Reti di monitoraggio e controllo di parchi eolici

Introduzione 
 
 Reti di monitoraggio e controllo di parchi eolici  - 2 - 
dovute all ambiente, per poter scegliere il giusto canale comunicativo per ogni 
applicazione. 
L impianto oggetto di studio Ł la centrale eolica in localit  Roseto Valore (in figura), nel 
foggiano, di cui si sono analizzati tutti i collegamenti esistenti, dal singolo parco eolico alla 
sottostazione. 
In ultima analisi si Ł proposta una soluzione per il controllo centralizzato di tutte le 
sottostazioni in cui confluiscono i parchi eolici. 
 
 
 
 
 
Capitolo 1  -   Fonti di energia rinnovabili (FER)  
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Capitolo 1 
 
 
 
Fonti di energia rinnovabili (FER)  
 
 
1.1 Definizione di FER 
 
Una fonte energetica Ł rinnovabile quando il suo sfruttamento avviene in un tempo 
confrontabile con quello necessario per la sua rigenerazione. La legge 10/91 considera le 
seguenti fonti energetiche rinnovabili (FER): il sole, il vento, l’energia idraulica, le risorse 
geotermiche, le maree ed il moto ondoso. Questa 
definizione va completata includendo le biomasse 
(p. es. legno), precisando che tali risorse sono da 
considerarsi rinnovabili solo se gestite in modo 
appropriato, vale a dire facendo s  che il loro tempo 
di utilizzo sia compatibile con quello di ripristino. 
E  importante considerare come le forme di energia 
sul nostro pianeta hanno origine dall irraggiamento solare, ad eccezione dell’energia 
nucleare, geotermica e delle maree. L energia idroelettrica, che sfrutta le cadute d acqua, 
non esisterebbe senza il ciclo  solare  dell evapor azione e della pioggia. Senza il sole non 
ci sarebbe il vento, dovuto al disuniforme riscaldamento delle masse d aria, e quindi 
l’energia eolica. L energia delle biomasse Ł energia solare immagazzinata chimicamente, 
attraverso il processo della fotosintesi clorofilliana. Anche i combustibili fossili (carbone, 
petrolio, gas naturale) derivano dalla energia del sole immagazzinata nella biomassa 
Capitolo 1  -   Fonti di energia rinnovabili (FER)  
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milioni di anni fa attraverso il processo della fotosintesi clorofilliana, ma non sono 
rinnovabili in tempi storici. 
L utilizzo di FER Ł l ultimo gradino di una piramide che ha come base il risparmio 
energetico e l uso razionale dell energia. Il primo  passo Ł, infatti, quello di limitare gli 
sprechi incrementando l efficienza dei dispositivi che producono energia. Solo in seguito si 
pu  pensare alla scelta della fonte energetica con cui alimentare questi dispositivi. 
Le FER presentano numerosi vantaggi, di cui i maggiori sono senza dubbio l assenza di 
emissioni inquinanti durante il loro utilizzo (fonti  pulite ) e la loro inesauribilit . Tali lati 
positivi le rendono del tutto preferibili rispetto alle fonti fossili oggi utilizzate, come 
petrolio, gas naturale e carbone. 
Le FER sono caratterizzate da una variabilit  impre vedibile (si pensi ai regimi di vento o 
anche alle piene dei fiumi), per cui in genere Ł necessario un sistema integrativo che  aiuti  
l impianto alimentato a FER e ne assicuri la continuit  di servizio. Nel caso, p. es. di un 
impianto fotovoltaico, il sistema integrativo pu  e ssere costituito da un parco batterie per 
l accumulo dell energia, oppure dalla rete elettric a o da un gruppo elettrogeno diesel. Nel 
caso di un sistema solare termico, l integrazione Ł data da una caldaia a gas oppure da uno 
scaldabagno elettrico. La combinazione di piø FER, meglio se complementari (es. sole e 
vento), permette di ridurre il loro carattere imprevedibile e diminuire cos  la dipendenza 
dal sistema integrativo. 
Facendo un bilancio a livello nazionale, l andamento della produzione di energia da FER 
oggi Ł, per , complessivamente negativo. Questo deriva dalla sommatoria di fonti (eolico) 
che hanno fatto registrare incrementi molto elevati, rispetto alle previsioni, e di fonti (ad 
esempio biomasse) rimaste stazionarie o quasi. 
Una considerazione di carattere generale che si pu  trarre Ł che, con tutta probabilit , vi 
sono alla base delle cause di ordine strutturale e intrinseche alla natura delle fonti stesse. Il 
sistema economico e sociale delle societ  avanzate Ł stato, infatti, progettato e si Ł 
sviluppato in modo centralizzato intorno alle energie convenzionali (petrolio, gas, carbone 
e nucleare) e, in particolare, sulla produzione di energia elettrica da grandi impianti di 
potenza. Le nuove rinnovabili presuppongono, viceversa, un sistema decentralizzato, si 
basano su impianti di piccola taglia con un forte legame con il territorio le cui risorse 
Capitolo 1  -   Fonti di energia rinnovabili (FER)  
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naturali (vento, acqua, sole, vegetazione, ecc.) alimentano gli impianti di produzione di 
energia. 
Uno dei problemi piø importanti Ł quello di ordine economico. Molte delle fonti 
rinnovabili non sono, allo stato attuale, competitive e hanno bisogno di supporti finanziari. 
Praticamente tutti gli stati membri dell Unione europea hanno introdotto contributi sotto 
forma di tariffe fisse, obbligo di acquisto di certificati verdi o bandi di gara per una certa 
capacit . Nonostante la remunerativit  potenzialmen te alta di alcuni di questi supporti (ad 
esempio in Italia il CIP6), i risultati in termini di potenza aggiuntiva da fonti rinnovabili 
sono stati deludenti. 
Imprevedibilmente, una delle barriere emergenti Ł rappresentata dall accettabilit  sociale. 
Le fonti rinnovabili sono la risposta alle attuali minacce ambientali. Le associazioni 
ambientaliste e dei consumatori, le organizzazioni culturali e scientifiche, piuttosto che i 
comitati dei cittadini sembrano consapevoli della necessit  di promuovere l utilizzo di 
queste fonti. Eppure, quando dalla dichiarazione d intenti si passa al problema concreto di 
realizzare impianti il dissenso emerge. Il problema che molti sentono Ł quello di essere 
maggiormente informati sulle caratteristiche e potenzialit  di queste fonti e di essere 
chiamati a partecipare alle scelte di localizzazione degli impianti che interessano il 
territorio dove essi vivono e lavorano. 
 
