Utilizzo della Tecnologia Superconduttiva per la Connessione di Generatori Eolici alla Rete di Trasmissione in Corrente Alternata.

8 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE
epoca vede procedere di pari passo un aumento continuo della po-
polazione ed una costante crescita dei consumi a livello mondiale.
Questo fenomeno negli ultimi anni ha subito un ulteriore aumento
dovuto allo sviluppo di paesi come l'India e la Cina, che oltre a
contare, da soli, circa 2 miliardi di abitanti, sono in piena fase di
evoluzione tecnologica ed economica [1].
In seguito a queste considerazioni, è evidente come il problema
energetico sia di fondamentale importanza, oggi ancora di più che
in passato. A fronte di una domanda sempre maggiore, esiste il
problema della durata limitata nel tempo delle nostre fonti più
importanti di energia, quali il petrolio ed i gas naturali.
In questo quadro, è giusto pensare ad una politica di sfrut-
tamento delle risorse naturali che riduca in maniera razionale i
consumi e migliori i rendimenti energetici della attività di trasfor-
mazione delle risorse attraverso un continuo sviluppo tecnologico.
Appare inoltre importante sviluppare in maniera più efficiente la
rete di distribuzione energetica e incrementare l'utilizzo delle ener-
gie rinnovabili, che di conseguenza potranno assumere sempre più
importanza nel corso degli anni a venire.
In questa prospettiva si inserisce l'argomento trattato in que-
sta tesi, che riguarda l'impiego di materiali superconduttori per
la distribuzione e il trasporto di energia elettrica prodotta con
l'utilizzo di fonti rinnovabili. L'obbiettivo è quello di utilizzare
un impianto eolico o fotovoltaico per produrre energia elettrica
da fornire alla rete di distribuzione, garantendo al tempo stesso
un'erogazione di potenza che non abbia fluttuazioni nel tempo
troppo elevate. Questo tipo di risultato è auspicabile se si in-
tende in futuro aumentare la quota di energia prodotta da fonti
rinnovabili rispetto a quella prodotta da combustibili fossili. Allo
stato attuale, uno dei motivi che frenano la diffusione delle fonti
di energia rinnovabile è la loro incostanza nel tempo. Per ovviare
a questo problema, nel sistema studiato in questa tesi, si è ipotiz-
zato di ricorrere a due soluzioni differenti. La prima è l'utilizzo
9dell'energia prodotta in eccesso dalla fonte alternativa per pro-
durre idrogeno liquido. L'altra soluzione è l'impiego di materiali
superconduttori per la connessione della centrale alla rete e per
l'accumulo di energia elettrica nel campo magnetico prodotto da
opportuni avvolgimenti. L'idrogeno liquido prodotto viene impie-
gato sia come serbatoio energetico, sia come refrigerante dei cavi
di trasporto realizzati col superconduttore MgB2. Questo mate-
riale si comporta da superconduttore fra i 15K ed i 25K, valori
compatibili con la temperatura di liquefazione dell'idrogeno che è
attorno ai 20K a pressione atmosferica. I cavi di MgB2 svolgono
la funzione di trasporto di energia elettrica e di idrogeno che, ol-
tre a fare da refrigerante, può venire utilizzato come combustibile
nel punto di connessione dei cavi a superconduttore alla rete di
distribuzione. Nel caso specifico sono stati oggetto di studio ge-
neratori eolici off  shore o fotovoltaici, collocati in siti posti in
luoghi isolati, quindi distanti dal punto di connessione alla rete,
per i quali è vantaggioso utilizzare cavi a superconduttore che ga-
rantiscono una pressoché nulla perdita di energia lungo la linea,
data la totale assenza al loro interno di fenomeni dissipativi.
Capitolo 2
Le fonti rinnovabili
2.1 Le fonti rinnovabili oggi
Attualmente, le fonti di energia rinnovabile maggiormente diffuse
sono:
• biomasse;
• eolica;
• geotermica;
• idroelettrica;
• solare.
2.2 L'energia da biomasse
Per biomassa si intendono materiali di origine biologica e/o orga-
nica quali prodotti secondari e di scarto dell'industria e dell'agri-
coltura, rifiuti urbani e tutto ciò che ha composizione organica,
eccezion fatta per le plastiche e i materiali fossili.
La biomassa può essere utilizzata come fonte energetica in di-
versi modi. Può essere direttamente utilizzata come combustibile
oppure trasformata essa stessa in combustibili utilizzati poi in se-
guito come fonte energetica. In questo caso, per la trasformazione
11
12 CAPITOLO 2. LE FONTI RINNOVABILI
della biomassa si utilizzano processi quali la pirolisi, la digestione
anaerobica ed aerobica o la fermentazione alcolica. Il prodotto
ultimo di queste reazioni sono combustibili come il metano, il
biodiesel o il bioetanolo che possono poi essere utilizzati per la
produzione di calore o energia elettrica.
