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OrizzontEnergia

Eolico

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I principi dell'eolico

Energia eolica - Mulino a vento eolico

Il vento è aria in movimento generatosi a causa del riscaldamento non omogeneo che il sole fornisce alle diverse zone della superficie terrestre.

Questa differenza di temperatura genera moti convettivimoti convettivi
Meccanismo di trasmissione del calore a cui è associato un trasporto di massa tipico dei fluidi (gas o liquidi le cui molecole hanno legami più deboli). Consiste nello spostamento di materia dovuto alla differenza di temperatura di 2 sistemi che entrano in contatto. In particolare, quando una sorgente di calore riscalda un fluido, gli strati più vicini, che hanno densità minore, migrano e si portano al di sopra degli strati di fluido che si trovano più lontani ( a temperatura minore e densità maggiore), instaurando una serie di moti circolari che favoriscono il mescolamento della materia stessa fino a quando tutto il sistema si porta alla stessa temperatura (condizioni di equilibrio termico).
 che creano quello che chiamiamo vento.

Di notte il fenomeno è il medesimo, ma al contrario è dovuto al raffreddamento della superficie terrestre che rilascia il calore assorbito durante la giornata: per questo i venti avranno direzione contraria.

L’idea di far muovere qualcosa grazie al vento, nonostante abbia trovato applicazione tecnologica nelle pale eoliche in tempi relativamente “giovani” – solo qualche decennio fa – ha in realtà originiantiche, risalenti ai tempi dell’antica Persia (circa mille anni a.c.), dove vennero costruiti macchinari, messi in funzione dal vento, progettati per irrigare il terreno. Nei secoli a venire la principale applicazione dell’energia eolicaenergia eolica
Energia ricavata dal vento in virtù della velocità con cui soffia. Questa forma di energia viene prodotta grazie a macchine eoliche (dette anche aerogeneratori) che convertono l'energia cinetica del vento in energia meccanica di rotazione, e, successivamente, in energia elettrica utilizzabile per differenti scopi.
sono stati i mulini a vento.

Il principio fisico che sta alla base della produzione di energiaenergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
 elettrica dal vento
 è esattamente il medesimo dei mulini: una  determinata quantità di energia cineticaenergia cinetica
Energia di movimento, ovvero l'energia che un corpo possiede in virtù del fatto che si sta muovendo. La massa d'acqua di una cascata possiede energia cinetica, per esempio. Un corpo di massa M, infatti, muovendosi a velocità V, ha in sé la capacità di compiere un lavoro, ovvero di 'far muovere' qualcos'altro mentre cade o si muove. L'energia cinetica è data dall'espressione: Ec=1/2 x M x V2.
 (dovuta alla velocità con cui si muove il vento) viene trasformata in energia meccanicaenergia meccanica
Somma dell'energia potenziale e dell'energia cinetica che in un mondo ideale privo di attriti rimarrebbe costante. In realtà in tutti i processi fisici parte dell'energia meccanica viene dissipata dalle forze d'attrito, ma non scompare nel nulla: essa si trasforma nell'energia interna delle molecole che costituiscono i corpi tra cui c'è stato attrito ed è accompagnata da un aumento di temperatura. Facciamo l' esempio di un sasso che cade. Durante il moto dell'oggetto l'energia cinetica e l'energia potenziale assumono valori diversi istante per istante. In particolare, l'energia cinetica aumenta (perché cresce la velocità) e quella potenziale gravitazionale diminuisce (perché l'altezza diminuisce). Nonostante queste grandezze cambino continuamente, la loro somma rimane costante in assenza di attriti. Ma visto che gli attriti esistono, parte del l'energia meccanica viene dispersa e, alla fine, si ritrova sotto forma di calore del sasso e dell'aria che, sebbene in modo impercettibile, si sono portati ad una temperatura maggiore.
 (rotazione delle pale).

A differenza di quanto accadeva in passato, un impianto eolico è in grado di convertire tale energia meccanica in energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
, mentre i vecchi mulini si limitavano a sfruttare solo l'energia meccanica.

Come funziona un impianto eolico

Le pale eoliche sono collegate ad un rotore (ovvero un organo di movimento rotazionale) che trasmette all'alberoalbero
Organo meccanico attraverso cui si trasmette un moto rotatorio.
 la rotazione e quindi, mediante una serie di ingranaggi meccanici chiamati moltiplicatori, si raggiungono velocità rotazionali elevate che azionano un generatoregeneratore
Dispositivo che traforma l'energia meccanica in energia elettrica.
 di corrente
. La funzione principale del rotore è di trasformare il vento (energia cinetica) in movimento (energia meccanica).

