movimento delle pale è
  interpretato come un aeromobile
• - bisogna integrare le coordinate
  delle turbine con i sistemi di
• rilevamento
• - i problemi aumentano con
  laumentare del numero di turbine

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Conflitto dinteresse

• conflitto con lindustria del pesce
• - implicano la restrizione di alcune
  tipologie di pesca
• - comportano la migrazione di alcune
  specie
• - alcune fondamenta contribuiscono a
  ricreare lhabitat naturale
• problemi con gli archeologi
• - vi sono dei fondali protetti
• - durante gli scavi si possono
  scoprire reperti che bloccano i
• lavori
• conflitto con lindustria petrolifera
• - nei fondali ci può essere la
  presenza di materie prime
• fondamentali e molto redditizie

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Effetti socio-economici

• cè il potenziale per creare maggiori posti di
  lavoro rispetto ai settori convenzionali
• impieghi nella costruzione, installazione e
  gestione/manutenzione
• maggiore richiesta di figure professionali in
  project management, scienze marine, meteorologia,
  ingegneria

2010 2010 2020 2020
Installazioni Impieghi/m Manutenzione Impieghi/GWh Installazioni Impieghi/m Manutenzione Impieghi/GWh
Solare - termico 6,40 0,26 6,51 0,25
Solare fotovoltaico 6,97 0,44 5,38 0,40
Vento offshore 7,48 0,22 6,71 0,22
Vento onshore 6,06 0,14 6,07 0,14
Idrogeno 5,17 0,09 5,21 0,09
Biomassa- liquido 6,08 0,86 6,08 0,86

• a fronte di una produzione di 720 TWh/anno di
  energia eolica offshore, si genera da 1,6 a 3
  milioni di euro di lavoro per linstallazione e
  di 158.400 in manutenzione
• dopo il 2020 è da considerare che si avrà una
  riduzione delle installazione
• ma dal 2025 in poi le vecchie turbine dovranno
  essere sostituite
• invece la manutenzione sarà un lavoro stabile
  perché le turbine lavorano di continuo

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Panorama Europeo

• lEWEA ha annunciato gli obiettivi fissati per il
  2010 dove si conta di riuscire ad arrivare a 75
  GW di potenza installata di cui 10 GW prodotti
  dalloffshore per il 2020 i target da coprire è
  fissato a quota 180 GW di potenza complessiva
  installata dove 70 GW saranno sottoforma di
  risorsa offshore

• IRLANDA
• La più importante costruzione è la wind
  farm di Arklow con una capacità di 520 MW situata
  a circa 10 Km dalla costa, le sette turbine
  eoliche da 3,6 MW si ergono sul livello del
  mare con un'altezza pari a quella di un edificio
  di 30 piani e con un diametro del rotore
  comparabile alla lunghezza di un campo da calcio,
  nel Nord Atlantico cè abbastanza energia eolica
  per soddisfare le necessità di tutta lEuropa
  sarebbe possibile generare all'incirca 345
  miliardi di kWh l'anno.

• SVEZIA
• Sono state identificate delle aree di
  interesse nazionale
• per lo sviluppo dellenergia eolica, lo
  Stato ha stanziato dei fondi per la ricerca e lo
  sviluppo di questo settore, molti politici hanno
  proposto dei cambiamenti legali e regolatori per
  incentivare questa risorsa
• DANIMARCA
• Leolico ha un ruolo fondamentale,
  attualmente abbiamo 1200 MW installati
• GERMANIA
• Varato un piano per la realizzazione di
  20-25 GW di potenza installata tra il 2025 e il
  2030, ostacoli creati dal trasporto dellenergia
  prodotta
• OLANDA
• La costruzione della Near Shore Wind Farm è
  una dimostrazione di un primo grande passo verso
  lo sviluppo dellenergia eolica
• lobiettivo di installare complessivamente
  6 GW entro il 2020

• INGHILTERRA
• È stato varato un maxi progetto al largo
  del Tamigi che prevede lentrata in servizio nel
  2011 di 270 turbine per una potenza complessiva
  di 1000 MW, nella seconda zona avremo progetti di
  taglia superiore dove sono stati individuati 15
  siti divisi in tre aree strategiche, il governo
  ha preso importanti iniziative come stanziare dei
  fondi per la costruzione oppure creare delle
  linee per la connessione alla rete elettrica
  sulla terra ferma, lobiettivo è quello di
  riuscire a soddisfare con leolico il 25 della
  potenza richiesta entro il 2020.

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Cina

• La Cina sta progettando centrali eoliche in mezzo
  al mare a 50 Km dalla costa in acque profonde
  sino a 30 metri, i siti disponibili sono numerosi
  e non vi sarebbero interferenze con altre
  attività umane. Entro il 2020 la Cina punta a
  disporre di impianti eolici per circa 20 mila MW.
  Il potenziale da centrali eoliche off-shore è
  attualmente valutato in circa 750 mila MW, pari
  al 70 in più del totale della potenza elettrica
  installata.
• Installazione cumulativa a livello mondiale (
  espressi in W)

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Arklow - Irlanda
40
Lely - Olanda
41
Milddelgrunden - Irlanda
42
Nogrsund - Svezia
43
Vindeby - Danimarca
44
Tuno Knob - Danimarca
45
Horns Rev - Danimarca
46
Irene Vorrink - Olanda
47
Yttre Stengrund - Svezia
48
North Hoyle - Galles
49
Blyth - Inghilterra
50
Bibliografia

• Analisi strutturale di una piattaforma
  OFF-SHORE Università di Bologna Dipartimento
  di Ingegneria Energetica
• Sea Wind Europe- 2005 Greenpeace
• Offshore wind implementino a new powerhouse for
  Europe- Report 2005- Greenpeace
• Wind force 12 June 2005- GWEC
• Enabling offshore wind development- EWEA
• Focus capire e scoprire il Mondo Aprile 2007
  N 174
• Rapporto energia e ambiente 2006 Enea
• www.enea.it
• www.EWEA.org
• www.isesitalia.it
• www.energialab.it
• www.energoclub.org
• www.iea.org
• www.offshorewindenergy.org