2.3 L'energia eolica
La produzione di energia elettrica tramite il vento è da una decina
d'anni in continuo aumento.
La potenza eolica totale installata nel mondo, secondo dati
recenti (IEA 2002), risulta essere pari a 24292 MW [2].
La maggior parte di questa potenza è stata installata in Europa,
seguono Stati Uniti, India e Cina. In Europa, i paesi con i più
alti quantitativi di potenza installata a fine 2001 sono Germania
(8754 MW), Spagna(3195 MW), Danimarca (2492 MW) Italia
(697 MW), Paesi Bassi (483 MW), Regno Unito (468 MW), Svezia
(290 MW), Grecia (269 MW), Portogallo (127 MW), Irlanda (125
MW). Particolarmente rilevante è il dato della Danimarca, dove la
fonte eolica copre il 12% della domanda totale di energia elettrica.
L'obbiettivo è quello di arrivare a coprire con l'eolico il 4050%
dei consumi elettrici del Paese entro il 2030. In Germania, nel
solo 2001, sono stati installati circa 2650 MW di nuovi impianti.
Il traguardo che si vuole raggiungere è coprire con questa fonte di
energia dal 15 al 25% del fabbisogno energetico nazionale entro il
2030.
La diffusione dell'eolico, come è facile intuire, è strettamente
vincolata alla disponibilità di siti in grado di garantire un'adegua-
ta e sufficientemente costante presenza di vento.
Vanno poi considerati gli effetti che una centrale eolica può
avere sull'ambiente. Possiamo distinguere tre principali proble-
matiche ambientali legate alle centrali eoliche:
2.3. L'ENERGIA EOLICA 13
• impatto visivo e sul patrimonio paesaggistico;
• impatto acustico;
• impatto su territorio, flora e fauna.
Per attenuare il problema dell'impatto visivo, sono diverse le
strategie che si possono seguire. C'è da tener presente però che le
centrali eoliche sono spesso installate in zone scarsamente popo-
late.
Una scelta razionale è quella di studiare la conformazione del
territorio dove sarà posta l'opera e in base a questa analisi, riuscire
ad integrare le pale eoliche in maniera armonica nel paesaggio. Se
negli anni passati venivano costruite centrali in cui le pale erano
disposte in uno spazio ben delimitato e a ridosso l'una dell'altra,
(le cosiddette foreste d'acciaio), la tendenza attuale è quella di
assecondare il più possibile la conformazione del territorio in cui
i rotori vengono disposti, rendendo così l'effetto gradevole alla
vista.
Inoltre il gusto estetico può cambiare nel tempo e ciò che prima
è considerato brutto, può in seguito essere percepito in maniera
diversa. Basti pensare alla torre Eiffel, che doveva essere in origine
smantellata e che poi è divenuta il simbolo forse più famoso della
città di Parigi.
Bisogna anche tenere presente che al termine della vita utile
dell'impianto, in genere 20 o 30 anni, un sito può essere riportato
alla sua conformazione precedente.
L'inquinamento acustico provocato dall'azione delle pale è un
problema che con lo sviluppo dei materiali e della tecnologia di
costruzione dei generatori è stato via via ridotto.
Studi sui materiali e sull'aerodinamica hanno portato a ridurre
le emissioni sonore in maniera notevole, rendendo il problema del
rumore generato dai rotori facilmente superabile e consentendo
l'installazione di questi, nel corso degli ultimi anni, anche in luoghi
vicini a zone abitate.
14 CAPITOLO 2. LE FONTI RINNOVABILI
L'altra variabile di cui tener conto, come evidenziato prima, è
l'impatto sul territorio, la flora e la fauna.
Proprio perché è necessario disporre della quantità maggiore di
vento possibile, le centrali eoliche vengono spesso installate in zone
poco antropizzate, in località collinari o montane. Di conseguen-
za, un approccio mirato a diminuire eventuali danni all'ambiente
circostante deve tenere conto di questo. È quindi opportuno ri-
durre al minimo le modifiche che costruzione ed installazione reca-
no alla zona coinvolta ed impostare parallelamente un progetto di
ripristino delle condizioni originarie una volta dismesso l'impianto.
A fronte di questi che sono gli aspetti negativi più rilevanti , vi
sono però molti aspetti positivi che rendono l'energia eolica una
fonte rinnovabile estremamente pulita e competitiva e che possono
essere considerati prevalenti.
