Capitolo 1
Produzione di energia elettrica da
fonte eolica
1.1 Energia eolica
Lo sfruttamento dell’energia eolica è basato sulla conversione dell’energia cinetica del vento in energia meccanica (all’asse della turbina eolica) e, tramite il generatore coassiale, in energia elettrica. L’energia eolica può essere convertita in energia elettrica attraverso:
- singole macchine con accumulo elettrico per insediamenti isolati non connessi alla rete;
- gruppi di pochi aerogeneratori alimentanti reti locali;
- centrali eoliche collegate generalmente alla rete elettrica MT.
In base alla tecnologia oggi disponibile, la realizzazione di centrali eoliche rappresenta l’alternativa più importante e maggiormente conveniente dal punto di vista economico.
1.2 Energia eolica nel mondo ed in Italia
Negli ultimi anni, la potenza eolica installata nel mondo è aumentata molto rapidamente passando dai 7 600 MW presenti alla fine del 1997 ai 31 000 MW della fine del 2002 [1]. In Europa si è passati dai 429 MW del 1990 ai 23 000 MW del 2002 (figura 1.1).
Figura 1.1: Potenza eolica installata in Europa 1990-2002
Anche nel 2003 la corsa all’eolico non si è fermata e ha portato all’installazione di 8 133 MW complessivi nel mondo. Di questa potenza il 67% è stata installata in Europa (figura 1.2).
Figura 1.2: Potenza eolica installata nel mondo nel corso del 2003
Alla fine del 2003 i cinque paesi mondiali con maggior potenza eolica installata risultano essere Germania, USA, Spagna, Danimarca ed India (tabella 1.1).
Tabella 1.1: Paesi leader nel settore eolico
MW eolici installati (fine 2003) Germania 14 609 USA 6 374 Spagna 6 202 Danimarca 3 110 India 2 110
In Italia si è passati dai 788 MW del 2002 ai 904 MW presenti sul territorio nazionale alla fine del 2003. L’obiettivo minimo indicato dal libro bianco italiano è il raggiungimento, per il 2010, di una potenza eolica installata sul territorio
nazionale pari a 2500 MW. Come si può notare dalla tabella 1.2, nel 2003 la società che ha realizzato più impianti in Italia è Enel Green Power (68 MW). Le regioni in cui si è installato di più sono Sicilia (39 MW), Sardegna (23.8 MW), Campania (23.3 MW), e Basilicata (14.9 MW).
Tabella 1.2:Potenza eolica installata nel 2003 in Italia
1.4 Sviluppo tecnologico delle turbine eoliche
Il supporto politico e l’interesse pubblico verso le fonti rinnovabili hanno provocato, in tutto il mondo, un incremento massiccio dell’utilizzazione della potenza eolica accompagnato da un notevole sviluppo delle tecnologie ad essa connesse. Un indicatore dello stato di sviluppo della tecnologia delle turbine eoliche è la taglia delle turbine stesse che sta continuando ad incrementarsi in maniera molto rapida da quando, nel 1994, è stata superata la barriera di 1 MW (figura 1.3).
Figura 1.3: Taglia degli aerogeneratori nel corso degli anni (1985-2003)
Se si utilizza il diametro del rotore come fattore indicatore dello stato della tecnologia si possono individuare quattro fasi:
- prima del 1985: diametro < 15 m.
Questa è la fase sperimentale di tutte le aziende produttrici, caratterizzata da progetti di aerogenertori molto semplici. La ricerca è incentrata su problemi teorici e tecnologici riguardanti le turbine eoliche; temi relativi alla qualità della potenza, all’impatto con la rete non sono presi in considerazione.
- 1985-1989: 15 < diametro < 30m
La tecnologia si evolve verso progetti specifici e alcuni di questi portano alla produzione di piccole serie di aerogeneratori. La ricerca produce i primi codici di progetto e standard nazionali
- 1989-1994: 30 < diametro < 50m
La ricerca ottiene maggiore risultati di quelli che l’industria riesca ad assorbire. Vengono fissati codici di progetto e standard internazionali.
Si diffondono in maniera considerevole le turbine di potenza 500/600 kW che vengono prodotte dall’industria in larga scala.
- 1994-oggi: diametro > 50m
A caratterizzare questa fase è il passaggio da taglie di 1 MW fino a 2 MW e, la successiva spinta verso turbine di 3, 5 MW. Il diffondersi di vere e proprie centrali eoliche di potenza ragguardevole, porta l’attenzione in primo piano su tutti quei problemi riguardanti l’allacciamento di questi impianti alla rete . Gli sforzi sono mirati ad ottenere un’integrazione sempre migliore degli impianti eolici con il sistema elettrico cui sono allacciati.