 
1.2 Combustibili eco-compatibili 
 
I bio-combustibili sia liquidi che gassosi sono prodotti 
sostanzialmente a partire dalle biomasse e possono essere 
utilizzati come combustibili per il trasporto e per il 
riscaldamento. Si possono distinguere dei bio-combustibili di 
prima generazione con tecnologie di produzione ed utilizzo 
ormai consolidate ed alcuni di seconda generazione che necessitano di ulteriori sviluppi 
tecnologici. 
Possiamo considerare bio-combustibili di prima generazione: 
Capitolo 1  -   Fonti di energia rinnovabili (FER)  
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• il Biodiesel (MetilEstere): derivato dalla esterificazione degli oli vegetali di colza 
e girasole;  
• il Bio-etanolo: prodotto da biomasse zuccherine (canna da zucchero, barbabietole, 
mais, ecc.) attraverso fermentazione e successiva estrazione;  
• il Biogas: costituito principalmente da metano (CH4) e anidride carbonica (CO2) e 
prodotto dalla fermentazione anaerobica della sostanza organica contenuta nei 
rifiuti urbani e nei reflui zootecnici. 
Per quanto riguarda i bio-combustibili di seconda generazione le ricerche si stanno 
concentrando sull utilizzo di DME (Dimetiletere), del FT-Diesel (diesel di sintesi derivato 
dal processo di Fischer-Tropsch) e del Bio-Etanolo derivato da biomasse 
legnocellulosiche. 
Infine, tra le iniziative nel campo dei biocombustibili la piø affascinante Ł sicuramente 
quella che riguarda lo sviluppo del vettore energetico Idrogeno (liquido e gassoso). 
In particolare l uso dell idrogeno come vettore ene rgetico pu  aumentare la sicurezza 
energetica a lungo termine mitigando gli effetti dell inquinamento e delle emissioni dei gas 
serra.         
Le sfide tecniche per raggiungere una economia ad idrogeno includono l abbassamento del 
costo di produzione, lo stoccaggio, il trasporto, la distribuzione e l uso finale dell idrogeno. 
Le altre necessit  includono le tematiche di sicure zza attraverso una migliore conoscenza 
di codici e standard relativi alle tecnologie da utilizzare in maniera efficiente, pulita, sicura 
ed affidabile, le campagne educative per aumentare la coscienza sociale, per accelerare il 
trasferimento di tecnologia e per aumentare la conoscenza pubblica dei sistemi energetici 
ad idrogeno. 
Nel maggio del 2003 l Unione Europea ha pubblicato la Direttiva 2003/30/CE sulla 
 Promozione dell uso dei bio-carburanti o di altri carburanti rinnovabili nei trasporti , in 
cui vengono proposti degli obiettivi indicativi per assicurare la penetrazione nel mercato 
della distribuzione dei carburanti di una quota minima di bio-combustibili. Gli Stati 
Membri sono tenuti ad utilizzare una quota minima di bio-combustibili pari al 2% 
dell energia contenuta nella benzina e nel diesel immesso sul mercato entro il 31 dicembre 
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2005 e ad aumentare tale percentuale fino a raggiungere il 5,75% entro il 31 dicembre 
2010. 
 