La velocità rotazionale è un parametro molto importante: al di sotto di una certa soglia minima, infatti, la macchina è incapace di azionarsi. Di contro, se la velocità del vento è troppo elevata le turbine eoliche attivano un sistema frenante in grado di impedire che le pale possano girare troppo velocemente e quindi subire dei danneggiamenti.

Componenti di un aerogeneratore (o turbina eolica)

Componenti di un aerogeneratoreaerogeneratore
Sistema formato dall'accoppiamento di un motore eolico con un generatore elettrico. Il primo trasforma l'energia del vento nell'energia meccanica di un albero rotante; il secondo trasforma l'energia meccanica in energia elettrica.
(o turbina eolicaturbina eolica
Macchina che trasforma l'energia posseduta dal vento in energia elettrica.
)

L’aerogeneratore è il componente di un impianto eolico che impatta maggiormente sui costi di investimento, circa per il 60-70%, la restante parte dell’investimento è destinata ai costi di consulenza tecnica e sviluppo del progetto, alle spese di realizzazione delle infrastrutture civili ed elettriche necessarie per garantire il collegamento dell’impianto alla rete.

Lo sfruttamento del vento per generare energia elettrica è però possibile unicamente laddove si verifichino delle favorevoli condizioni anemometriche, ovvero vi siano condizioni della ventosità tali per cui risulti fattibile procedere all’installazione di un impianto.

Va infatti tenuto conto che la quantità di energia che il vento trasferisce al rotore è proporzionale sia al cubo della velocità del vento, il che significa che raddoppiando la velocità la potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
 aumenta di otto volte, sia alla densità dell’aria, per cui ad una maggiore densità corrisponde maggiore potenza, ed infine all’area spazzata dal vento che in altri termini corrisponde al raggio delle pale. Da queste premesse è chiaro come piccole differenze nelle caratteristiche anemometriche possano tradursi in notevoli differenze nella resa energetica.

Alle tre variabili appena citate va poi applicato il cosiddetto Coefficiente di potenza - Cp introdotto dalla legge di Betz, secondo il quale non è fisicamente possibile “estrarre” più del 59,3% dell’energia cinetica contenuta in una massa d’aria; infatti se tutta l’energia cinetica del vento potesse essere assorbita dal rotore eolico e trasformarsi così in energia rotazionale e di conseguenza in elettricità, vi sarebbe un arresto completo del flusso d’aria.

La legge di Betz stima quindi un valore di efficienza teorica al quale vanno poi “sottratte” le perdite che si verificano durante la trasformazione da energia meccanica ad elettricità (10-15%).

 

SVILUPPI TECNOLOGICI DELL'EOLICO

INTERVENTO DEL PROF. ROMANO GIGLIOLI, UNIVERSITÀ DI PISA
CONVEGNO ORIZZONTENERGIA "EOLICO: ENERGIA, UOMO E TERRITORIO"

Le taglie dell’eolico

Sebbene non vi siano delle classificazioni standard, generalmente le taglie impiantistiche dell'eolico onshore sono identificabili in base alla potenza e ad alcune dimensioni specifiche.

Taglia

Altezza torre

Diametro rotore

Impiego

1-20 kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
, micro eolico

 6-9 m

1-7 m

Generalmente , le micro turbine vengono impiegate singolarmente per alimentare utenze isolate dalla rete, ad esempio: per coprire le esigenze elettriche di una barca o di un camper o per alimentare un computer portatile o un frigorifero da campo.

20-200 kW, mini eolico

10-30 m

1-20 m

Generalmente impiegate singolarmente, le mini turbine integrano  o soddisfano il fabbisogno di famiglie o utenze industriali, commerciali o agricole di limitate dimensioni. Esse vengono generalmente collegate alla rete elettricarete elettrica
Insieme delle linee elettriche, delle stazioni elettriche e delle cabine elettriche adibite alle operazioni di trasmissione e distribuzione dell'elettricità. La rete elettrica può essere ad alta tensione (da 40 a 380 kV), a media tensione (da 1 a 30 kV) o bassa tensione (380 V).
in bassa tensionebassa tensione
Tensione inferiore a 1000 V in corrente alternata ed inferiore a 1500 V in corrente continua.
o anche utilizzate per alimentare utenze isolate dalla rete.