1.5 Sistemi di aerogenerazione
La quasi totalità degli attuali impianti eolici per la produzione di energia elettrica adottano aerogeneratori ad asse orizzontale parallelo alla direzione del vento Gli aerogeneratori di taglia medio-grande possono essere attualmente classificati in tre grandi categorie in relazione alla tecnologia impiegata :
1) Aerogeneratori a velocità costante con generatore asincrono a gabbia di scoiattolo direttamente connesso alla rete (figura 1.4);
2) Aerogeneratori a velocità variabile con “doubly fed induction generator” (DFIG) (figura 1.5);
3) Aerogeneratori a velocità variabile con generatore sincrono connesso alla rete tramite convertitore elettronico di potenza (figura 1.6).
Oltre a questi tre sistemi di utilizzazione della potenza eolica, i produttori hanno sviluppato numerose altre soluzioni costruttive, alcune delle quali sono ancora in uso, mentre altre sono state definitivamente abbandonate .
Figura 1.4: Sistema velocità costante con generatore Asincrono
Figura 1.5: Sistema a velocità variabile con DFIG.
Aerogeneratori a velocità costante
Gli aerogeneratori funzionanti a velocità costante (figura 1.4) sono costituiti da un generatore asincrono a gabbia di scoiattolo connesso al mozzo tramite un moltiplicatore. Lo statore del generatore è collegato direttamente alla rete. A seconda della potenza generata, lo scorrimento dell’asincrono varia, cosicché la velocità non è proprio costante. Ma la variazione di quest’ultima è così piccola (1-2%) che questi aerogeneratori vengono comunemente detti a velocità costante. La potenza reattiva assorbita dal generatore asincrono può essere fornita tramite condensatori. La potenza erogata è regolata unicamente da un controllo di tipo aerodinamico: lo Control o l’Active-Control. Nelle turbine con Stall-Control, le pale sono attaccate al mozzo con inclinazione fissa ed è grazie al loro profilo che viene ridotta l’efficienza aerodinamica del rotore quando la velocità del vento diventa superiore a quella nominale di funzionamento. L’Active-Stall-Control è analogo allo Stall-L’Active-Stall-Control, ma permette un migliore utilizzazione della potenza eolica alle alte velocità, grazie ad una piccola variazione del passo delle pale (in un range compreso tra 0 e 4 gradi) che consente di incrementare l’efficienza aerodinamica del rotore (figura 1.7) . Il risultato è che la curva di potenza assume un andamento orizzontale (alla potenza nominale) fino a quando il vento non raggiunge la velocità di cut-out.
Figura 1.7:Curva di potenza tipica per un aerogeneratore funzionante a velocità costante con sistema Active-Stall-Control
Aerogeneratori a velocità variabile
Il sistema elettrico degli aerogeneratori funzionanti a velocità variabile è realizzato con la tecnologia del DFIG o con generatore sincrono connesso alla rete tramite convertitore.
- Aerogeneratori con DFIG (figura 1.5)
Il generatore elettrico è un asincrono a rotore avvolto con statore connesso direttamente con la rete. Tra il rotore e lo statore è collegato un convertitore tramite il quale viene variata la frequenza delle grandezze rotoriche in modo da realizzare il funzionamento a velocità variabile. Il convertitore permette inoltre di compensare totalmente la domanda di reattivo del generatore in modo tale da mantenere il fattore di potenza al valore desiderato. La trasmissione della potenza dall’albero lento al generatore elettrico è realizzata con un moltiplicatore. La strategia di controllo aerodinamico utilizzata è il Pitch-Control che consente di ottimizzare la potenza erogata diminuendo o aumentando l’efficienza aerodinamica delle pale a seconda delle condizioni di ventosità.
- Aerogeneratori con generatore sincrono (figura 1.6)
Il generatore può avere rotore avvolto o essere a magneti permanenti. Il moltiplicatore non è necessario poiché si utilizzano sincroni lenti con elevato numero di poli. Come nel caso di aerogeneratori con DFIG, il controllo aerodinamico si effettua variando il passo delle pale (Pitch-Control).
Figura 1.8:Curva di potenza tipica di un aerogeneratore a velocità variabile con Pitch-Control (linea continua) e di uno a velocità fissa con Stall-Control stallo (linea tratteggiata).
I sistemi di generazione elencati in precedenza presentano dei vantaggi e degli svantaggi. Le turbine eoliche funzionanti a velocità costante sono relativamente semplici e robuste ma presentano diversi inconvenienti quali la difficoltà di controllo di potenza sia attiva che reattiva e le rilevanti fluttuazioni nella potenza in uscita. Se questi aerogeneratori sono collegati a reti deboli il problema delle oscillazioni di potenza è particolarmente sentito in quanto da origine a fenomeni di Fliker [2] di notevole consistenza.
Gli aerogeneratori a velocità variabile permettono una migliore utilizzazione della potenza eolica grazie ad un miglioramento dell’efficienza del rotore e la potenza attiva e reattiva generate possono essere controllate facilmente. Le oscillazioni di potenza sono ridotte al minimo. Generalmente con turbine a velocità variabile non si hanno sulla rete problemi legati al Fliker. Lo svantaggio principale dei sistemi a velocità variabile sta essenzialmente nella complicazione e nelle dimensioni in termini di potenza del convertitore.
