Centrali eoliche

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Centrali eoliche

• Gli aerogeneratori di una centrale eolica sono
  sostanzialmente costituiti da una turbina eolica
  (di fatto un elica a una o più pale) collegata ad
  un generatore elettrico (quasi sempre una
  macchina asincrona).

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Principi di funzionamento e definizioni

• I generatori eolici trasformano lenergia
  cinetica di una massa daria in energia meccanica
  di rotazione

A sezione spazzata dalle pale v velocità del
vento ? densità dellaria
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Principi di funzionamento e definizioni
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Principi di funzionamento e definizioni

• La velocità di rotazione della turbina eolica è
  molto modesta, specie per le taglie più elevate
  tipicamente tale valore è dellordine di 45-60
  giri/minuto.
• Fenomeno causato delle leggi dellarodinamica
  (necessità di velocità subsoniche).
• I generatori necessitano quindi di moltiplicatori
  di giri (problemi peso, manutenzione, rumore)

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Principi di funzionamento e definizioni

• Il rendimento di conversione dei generatori
  eolici è piuttosto basso teoricamente il limite
  superiore è inferiore al 60, in pratica supera
  di poco il 40

Cp coefficiente di potenza
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Producibilità

• La producibilità dipende innanzi tutto dalla
  disponibilità di vento costante.
• Date le leggi fisiche dellaerodinamica
  (dipendenti dal cubo della velocità) e la grande
  aleatorietà del vento, è evidente che la
  producibiltà di questi impianti non può essere
  elevata.
• L attuale producibilità media annua in Italia si
  aggira sulle 1600 h/anno. Difficilmente si
  potranno ottenere (anche in futuro) producibilità
  superiori a 2000 h/anno.

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Producibilità
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Tipologie di generatori turbina a velocità
fissa e passo variabile

• Generatore macchina asincrona a gabbia di
  scoiattolo.
• Sistema di controllo dellangolo di incidenza
  delle pale complesso
• Allacciamento alla rete diretto tramite
  trasformatore.
• Avviamento dalla rete in corto circuito.
• Manutensione sistema di controllo del passo.

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Tipologie di generatori turbina a velocità
variabile e passo fisso

• Generatore macchina sincrona con controllo
  delleccitazione.
• Sistema di controllo della velocità di rotazione
  tramite inverter (tensione/corrente impressa).
• Allacciamento alla rete tramite inverter.
• Avviamento tramite inverter rete/batterie.
• Manutenzione inverter, macchina elettrica
  (spazzole).

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Tipologie di generatori turbina a velocità
fissa e passo fisso

• Generatore macchina asincrona.
• Sistema di controllo della velocità di rotazione
  assente (saturazione per stallo).
• Allacciamento alla rete diretto tramite
  trasformatore.
• Avviamento dalla rete in corto circuito.

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Allacciamento alla rete elettrica

• Un problema generale riguarda la necessità di
  realizzazione di una linea per il collegamento
  della centrale eolica al più vicino nodo della
  rete (di distribuzione).
• Lenergia da produzione eolica è non
  programmabile ed accumularla (batterie) costa
  troppo di conseguenza queste centrali non
  possono essere utilizzate per i servizi di rete.
• Le centrali eoliche installate in sistemi isolati
  non possono essere utilizzate da sole ma sempre
  in presenza di altra generazione programmabile
  (per es. gruppi elettrogeni)

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Allacciamento alla rete elettrica macchine a
velocità fissa

• Problemi di variazione di tensione (effetto
  flicker).
• Problemi in fase di avviamento.
• Vantaggi legati alla semplicità dello schema.

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Allacciamento alla rete elettrica macchine a
velocità variabile

• Possibili problemi legati alla presenza di
  armoniche.
• Vantaggi in fase di avviamento e per garantire la
  stabilità della tensione.