 
1.3 Energia solare 
 
La conversione della energia della radiazione solare in calore Ł uno dei modi piø conosciuti 
e sfruttati per utilizzare l energia solare. I parametri chiave per il progetto di un impianto 
solare sono la temperatura e la porzione di energia utilizzabile, determinate per la maggior 
parte dalla latitudine dell impianto (da cui dipende la concentrazione della radiazione 
solare) e dalle caratteristiche della superficie assorbente. 
La radiazione solare pu  essere sfruttata direttame nte o 
indirettamente. 
Nel primo caso l energia pu  essere impiegata per i l 
riscaldamento e il condizionamento degli ambienti e per il 
riscaldamento dell acqua (in abitazioni, strutture sportive, ecc.), e l impianto si definisce 
Termico. 
Nel secondo caso il calore viene sfruttato in cicli termodinamici che consentono 
produzione di elettricit  da immettere direttamente  nella rete, e si parla di impianti 
Termodinamici. 
 
1.3.1 Solare termico 
Il funzionamento Ł relativamente semplice e si basa sulla 
capacit  che hanno i corpi neri di assorbire calore . 
Riscaldamento dell acqua: la superficie annerita di una lastra 
metallica (collettore solare) esposta al sole assorbe calore e lo 
cede all acqua che viene fatta circolare all intern o di tubi a 
contatto con il collettore, che cede quindi il calore assorbito al 
fluido riscaldandolo. Quindi l acqua viene inviata ad un 
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serbatoio di stoccaggio ed Ł pronta per essere impiegata come acqua calda nell ambiente 
domestico. 
Riscaldamento dell aria: ha un funzionamento analogo al precedente. A contatto con il 
collettore solare ci sono tubi in cui viene inviato un flusso di aria proveniente dall interno 
dell abitazione. L aria si riscalda a contatto con la superficie del collettore, e quindi in 
parte viene inviata direttamente nell abitazione, in parte ad un serbatoio di stoccaggio per il 
riscaldamento notturno. 
 
1.3.2 Solare termodinamico 
Ci sono fondamentalmente tre tipi di impianti che producono energia 
elettrica attraverso cicli termodinamici lavorando a medie o alte 
temperature: 
• Parabolic Dish (Specchi parabolici): la superficie riflettente 
Ł costituita da un disco a sezione parabolica mobile, che insegue su due assi la 
radiazione solare concentrandola nel punto focale, in cui Ł posto un collettore 
termico. Il calore immagazzinato dal collettore alimenta direttamente un motore 
(motore Stirling), grazie al quale si ottiene la trasformazione in energia elettrica. Il 
rendimento di questo motore pu  raggiungere anche i l 40% e permette di usare 
direttamente la radiazione senza ulteriori perdite di calore, per  questi impianti 
sono molto costosi e difficili da gestire.  
• Parabolic Trough (Specchi semicilindrici lineari a sezione parabolica): sono 
costituiti da semi-cilindri a sezione parabolica, che inseguono la radiazione 
ruotando solo attorno al loro asse e la concentrano nel fuoco che si sviluppa 
linearmente. Il collettore Ł quindi lineare, ed al suo interno viene fatto circolare il 
fluido che costituisce lo scambiatore primario. Il fluido primario cede poi il calore 
ad un fluido secondario (generalmente acqua) collegato al gruppo turbina-
alternatore, che trasforma l energia termica in elettrica. Questi collettori vengono 
disposti sul terreno in file parallele, pertanto richiedono grandi spazi aperti, ed 
inoltre possono ruotare solo intorno al loro asse.  
Capitolo 1  -   Fonti di energia rinnovabili (FER)  
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• Solar Tower (o CRS   Central Receiver System) : l impianto Ł costituito da 
numerosi specchi, detti eliostati, che concentrano la radiazione in uno stesso 
punto. Il ricevitore si trova in cima ad una torre (da cui il nome  torri solari ) ed al 
suo interno viene fatto scorrere il fluido primario che assorbe il calore. Come nel 
caso precedente c Ł uno scambiatore secondario (generalmente acqua) collegato al 
gruppo turbina-alternatore che trasforma l energia termica in elettrica. Questi sono 
gli impianti che lavorano alle piø alte temperature. Le perdite energetiche piø 
importanti sono dovute a perdite ottiche e perdite collegate al calore radiante. 
 