Infatti la generazione di energia è completamente priva di emis-
sioni nocive e sfrutta una fonte del tutto gratuita quale il vento.
l'impatto sul territorio è poi di tipo prevalentemente estetico, lega-
to alla modifica del paesaggio precedente. Un tipo di interazione
che è sicuramente preferibile rispetto a quella di altri tipi di cen-
trali anche in confronto ai benefici che questa fonte di energia può
dare. I costi di produzione, grazie ai passi avanti fatti negli ultimi
anni, variano fra 0,05 e 0,08 euro/kWh e nei siti migliori e che uti-
lizzano generatori delle ultime generazioni, il costo può arrivare a
0.04 euro/kWh, un valore altamente competitivo.
In Italia a fine 2001 risultavano installati 697 MW eolici, rag-
giunti grazie ad un incremento di 270 MW (+63%) rispetto al
2000. La tendenza futura sembra quindi essere questa, favori-
ta da provvedimenti legislativi come il Decreto Legge n. 79 del
16 Marzo 1999 (Decreto Bersani) che ad esempio, all' articolo
11 recita:...Al fine di incentivare l'uso delle energie rinnovabi-
li, il risparmio energetico,la riduzione delle emissioni di anidride
carbonica e l'utilizzo delle risorse energetiche nazionali, a decor-
rere dall'anno 2001 gli importatori e i soggetti responsabili degli
2.3. L'ENERGIA EOLICA 15
impianti che, in ciascun anno, importano o producono energia
elettrica da fonti non rinnovabili hanno l'obbligo di immettere
nel sistema elettrico nazionale, nell'anno successivo, una quota
prodotta da impianti da fonti rinnovabili entrati in esercizio o
ripotenziati...
2.3.1 Struttura di un generatore eolico
Le pale della turbina eolica convertono l'energia cinetica del vento
in energia elettrica grazie alla trasmissione della rotazione ad un
rotore elettrico. Si possono distinguere tre categorie di turbine
eoliche, in base alla loro struttura:
• ad asse orizzontale parallelo alla direzione del vento;
• ad asse orizzontale non parallelo alla direzione del vento;
• ad asse verticale.
Le turbine maggiormente utilizzate sono ad asse orizzontale pa-
rallelo alla direzione del vento, da una sino a tre pale.
Le turbine eoliche possono poi essere classificate in base all'o-
rigine della coppia motrice che fa ruotare le pale.
Abbiamo così:
• turbine che sfruttano la portanza del vento;
• turbine che sfruttano la forza d' attrito del vento sulle pale.
La potenza ceduta dal vento alle pale è definita dalla seguente
relazione:
Pm = Arv2
ρ
2
(v21 − v23) (2.1)
dove:
1. Ar è l'area descritta dalle pale della turbina durante la rota-
zione;
16 CAPITOLO 2. LE FONTI RINNOVABILI
2. ρ è la densità di massa dell'aria;
3. v1 è la velocità dell' aria a monte della turbina;
4. v2 è la componente assiale della velocità dell'aria nella zona
delle pale della turbina;
5. v3 è la velocità dell' aria a valle della turbina.
La densità di massa dell'aria è data dalla relazione:
ρ = ρ0
288B
760T
(2.2)
dove:
1. ρ0 è la densità di massa dell'aria a temperatura e pressione
standard (1.226kg/m3 a 288 K e 760mm Hg);
2. T è la temperatura in K;
3. B è la pressione in millimetri di mercurio.
Un altra grandezza che descrive il funzionamento di una turbi-
na eolica è il coefficiente di potenza, che rappresenta il rapporto
tra la potenza ceduta dal vento al rotore e quella posseduta dal
vento indisturbato:
Cp =
Pm
1
2ρARv31
(2.3)
Il massimo della potenza che può essere ceduta dal vento alla
turbina si ha quando la velocità v3 a valle della turbina è un terzo
della velocità v1 a monte. Si ha:
Pw,max =
16
27
AR
ρ
2
v31 (2.4)
Dalla 2.4 si deduce che il valore massimo del coefficiente di
potenza di una turbina eolica è uguale al 59%, in particolare:
Cp,max =
16
27
= 0.59 (2.5)
2.3. L'ENERGIA EOLICA 17
Attualmente le turbine eoliche hanno un coefficiente di poten-
za compreso tra il 40% ed il 50%, con delle perdite di potenza
dovute alle forze di attrito viscoso fra vento e pale e alle perdite
nel sistema elettrico.
La produzione di energia inizia una volta raggiunta la velocità
di inserimento. Se la velocità del vento supera un certo valore la
turbina viene fermata per evitare eventuali danni.