Fino a 20MW, eolico tradizionale onshore

60-120 m

55-80 m

Parchi eolici, collegati alla rete di media/alta tensionetensione
Grandezza fisica che rappresenta l'energia necessaria a far fluire una carica elettrica tra due punti, per creare una corrente. Nel Sistema Internazionale si misura in Volt. Le linee elettriche possono essere ad altissima tensione (tensione nominale superiore a 150 kV), alta tensione (compresa fra 35 e 150 kV), media tensione (compresa fra 1 e 35 kV) e a bassa tensione (tensione inferiore a 1 kV).
.

Le singole pale in mare, lungo la costa, possono invece raggiungere e superare la potenza di 6 MW, (parchi eolici offshore).

Il mare infatti, pur considerando la maggior difficoltà tecnologica nella costruzione degli impianti e gli elevati costi di manutenzione, ha un potenziale enorme per lo sviluppo della tecnologia eolica in quanto permette di sfruttare al meglio la ventosità dei siti.

La caratterizzazione della ventosità, come si è detto in precedenza, è infatti uno tra gli elementi determinanti nella scelta del sito e della tipologia di impianto da installare, ed occorre tenervi conto, così come occorre prestare attenzione ad altri fattori critici:

  • la ventosità del sito: in assenza di campagne anemometriche di misurazione ad hoc, spesso si fa riferimento alla velocità media annua del vento calcolata in metri al secondo (m/s) e misurata a diverse altezze dal suolo.

Dati di riferimento e cartografie nazionali, regionali e locali sono rintracciabili consultando l’Atlante Eolico dell’RSE – Ricerca sul Sistema Energetico;

  • la distanza tra il generatore e gli eventuali edifici circostanti: per evitare disturbi in termini di rumorosità la distanza minima consigliata è di almeno 40-50 metri;
  • la distanza tra il generatore e la rete elettrica: in questo caso minore è la distanza minori sono i costi per collegare l’impianto alla rete;
  • l'impatto ambientaleimpatto ambientale
    L'insieme degli effetti (diretti e indiretti, nel breve o nel lungo termine, positivi o negativi, ecc..) che l'avvio di una determinata attività ha sull'ambiente naturale circostante.
    : pur essendo, l’energia eolica completamente pulita (non essendoci una combustionecombustione
    Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
     essa non genera nessun tipo di inquinante, né alcun gas serra), gli impianti eolici possono avere un impatto ambientale sia dal punto di vista paesaggistico, che sull’avifauna circostante, comunque regolamentato e tutelato dalle vigenti norme ambientali (valutazione strategica - VAS; d’impatto ambientale - VIA; d’incidenza - VincApaesaggistica).

I costi dell’eolico

Una volta appurata l’idoneità del sito prescelto per l’installazione dell’impianto, il passo successivo è valutarne la portata dell’investimento.

Come abbiamo visto in precedenza, l’aerogeneratore è il componente che più impatta sui costi di investimento (CAPEX - Capital Expenditures*) che possono essere così suddivisi:

  • 10-20% - spese progettuali che includono oltre al progetto dell’impianto, eventuali studi anemometrici o analisi della ventosità del sito, valutazioni di impatto ambientale, procedure autorizzative, etc…
  • 20-25% - spese per le opere civili ed elettriche
  • 60-70% - spese per gli aerogeneratori (trasporto, installazione ed avvio operativo inclusi)

In linea generale si può comunque affermare che il costo di ogni kW installato diminuisce all’aumentare della taglia dell’impianto, per cui l’installazione di un mini impianto eolico richiederà in proporzione un investimento iniziale più oneroso rispetto all’installazione di un parco eolico di media-grande dimensione. Questo vale anche per quanto riguarda i costi di esercizio e manutenzione.

Eolico - Pale eoliche - Energia eolica

L’investimento richiesto per impianti che vanno da 1 a 3 MW è di circa 1.350 €/kW, mentre per mini impianti da 20 a 200 kW è pari a 3.200 €/kW.

costi di gestione dei primi si aggirano invece attorno ai 28.000 €/anno MW, mentre per i secondi siamo attorno ai 45.000 €/anno MW.

Analoga è invece la durata di vita dell’impianto che si attesta attorno ai 20 anni, mentre i tempi di costruzione si dimezzano per gli impianti di piccola taglia: 9 mesi per gli impianti da 20-200 kW contro i 18 degli impianti da 1-3 MW.