 
1.4 Impianti fotovoltaici 
 
Sono impianti che sfruttano l energia solare (fotoni) convertendola direttamente in energia 
elettrica. Sono impianti  modulari : l unit  fondamentale Ł detta cella fotovoltaica, 
generalmente di forma quadrata e superficie di 100 cm2, 
funzionante come una batteria. Le celle sono raggruppate in 
elementi commerciali unitari detti moduli (mediamente hanno 
una superficie di 0,5 m2), che una volta collegati prima in serie 
(stringhe) e poi in parallelo danno luogo al generatore 
fotovoltaico. I moduli montati su strutture di sostegno sono detti 
pannelli, vengono orientati lungo l asse Est-Ovest e inseguono 
il moto apparente del sole ruotando attorno al loro asse.  
La produzione di energia elettrica sotto forma di corrente 
continua avviene nella cella fotovoltaica, che pu  essere descritta come un  foglio  di 
spessore molto piccolo, generalmente di silicio, le cui propriet  elettriche vengono 
modificate tramite l impiego di sostanze  droganti , che cioŁ si inseriscono tra gli atomi di 
silicio modificandone la struttura chimica e di conseguenza il  comportamento elettrico .  
La faccia esposta al raggio solare viene drogata generalmente con piccole quantit  di 
fosforo, mentre la faccia opposta viene drogata con atomi di boro. Questa procedura 
permette di realizzare in uno spessore piccolissimo (0,25 mm   0,35 mm) una vasta 
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superficie di contatto (detta  giunzione ) tra due strati (le due facce del foglio) aventi 
potenziale elettrico diverso: permette cioŁ di generare una differenza di potenziale fra le 
due facce esterne del foglio. La zona compresa tra le due facce (e quindi la giunzione) 
diventa sede di un forte campo elettrico. A questo punto, quando la parte esterna (cioŁ 
esposta alla radiazione solare) della cella fotovoltaica viene colpita da un fotone si genera 
un flusso di elettroni, e quando la cella Ł collegata ad un utilizzatore queste cariche danno 
luogo ad una circolazione di corrente elettrica. 
La corrente elettrica aumenta all aumentare della radiazione incidente. Alle nostre 
latitudini, ad una temperatura di 25 C, una cella f otovoltaica di 100 cm2 produce una 
potenza di picco pari a 1,5 Wp. 
Va tenuto presente che la cella fotovoltaica assorbe solo quei fotoni aventi una energia 
superiore ad un valore minimo. 
Anche se la ricerca scientifica in questo settore sta lavorando molto sia sull aumento 
dell efficienza della conversione (il rendimento di conversione della cella fotovoltaica Ł 
circa 12%-17%) sia sulla ricerca di materiali meno costosi, questi impianti che sfruttano 
una fonte energetica inesauribile sono estremamente promettenti. 
 