Per collegare un generatore eolico alla rete elettrica, si pos-
sono usare sia macchine sincrone che asincrone, dipende dalle
condizioni di funzionamento. Ciascuna delle due soluzioni viene
attualmente utilizzata nella pratica [3].
2.3.2 Prospettive future
Come già accennato precedentemente, la disponibilità di siti con
adeguate quantità di vento è sicuramente limitata e tende a dimi-
nuire man mano che queste aree sono utilizzate. In futuro aumen-
terà sempre più l'utilizzo di impianti off  shore che consentono
di sfruttare nuovi spazi con presenza di buone condizioni di ven-
to. L'aspetto sfavorevole di queste installazioni è l'aumento dei
costi di costruzione, la difficoltà di creare fondazioni marine, una
manutenzione più onerosa ed un più difficile collegamento alla
terraferma.
Secondo le previsioni dell'IEA (International Energy Agency)
si prevede che nel 2020 il 2.3% del fabbisogno mondiale di energia
sarà fornito dalle fonti rinnovabili ed in particolare dalla fonte
eolica. A fine 1997 il Libro bianco della Commissione Europea
sullo sviluppo delle energie rinnovabili, fissava il traguardo di 40
GW eolici installati nei paesi dell' Unione entro il 2010; queste
previsioni sono state nel 2000 rivedute al rialzo, ipotizzando fino
a 150 GW eolici installati entro il 2020.
18 CAPITOLO 2. LE FONTI RINNOVABILI
Figura 2.1: Centrale off  shore in Danimarca
2.4 L'energia geotermica
L'energia geotermica è prodotta utilizzando il calore provenien-
te dall'interno della terra. Esso viene utilizzato per riscaldare un
fluido (tipicamente acqua) che a sua volta può essere utilizzato di-
rettamente come fonte di riscaldamento oppure, tramite l'impiego
di turbine, per produrre energia elettrica. L'energia geotermica è
un ottima fonte di energia rinnovabile in quanto assolutamente pu-
lita, l'unico suo limite è rappresentato dalla sua limitata presenza
in natura.
2.5 L'energia idroelettrica
Tra le fonti rinnovabili, quella idroelettrica è senza dubbio una
delle più utilizzate.
Le centrali idroelettriche sfruttano l'energia cinetica dell' acqua
in caduta da un serbatoio posto ad una determinata quota, fino
alla centrale a valle in cui sono disposte le turbine che, trascinando
in rotazione uno o più generatori connessi alla rete, convertono
l'energia meccanica in elettrica.
2.5. L'ENERGIA IDROELETTRICA 19
L'energia potenziale idraulica disponibile, in riferimento ad un
determinato intervallo di funzionamento, è data dalla relazione:
E = ρgHQ∆t (2.6)
dove ρ è la densità dell'acqua, Q la portata, g l'accelerazione di
gravità ed H è il salto dell'impianto. Quest'ultima grandezza rap-
presenta il dislivello fra il pelo libero dell'acqua nel serbatoio e la
quota a cui si trova la centrale. Ad ogni metro di salto corrispon-
de un'energia potenziale idraulica di circa 8.5 kJ per metro cubo
d'acqua.
L'energia effettivamente fornita alla rete elettrica deve tenere
conto delle perdite dovute al passaggio dell'acqua nelle condotte
forzate che la convogliano alle turbine, alla conversione meccani-
ca, alla generazione elettrica ed infine all'energia che serve per il
funzionamento dei servizi ausiliari della centrale.
Fatte queste considerazioni, resta il fatto che i rendimenti delle
centrali idroelettriche sono fra i più alti nel campo della produzio-
ne di energia, sia da fonti rinnovabili che tradizionali, oscillando
fra l'80% e il 90%.
L'energia prodotta con questo tipo di centrali è estremamen-
te pulita poiché non implica alcun tipo di emissione inquinante
nell'ambiente. Tuttavia c'è da considerare come grandi impianti
idroelettrici abbiano un grosso impatto ambientale dovuto alle ra-
dicali modifiche che essi portano alle zone in cui vengono costruiti.
Sia a monte dell'impianto, con l'inondazione di vaste aree di ter-
ritorio e la formazione di bacini artificiali, sia a valle, dove viene
modificata la preesistente morfologia dei corsi d'acqua. Proprio
per evitare radicali cambiamenti legati alla riduzione della por-
tata del fiume a valle, le centrali idroelettriche devono garantire
un rilascio minimo continuo d'acqua, per consentire all'ecosistema
fluviale il naturale svolgimento di tutti i processi biologici e fisici
preesistenti.
Negli ultimi anni si stanno diffondendo impianti idroelettrici