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Mappa del vento in Italia

• E stata costruita una procedura per realizzare
  una mappa del vento tridimensionale relativa a
  tutto il territorio italiano.
• La mappa è stata realizzata in Italia partendo da
  un opportuno modello (WINDS) e tarando i
  risultati sulle misure disponibili sul
  territorio.
• Il modello è stato sviluppato al CESI e fa parte
  delle attività relative alla ricerca di
  sistema.
• I risultati non sono utilizzabili per definire i
  siti in maniera precisa, ma sono utili le
  indicazioni generali.
• Nella figura è riportato il risultato a 50 m dal
  suolo.

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Mappa del vento in Italia
Mappa della velocità media del vento a 50 m.
s.l.t.
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Possibili siti non convenzionali montagna

• Le aree fino a 1000-1200 m i siti si vanno
  rapidamente esaurendo.
• Oltre i 1000 m aumentano i problemi autorizzativi
  (comunità montane, parchi, ecc.) ed i costi
  (trasporto del materiale, linea di trasmissione,
  ecc.).
• Per quote fino a 1800-2000 m si ha un consistente
  aumento del numero di ore equivalenti/anno dei
  generatori (si stimano almeno 180 h/anno ogni 100
  m di aumento di quota) con conseguente riduzione
  del costo medio di produzione del kWh.
• Ci sono esempi in Austria e Svizzera.

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Possibili siti non convenzionali off-shore

• In altri paesi europei sono in fase di sviluppo
  progetti per linstallazione off-shore.
• Vantaggi dovuti alla maggiore costanza del vento
  e conseguente aumento del numero di ore
  equivalenti per anno (fino al 30).
• Maggiori costi dovuti alle fondazioni, in parte
  compensati da macchine di potenza maggiore (fino
  a 5 MW).
• Necessità di sfruttare siti con fondali non
  superiori a 15 m (costo fondazioni).
• In Italia nelle zone con acque non profonde cè
  mediamente poco vento. Indicazioni riportate in
  fig.

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Installazioni eoliche in Italia
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Evoluzione potenza eolica installata in Italia
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• Lenergia posseduta da una massa di acqua di peso
  G ad una altezza utile H è pari a

• La potenza ottenibile è pari alla derivata

• Tenendo conto dei rendimenti la potenza
  ottenibile è pari a

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Centrali idrauliche

• Le trasformazioni energetiche avvengono
• Nella condotta forzata
• Nel distributore
• Nella girante
• Dalla applicazione del teorema del Bernoulli si
  possono quantificare tali trasformazioni nelle
  differenti sezioni

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Centrali idraulichetrasformazione nella
condotta forzata

• Lequazione di continuità impone

e quindi
se

• Di conseguenza

• Cioè la condotta trasforma lenergia di posizione
  in energia di pressione (a meno delle perdite di
  carico)

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Centrali idraulichetrasformazione nel
distributore e nella girante

• Lequazione di continuità impone

e quindi
da cui

• Di conseguenza

• Cioè il distributore e la girante trasformano
  lenergia di pressione in energia cinetica (a
  meno delle perdite di carico)

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Centrali idrauliche
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Centrali idrauliche

• Il grado di reazione di una turbina è il rapporto
  tra lenergia potenziale di pressione residua
  alluscita del distributore e lenergia
  potenziale in ingresso.
• La rampa di presa di carico delle turbine
  idrauliche dipende essenzialmente dai tempi di
  manovra consentiti dalle condotte forzate sono
  comunque molto rapidi (in pochi minuti si può
  arrivare fino alla potenza massima).
• Le forme dei distributori e delle giranti variano
  con il tipo di turbina
• Turbine Pelton
• Turbine Francis
• Turbine Kaplan

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Cosa si intende per Generazione Distribuita

• Impianti di generazione di piccola e media taglia
  (da qualche centinaio di kW a qualche MW)
  localizzati vicino ai carichi.
• Impianti isolati (raramente) o connessi alla rete
  di distribuzione.
• Gli impianti da fonti rinnovabili fanno
  tipicamente parte di questa categoria.

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Tecnologie disponibili per la generazione
distribuita

• Impianti a fonte rinnovabile fotovoltaici,
  eolici, idraulici, biomasse,...
• Motori primi convenzionali alternativi diesel e
  a gas, turbine a gas.
• Motori primi innovativi microturbine e celle a
  combustibile.

