Turbina eolica - Wind turbine
.jpg)
Una turbina eolica è un dispositivo che converte l'energia cinetica del vento in energia elettrica .
Le turbine eoliche sono prodotte in un'ampia gamma di dimensioni, con asse orizzontale o verticale. Si stima che centinaia di migliaia di grandi turbine , in installazioni note come parchi eolici , generino ora oltre 650 gigawatt di potenza, con 60 GW aggiunti ogni anno. Sono una fonte sempre più importante di energia rinnovabile intermittente e vengono utilizzati in molti paesi per ridurre i costi energetici e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili . Uno studio ha affermato che, a partire dal 2009, l'eolico aveva "le più basse emissioni relative di gas serra, il minor consumo di acqua e... gli impatti sociali più favorevoli" rispetto a fotovoltaico, idroelettrico, geotermico, carbone e gas.
Le turbine eoliche più piccole vengono utilizzate per applicazioni come la ricarica della batteria per l'alimentazione ausiliaria di barche o roulotte e per alimentare i segnali di avvertimento del traffico. Le turbine più grandi possono contribuire all'approvvigionamento energetico domestico vendendo l'energia inutilizzata al fornitore di servizi attraverso la rete elettrica .
Storia
La ruota a vento di Eroe di Alessandria (10 d.C. – 70 d.C.) segna uno dei primi casi registrati di macchine eoliche nella storia. Tuttavia, i primi impianti eolici pratici conosciuti furono costruiti a Sistan , una provincia orientale della Persia (ora Iran), a partire dal VII secolo. Questi " Panemone " erano mulini a vento ad asse verticale, che avevano lunghi alberi di trasmissione verticali con pale rettangolari. Costituiti da sei a dodici vele ricoperte da stuoie di canna o stoffa, questi mulini a vento venivano usati per macinare il grano o attingere acqua, ed erano usati nelle industrie della macinazione e della canna da zucchero.
L'energia eolica è apparsa per la prima volta in Europa durante il Medioevo . I primi documenti storici del loro uso in Inghilterra risalgono all'XI o XII secolo, ci sono segnalazioni di crociati tedeschi che portarono le loro abilità nella fabbricazione di mulini a vento in Siria intorno al 1190. Nel XIV secolo, i mulini a vento olandesi erano in uso per drenare le aree del Reno delta. Le turbine eoliche avanzate sono state descritte dall'inventore croato Fausto Veranzio . Nel suo libro Machinae Novae (1595) descrisse turbine eoliche ad asse verticale con pale curve oa forma di V.
La prima turbina eolica che genera elettricità fu una macchina per la ricarica delle batterie installata nel luglio 1887 dall'accademico scozzese James Blyth per illuminare la sua casa delle vacanze a Marykirk , in Scozia. Alcuni mesi dopo, l'inventore americano Charles F. Brush è stato in grado di costruire la prima turbina eolica ad azionamento automatico dopo aver consultato i professori e colleghi dell'Università locale Jacob S. Gibbs e Brinsley Coleberd e aver ottenuto con successo la revisione dei progetti per la produzione di elettricità a Cleveland, Ohio . Sebbene la turbina di Blyth fosse considerata antieconomica nel Regno Unito, la generazione di elettricità da parte delle turbine eoliche era più conveniente nei paesi con popolazioni ampiamente disperse.
In Danimarca nel 1900 esistevano circa 2500 mulini a vento per carichi meccanici come pompe e mulini, che producevano una potenza di picco combinata stimata di circa 30 MW . Le macchine più grandi erano su torri di 24 metri (79 piedi) con rotori a quattro pale di 23 metri (75 piedi) di diametro. Nel 1908 c'erano 72 generatori elettrici azionati dal vento che operavano negli Stati Uniti da 5 kW a 25 kW. Intorno al periodo della prima guerra mondiale, i produttori di mulini a vento americani producevano 100.000 mulini a vento agricoli ogni anno, principalmente per il pompaggio dell'acqua.
Negli anni '30, i generatori eolici per l'elettricità erano comuni nelle fattorie, soprattutto negli Stati Uniti, dove i sistemi di distribuzione non erano ancora stati installati. In questo periodo, l'acciaio ad alta resistenza era economico e i generatori erano posizionati in cima a torri a traliccio d'acciaio prefabbricate aperte.
Un precursore dei moderni generatori eolici ad asse orizzontale era in servizio a Yalta , URSS nel 1931. Si trattava di un generatore da 100 kW su una torre di 30 metri (98 piedi), collegato al sistema di distribuzione locale da 6,3 kV. È stato riferito che ha un fattore di capacità annuale del 32 percento, non molto diverso dalle attuali macchine eoliche.
