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PAUSA-ENERGIA
 
Come si valutano le prestazioni di un sistema minieolico Stampa E-mail
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di Silvano Viani e Gian Antonio Zanetta | RSE, Ricerca Sistema Energetico



             
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The present situation of wind plants equipped with small wind turbines (from 1 to 200 kW) operating in Italy is first reported, together with a synthetic overview of the generators available on the Italian market. The small wind turbine market in Italy seems to have good opportunities, presenting a wide range of products, diversified in size and technology, with a constant increase in the number and installed power of the small wind plants. However, the number and the total capacity of small plants are still very small, if compared to that of larger wind power plants.

Estimates of the expected energy production for different hypotheses of wind resource are then provided for small wind turbine models belonging to medium to large sizes in their category. The return of the investment for the small wind plants is shortly investigated.

Finally, the first results of a measurement campaign performed by RSE on a wind plant, with rated power of 50 kW, connected to the grid are here reported. In particular, the preliminary power curve obtained for this wind turbine, measured as far as possible according to the requirements of the relevant IEC Standard, is compared with the theoretical one given by the manufacturer. The results indicate that the measured power curve is close to the expected one.

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Negli ultimi tempi si è prodotto un notevole interesse verso gli impianti minieolici, a seguito degli appositi incentivi previsti nella Legge n. 244 del 24 dicembre 2007 e nel successivo Decreto Ministeriale del 18 dicembre 2008. In particolare, per potere accedere ai benefici di legge un impianto deve presentare potenza nominale fra 1 e 200 kW ed essere collegato alla rete elettrica. Per potenze nominali inferiori a 60 kW sono inoltre previste agevolazioni autorizzative. In generale, la compensazione economica più vantaggiosa tra quelle previste consiste nella tariffa onnicomprensiva di 300 euro/MWh per tutta l’energia immessa in rete.
Gli impianti minieolici sono fondamentalmente formati da un miniaerogeneratore, con asse di rotazione orizzontale o verticale, che trasforma l’energia del vento in energia elettrica, da un sistema di conversione per la sua immissione in rete e da un contatore dell’energia prodotta.
Una ricerca di mercato ha evidenziato che nel settore minieolico in Italia è presente un’offerta di prodotti ampia, diversificata e in costante aumento. In particolare, a fine 2010 risultavano commercializzati almeno 188 miniaerogeneratori con asse di rotazione orizzontale e almeno 42 miniaerogeneratori con asse di rotazione verticale: per questi ultimi la massima potenza nominale non superava i 50 kW. Tra i costruttori di miniaerogeneratori ad asse orizzontale si annoveravano 19 italiani, 42 esteri e 8 con nazionalità non identificata, mentre nella macchine ad asse verticale si sono censiti 13 costruttori nazionali, 4 esteri e 3 di nazionalità non precisata. Nel settore minieolico è quindi presente un apprezzabile numero di costruttori italiani, e dunque un’eventuale espansione di tale settore potrebbe generare interessanti ricadute anche per l’industria manifatturiera nazionale.
Analizzando i dati riportati nei bollettini Incentivazione delle fonti rinnovabili emessi dal GSE è stato rilevato che è in atto una notevole crescita del numero degli impianti minieolici qualificati IAFR e della loro potenza totale; i numeri assoluti rimangono tuttavia modesti, se rapportati a quelli degli impianti eolici più grandi. Informazioni su impianti minieolici reperite in Internet fanno peraltro ritenere che in Italia possa essere presente un numero di impianti superiore a quelli qualificati, in quanto è possibile che non tutti i proprietari abbiano ancora completato le procedure per la qualifica IAFR, necessaria per accedere agli incentivi.



Producibilità e aspetti economici
Il parametro fondamentale di un impianto minieolico è la producibilità, ovvero la quantità di energia elettrica che può produrre in un determinato periodo. La producibilità dipende essenzialmente dalla ventosità in sito, dalla curva di potenza del sistema minieolico, dalla sua disponibilità (dato che per gli aerogeneratori più grandi si aggira attorno al 97 per cento, ma che per i sistemi minieolici spesso non è noto) e dalla quota sul livello del mare che, a causa della minore densità dell’aria, riduce la producibilità del 9 per cento circa all’aumentare della quota da 0 a 1.000 metri.
La ventosità del sito è usualmente espressa dalla curva di distribuzione del vento, che rappresenta il numero di ore annue con velocità del vento entro valori prefissati. Spesso, prima dell’installazione di un impianto minieolico, viene effettuata una campagna di rilievi anemometrici in sito per determinare le condizioni del vento. La velocità del vento aumenta al crescere dell’altezza dal suolo e viene valutata alla quota del baricentro delle pale rispetto al suolo, che può variare da 5÷6 metri fino a oltre 50.
In assenza di rilievi in sito, la curva di distribuzione del vento può essere ricavata in prima approssimazione da mappe di validità generale, come ad esempio l’Atlante Eolico Italiano, dove è espressa tramite la legge di distribuzione di Weibull in funzione della velocità media del vento v e di un parametro di forma k che riassume la caratteristiche del vento nel sito.