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Alcune limitazioni riguardanti i motori primi

• I motori alternativi diesel e a gas e le celle a
  combustibile rendono disponibili per
  lutilizzazione termica tipicamente fluidi a
  bassa entalpia (acqua a circa 90 C).
• Sempre per motori alternativi diesel e a gas è
  possibile utilizzare una parte del calore residuo
  per ottenere vapore, ma sempre ad entalpia
  relativamente bassa (gas di scarico disponibili a
  temperature di circa 200 250 C).

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Alcune caratteristiche tecniche dei motori primi
Motore Diesel Motore a gas Turbina Microturb.
Rend. Elettrico 27 - 44 24 - 40 25 - 40 23 - 33
Rend. Totale 85 - 88 85 - 88 80 - 90 70 80
Potenza kW 3 - 20000 5 - 5000 500-30000 30 - 200
Disponibilità 90 - 94 95 - 97 92 - 96 92 97
Nox ppm 400 30 - 95 10 - 25 9 45
Rumore db 70 - 120 70 - 120 75 - 90 70 80
Vita h1000 20 - 60 48 - 60 90 - 150 60 - 80
Generatore /kW 200 - 350 250 - 750 300 - 900 800 - 1100
Manuten. c/kWh 0.5 - 3 0.5 - 3 0.3 - 0.8 0.5 - 1
Caldaia Rec./kW 75 - 150 75 - 150 100 - 200 75 - 350
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Limpianto sperimentale dellUniversità di Pisa
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Condizioni tecnico-economiche di applicabilità
della GenDis

• Cè convenienza economica solamente in presenza
  di cogenerazione.
• Dal punto di vista operativo il gruppo può essere
  gestito
• Ad inseguimento elettrico
• Ad inseguimento termico
• A generazione programmata (elettrica o termica)

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I vantaggi potenziali per un auto-produttore

• Possibilità di effettuare produzione combinata di
  energia elettrica e calore, sia per uso proprio
  sia per rivendita tale opportunità, se ben
  studiata, comporta in generale una riduzione dei
  costi energetici.
• Sensibile miglioramento della continuità della
  alimentazione dellenergia elettrica allutenza
  dellauto-produttore e della relativa qualità del
  servizio.

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I vantaggi potenziali per un auto-produttore

• Quando ricorrono le condizioni per la
  cogenerazione (IRE)
• lenergia prodotta da questi impianti è neutra
  rispetto ai Cerificati Verdi
• gli impianti hanno priorità di dispacciamento

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Quali vantaggi introduce la GD(distributori e
clienti finali)

• I potenziali vantaggi della GD per i distributori
  ed i clienti finali sono proporzionali al livello
  di penetrazione della generazione stessa.
• Tali vantaggi sono inoltre strettamente collegati
  alla possibilità di una gestione della GD
  profondamente diversa da quella attuale (che fra
  laltro corrisponde ad un livello di penetrazione
  modesto).

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Quali vantaggi introduce la GD(distributori e
clienti finali)

• Tra i potenziali vantaggi della GD per i
  distributori ed i clienti finali si possono
  ricordare
• miglioramento della continuità della fornitura e
  della qualità del servizio
• riduzione delle perdite di rete
• differimento dei rinforzi di rete dovuti ad
  aumento del carico
• possibili riduzioni delle potenze transitanti
  nella rete nelle ore di alto carico (peak
  shaving)
• costi energetici più bassi in virtù della
  maggiore efficienza energetica.

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Problematiche di interfaccia con la rete

• Poiché la rete di distribuzione è passiva e
  radiale le protezioni sono unidirezionali
  pertanto la GenDis deve sottostare a specifiche
  di allacciamento alla rete molto rigide.
• In particolare si deve distaccare dalla rete per
  mancanza di tensione, potendo però alimentare in
  isola il carico interno (di stabilimento).

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Problematiche di interfaccia con la rete

• Schema tipico di installazione di gruppi GenDis