 
1.5 Energia eolica 
 
Il vento, come l acqua, Ł una delle fonti energetiche d origine naturale utilizzate dall uomo 
fin dall antichit . Di solito si collega l energia eolica ai tipici mulini a vento olandesi o al 
romanzo di Miguel de Cervantes  Don Chisciotte ; in  realt  gi  
nell antica Mesopotamia (circa 1600 a.C.) il vento veniva sfruttato 
come forza motrice alternativa a quella animale in mulini ad asse 
verticale. 
Oggi la macchina che viene utilizzata per la trasformazione 
dell energia meccanica del vento in energia elettrica Ł detta 
aerogeneratore: il principio di funzionamento Ł lo stesso del mulino 
Capitolo 1  -   Fonti di energia rinnovabili (FER)  
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ma le pale spinte dal vento sono collegate a un generatore di energia elettrica.  
L aerogenatore Ł costituito da un palo di sostegno che porta sulla sommit  una navicella (la 
cabina dove Ł contenuto il generatore elettrico e un albero di trasmissione). All esterno 
della navicella Ł collocato il rotore, costituito da un mozzo sul quale sono montate le pale 
che intercettano il vento. 
 Le diverse tipologie di aerogeneratore si differenziano sostanzialmente, 
indipendentemente dalla taglia e dunque dalle dimensioni, per: 
• i sistemi di controllo della potenza;  
• la velocit  del rotore che pu  essere costante o va riabile;  
• la presenza o assenza di un moltiplicatore di giri tra mozzo e generatore. 
Dal punto di vista delle dimensioni, ormai sul mercato l offerta di areogeneratori Ł molto 
varia: si va da piccole potenze per utenze isolate (5-100 kW con un diametro del rotore che 
va da 3 a 20 metri) a grandi macchine con potenze associate fino a 5 MW e un diametro 
del rotore di 124 metri. L evoluzione tecnologica ha permesso di aumentare le potenze 
associate contenendo comunque le dimensioni. 
La possibilit  di sfruttare l energia eolica Ł vincolata dalle caratteristiche del sito in cui si 
intende installare l areogeneratore. E  ovvio che l a valutazione della ventosit  media Ł il 
parametro fondamentale da considerare ma l’esistenza di strade adeguate e la vicinanza a 
linee elettriche devono essere tenute presente, poichØ hanno implicazioni dirette con la 
redditivit  dell iniziativa. 
Secondo l atlante eolico redatto dal CESI la potenzialit  del territorio italiano  per le 
installazioni eoliche si aggira intorno a 5.000 MW. Attualmente la potenza installata Ł di 
poco superiore ai 1.000 MW e la potenza media degli areogeneratori installati Ł di 650 
KW. 
Nel mondo le potenze installate nei vari continenti cominciano ad avere valori significativi: 
in Europa, a fine 2000, erano installati circa 13.000 MW; in America 2.800 MW; in Asia 
1.500 MW e nel resto del mondo circa 150 MW. 
 
Si rimanda una trattazione piø approfondita sull energia eolica nel capitolo seguente. 
Capitolo 1  -   Fonti di energia rinnovabili (FER)  
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1.6 Energia da biomasse 
 
Con il termine biomassa nell accezione piø 
generale possiamo considerare tutto il 
materiale di origine organica sia vegetale 
che animale. E  intuitivo come rientri in 
questa definizione una grande quantit  di 
materiali molto eterogenei tra loro. E  
possibile distinguere vere e proprie materie 
prime (colture dedicate arboree ed erbacee, 
ecc.) e prodotti di scarto derivati da molteplici 
attivit  che interessano: il comparto agricolo-
forestale (residui delle pratiche agricole-
forestali e zootecniche), il comparto industriale (scarti industria del legno, scarti industria 
agroalimentare e industria della carta) ed infine il settore dei rifiuti solidi urbani. 
I combustibili solidi, liquidi o gassosi derivati da questi materiali (direttamente o in seguito 
a processi di trasformazione) sono definiti biocombustibili mentre qualsiasi forma di 
energia ottenuta con processi di conversione dai bio-combustibili Ł definita bio-energia. 
La conversione energetica avviene principalmente attraverso processi termochimici e 
biochimici. 
I processi termochimici sono: 
• Combustione: Ł il piø semplice dei processi termochimici e consiste 
nell ossidazione completa del combustibile a H2O e CO2;  
• Gassificazione: il processo di gassificazione consiste nella trasformazione di un 
combustibile solido o liquido, nel caso specifico della biomassa, in combustibile 
gassoso, attraverso una decomposizione termica (ossidazione parziale) ad alta 
temperatura. Il gas prodotto Ł una miscela di H2, CO, CH4, CO2, H2O (vapore 
acqueo) e N2, accompagnati da ceneri in sospensione e tracce di idrocarburi 
(C2H6). La proporzione tra i vari componenti del gas varia notevolmente in