L’ATLANTE EOLICO È DISPONIBILE SUL SITO RSE
http://atlanteeolico.rse-web.it/viewer.htm

Nella Figura 3 sono rappresentate alcune curve di distribuzione di Weibull ottenute variando la velocità media del vento e il parametro k. La curva di potenza di un sistema minieolico rappresenta la potenza immessa in rete da tale sistema in funzione della velocità del vento. Nel rapporto ERSE (ora RSE) del 2010 Gli impianti minieolici in Italia: macchine, quadro normativo, valutazioni tecnico-economiche, sono riportate le curve di potenza di 182 miniaerogeneratori ad asse orizzontale e di 33 miniaerogeneratori ad asse verticale.

IL RAPPORTO È LIBERAMENTE DISPONIBILE SUL SITO
http://www.rse-web.it/Documenti/rapportip. aspx?idP=418&idT=1&idN=2071

Tali curve in gran parte sono state attinte dai siti web dei costruttori o distributori e per un ridotto numero di miniaerogeneratori sono state comunicate dai fornitori. Nella Figura 4 sono riprodotte in termini statistici le curve di potenza relative a modelli minieolici di taglia media o grande; si osserva una certa variabilità tra i modelli appartenenti alla medesima classe di potenza.
Spesso non vengono fornite indicazioni su come le curve di potenza sono state ricavate e se rappresentano le prestanuova zioni dell’intero sistema minieolico o solo di una sua parte, contrariamente a quanto avviene per gli aerogeneratori più grandi, le prestazioni dei quali sono usualmente certificate da autorevoli enti quali Germanischer Lloyd e TÜV (Germania), Risø (Danimarca), CIWI (Paesi Bassi), NREL (Stati Uniti).
In Italia non esiste infatti l’obbligo di produrre certificazioni della rispondenza dei miniaerogeneratori alla normativa tecnica del settore. Per il settore minieolico, soprattutto per le macchine più piccole, la certificazione potrebbe peraltro comportare una significativa incidenza sui costi, almeno a fronte di ridotti volumi di vendita.
Nella Figura 5 sono indicate le producibilità medie annue di impianti a livello del mare con un miniaerogeneratore da 200 kW, ricavate per le curve di potenza rossa (massima) o verde (minima) della Figura 4, ipotizzando una disponibilità del 97 per cento. L’aerogeneratore con la curva di potenza rossa presenta una producibilità maggiore di quello con la curva di potenza verde, perché possiede prestazioni superiori ai venti più bassi, che essendo più frequenti contribuiscono maggiormente alla producibilità.
Un’indagine sui costi degli impianti minieolici ha evidenziato notevoli dispersioni sui prezzi, in particolare per i modelli di piccola taglia, legate anche a fattori quali il Paese di produzione o le eventuali certificazioni che accompagnano il prodotto.
I costi per potenza unitaria dipendono dalla taglia del miniaerogeneratore. Indicativamente, si può considerare che i costi di un impianto chiavi in mano varino da 5.000 a 7.000 euro/kW con macchine fino a 5 kW, da 3.000 a 4.000 euro/ kW nella fascia di potenza da 10 a 60 kW, per scendere attorno a 2.500 euro/kW per gli impianti da 100÷200 kW.
Tenuto conto dell’attuale quadro legislativo, si è stimato che con costi dell’impianto di 3.500÷4.000 euro/kW e con producibilità di 1.600÷1.800 ore/anno equivalenti, i tempi di ritorno dell’investimento si aggirano sugli 11÷12 anni. Per gli impianti di taglia più grande, con costi dell’impianto di 2.500÷2.700 euro/kW, i tempi di ritorno dell’investimento si riducono a circa 8 anni.