Per quanto riguarda invece il cosiddetto Fattore di Utilizzo o Capacity Factor gli impianti da 20-200 kW in Italia si attestano attorno alle 1.950 ore equivalenti di funzionamento alla potenza nominalepotenza nominale
Potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni, generalmente specificate dal costruttore.
, contro le 1.800 degli impianti da 1-3 MW, dove per ore equivalenti di funzionamento si intende il rapporto tra la produzione elettrica e la potenza installata (kWhkWh
Unità di misura dell'energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un'ora.
/kW), mentre per potenza nominale si intende la potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni generalmente specificate dal costruttore.

Sul fronte dei costi di dismissione/bonifica fine vita per gli impianti mini eolici essi sono trascurabili, mentre per quelli da 1-3 MW ci aggiriamo attorno ai 5.500 €/MW.

 

*CAPEX - Capital Expenditures: rappresentano flussi di cassa in uscita per la realizzazione di investimenti in attività immobilizzate di natura operativa. Si tratta cioè di investimenti in capitale fisso.

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L'eolico in Europa

Nel 2017, secondo i dati riportati da WindEurope, sono stati registrati 15.680GW di nuova potenza connessa; rispetto al 2016 la crescita ha avuto un notevole tasso di crescita pari al +20%.

Nel 2017 nessuna fonte ha visto installata più potenza dell’eolico, infatti il 55% della nuova capacità rinnovabile connessa è di natura eolica.

La nazione europea che ha contributo per la maggiore alla crescita del comparto eolico è la Germania, con 6,6GW di nuova capacità installata; al secondo posto troviamo il Regno Unito con 4,3GW seguito dalla Francia con 1,7GW.

Al 2017  l’eolico in Europa vanta una capacità totale pari a 169GW, suddivisi in 153GW da impianti onshore e 16GW da impianti offshore; i 169GW di capacità conferiscono all’eolico il secondo posto tra le principali fonti di produzione elettrica in Europa (dopo il gas naturalegas naturale
Idrocarburo che ha un'origine simile al petrolio, che si forma a partire dalla decomposizione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno (O2) di microorganismi, attraverso processi biologici avvenuti nel corso delle ere geologiche. La composizione del gas naturale varia notevolmente a seconda del sito di formazione, ma in genere presenta un'alta percentuale di metano (dal 70 al 95 %), anidride carbonica (CO2CO2
Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

), azoto (N2) e idrogeno solforato (H2S).
) con una quota pari al 18% sull’energy mix.

Nel 2017 sono stati generati 336TWh dall’eolico, dato sufficiente a soddisfare il 12% del fabbisogno di elettricità dei paesi europei.

Come anticipato, la Germania è il paese con la maggiore capacità eolica installata, ma la Danimarca è il paese in cui la fonte eolica soddisfa la maggiore quota dei consumi di elettricità (44%). L’Italia nonostante i miglioramenti registrati negli ultimi anni (nel 2017 sono stati installati 252MW di nuove installazioni) rimane ancora distaccata da molti dei paesi europei come percentuale media annua di elettricità soddisfatta dal vento (5,2%).

 

L'eolico in Italia

Il volume complessivo della potenza eolica installata nel nostro paese, nel 2017 ha raggiunto quota 9.811MW, con le nuove installazioni che hanno accresciuto la potenza installata di 359MW (in crescita del +23,8% rispetto al 2016). La distribuzionedistribuzione
Attività di trasporto (di elettricità o di gas) agli utilizzatori finali attraverso le reti di distribuzione.
della potenza connessa in Italia è distribuita per il 99% nelle regioni del Sud Italia, la cui conformazione territoriale e l’esposizione ai venti favoriscono le installazioni eoliche rispetto alle regioni del Nord.

Potenza eolica installata.png

La nuova potenza eolica installata si suddivide tra gli impianti con potenza maggiore di 5KW, che rappresentano circa il 67% del totale, e la frazione del mini eolico che rappresenta invece il 31% delle installazioni complessive.

Nel corso del 2017 è stato registrato un incremento degno di nota, per quanto concerne il numero di impianti installati, degli impianti con taglia inferiore a 200KW; ne sono stati installati 1974 contro gli 863 installati nel 2016.

Ben il 99% delle nuove installazioni, sempre per numero, riguarda infatti questa tipologia; la motivazione di questa notevole crescita è riconducibile al fatto che entro la fine del 2017 è stato possibile accedere ad incentivo tramite accesso diretto per impianti al di sotto di 60 kW.

Eolico segmentazione per taglia nuove installazioni.png


 

 

 

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