Valutazione delle prestazioni in sito
di un impianto minieolico

Per poter valutare le prestazioni di sistemi minieolici in normale esercizio, RSE ha contattato fornitori, costruttori e gestori di impianti minieolici proponendo di monitorare con un proprio sistema di monitoraggio loro impianti, e privilegiando quelli già dotati di torri anemometriche o strutture equivalenti, in modo da ridurre costi e tempi della sperimentazione. A seguito di un certo numero di positive manifestazioni di interesse da parte di operatori del settore, sono state avviate alcune collaborazioni.
Di seguito sono illustrati i primi risultati ottenuti da RSE con una campagna di monitoraggio, iniziata a fine dicembre 2010, su un impianto minieolico ubicato a circa 5 chilometri dal mare nel comune di Castellina Marittima (PI). L’impianto è costituito da un aerogeneratore bipala Libellula, prodotto dalla società Aria, con diametro del rotore dell’aerogeneratore di 18 metri e mozzo delle pale disposto a 31 metri dal suolo. La potenza nominale dell’aerogeneratore in esame, pari a 55 kW nel progetto originale, è stata ridotta dal costruttore a 50 kW, modificando leggermente le modalità di regolazione, per problemi di connessione alla rete di bassa tensione.
Un traliccio per telecomunicazioni in prossimità dell’impianto è stato strumentato da RSE con un sistema meteo-anemometrico per determinare le condizioni del vento. Il sistema di monitoraggio, installato da RSE è costituito da:

un sistema meteo-anemometrico, posizionato sul traliccio per telecomunicazioni, dotato di due anemometri, una banderuola, un misuratore della pressione atmosferica, un misuratore della temperatura dell’aria e un trasmettitore Wi-Fi;
un sistema di acquisizione dei dati, alloggiato all’interno della cabina dell’impianto, che memorizza e trasmette periodicamente alla sede RSE di Milano i dati provenienti sia dal sistema meteo-anemometrico sia da un contatore elettrico che rileva la potenza elettrica dell’impianto immessa in rete. Sono riportati i risultati delle analisi fin qui effettuate, aventi lo scopo di ricavare dati preliminari sulla curva di potenza del sistema minieolico, attenendosi per quanto possibile alle prescrizioni della Norma CEI EN 61400-12-1.

Nel diagramma della Figura 6 è riportata innanzitutto la potenza attiva immessa in rete dal sistema minieolico in funzione della velocità del vento incidente sull’aerogeneratore, determinata utilizzando i dati maggiormente rappresentativi, normalizzati in modo da ricondursi a condizioni standard. Nello stesso diagramma sono riportate anche la potenza attiva media, ricavata per intervalli, o bin, di velocità del vento con ampiezza di 0,5 metri/secondo, e le curve di potenza indicate dal costruttore dell’aerogeneratore per intensità della turbolenza del vento pari a 0 (regime laminare) e a 0,18, valore quest’ultimo indicato dalla Norma CEI EN 61400-2 come prescrizione di progettazione per una velocità del vento di 15 metri/secondo.
L’acquisizione dei dati proseguirà almeno per tutto il 2011 per ottenere informazioni più complete e di più lungo periodo. I valori fin qui misurati e riportati nella figura lasciano prevedere che la curva di potenza del sistema minieolico indicata dal costruttore possa risultare in buon accordo con i dati sperimentali.


Conclusioni
Il settore minieolico, a seguito delle apposite incentivazioni previste, sembra presentare buone prospettive, con un’offerta di prodotti ampia, diversificata e in costante aumento, accompagnata da una crescita rilevante nel numero e nella potenza totale installata degli impianti, anche se i numeri assoluti restano per ora modesti.
La redditività di un impianto minieolico aumenta al crescere della taglia dell’aerogeneratore fino a raggiungere, con macchine di 100÷200 kW e con costi dell’impianto chiavi in mano di 2.500÷2.700 euro/kW, tempi di ritorno stimati attorno agli 8 anni.
Per poter valutare le prestazioni reali di impianti minieolici, RSE ha messo a punto un apposito sistema di monitoraggio. Un suo primo utilizzo su un impianto minieolico della società Aria, dotato di un aerogeneratore bipala ad asse orizzontale Libellula con potenza nominale ridotta a 50 kW, ha permesso di rilevare dati preliminari sulle prestazioni dell’impianto, che sono risultate in linea con quelle attese.


Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell’ambito dell’Accordo di Programma tra ERSE (ora RSE) e il Ministero dello Sviluppo Economico - D.G. Nucleare, Energie rinnovabili ed efficienza energetica - stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM, 19 marzo 2009.

 

 
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