Nell'autunno del 1941, la prima turbina eolica di classe megawatt fu sincronizzata con una rete pubblica nel Vermont . La turbina eolica Smith-Putnam ha funzionato solo per 1.100 ore prima di subire un guasto critico. L'unità non è stata riparata, a causa di una carenza di materiali durante la guerra.
La prima turbina eolica connessa alla rete elettrica ad operare nel Regno Unito è stata costruita da John Brown & Company nel 1951 nelle Isole Orcadi .
Nonostante questi diversi sviluppi, gli sviluppi nei sistemi a combustibili fossili hanno quasi completamente eliminato qualsiasi sistema di turbine eoliche di dimensioni superiori a quelle supermicro. All'inizio degli anni '70, tuttavia, le proteste antinucleari in Danimarca spinsero i meccanici artigiani a sviluppare microturbine da 22 kW . L'organizzazione dei proprietari in associazioni e cooperative ha portato all'attività di lobbying del governo e dei servizi pubblici e ha fornito incentivi per le turbine più grandi per tutti gli anni '80 e successivi. Attivisti locali in Germania, nascenti produttori di turbine in Spagna e grandi investitori negli Stati Uniti all'inizio degli anni '90 hanno poi fatto pressioni per politiche che stimolassero l'industria in quei paesi.
È stato affermato che l'espansione dell'uso dell'energia eolica porterà ad un aumento della concorrenza geopolitica su materiali critici per le turbine eoliche come neodimio, praseodimio e disprosio degli elementi delle terre rare. Ma questa prospettiva è stata criticata per non aver riconosciuto che la maggior parte delle turbine eoliche non utilizza magneti permanenti e per aver sottovalutato il potere degli incentivi economici per la produzione ampliata di questi minerali.
risorse
La densità dell'energia eolica (WPD) è una misura quantitativa dell'energia eolica disponibile in qualsiasi luogo. È la potenza media annua disponibile per metro quadrato di superficie spazzata di una turbina, ed è calcolata per diverse altezze dal suolo. Il calcolo della densità dell'energia eolica include l'effetto della velocità del vento e della densità dell'aria.
Le turbine eoliche sono classificate in base alla velocità del vento per cui sono progettate, dalla classe I alla classe III, con da A a C in riferimento all'intensità della turbolenza del vento.
| Classe | Velocità media del vento (m/s) | Turbolenza |
|---|---|---|
| IA | 10 | 16% |
| IB | 10 | 14% |
| CIRCUITO INTEGRATO | 10 | 12% |
| IIA | 8.5 | 16% |
| IIB | 8.5 | 14% |
| IIC | 8.5 | 12% |
| IIIA | 7.5 | 16% |
| IIIB | 7.5 | 14% |
| IIIC | 7.5 | 12% |
Efficienza
La conservazione della massa richiede che la quantità di aria in entrata e in uscita da una turbina sia uguale. Di conseguenza, la legge di Betz fornisce la massima estrazione di energia eolica ottenibile da una turbina eolica pari a 16/27 (59,3%) della velocità con cui l'energia cinetica dell'aria arriva alla turbina.
La potenza massima teorica di una macchina eolica è quindi 16/27 volte la velocità con cui l'energia cinetica dell'aria arriva all'area effettiva del disco della macchina. Se l'area effettiva del disco è A e la velocità del vento v, la massima potenza teorica erogata P è:
- ,
dove ρ è la densità dell'aria .
L'efficienza da vento a rotore (compreso l' attrito e la resistenza delle pale del rotore ) sono tra i fattori che influenzano il prezzo finale dell'energia eolica. Ulteriori inefficienze, come le perdite del cambio , del generatore e del convertitore, riducono la potenza erogata da una turbina eolica. Per proteggere i componenti da un'eccessiva usura, la potenza estratta viene mantenuta costante al di sopra della velocità di esercizio nominale all'aumentare della potenza teorica al cubo della velocità del vento, riducendo ulteriormente l'efficienza teorica. Nel 2001, le turbine commerciali collegate alle utenze fornivano dal 75% all'80% del limite Betz di potenza estraibile dal vento, alla velocità operativa nominale.
L'efficienza può diminuire leggermente nel tempo, uno dei motivi principali è la polvere e le carcasse di insetti sulle pale che alterano il profilo aerodinamico e riducono sostanzialmente il rapporto portanza/resistenza del profilo aerodinamico . L'analisi di 3128 turbine eoliche di età superiore a 10 anni in Danimarca ha mostrato che la metà delle turbine non ha subito alcun calo, mentre l'altra metà ha visto una diminuzione della produzione dell'1,2% all'anno.
In generale, condizioni meteorologiche più stabili e costanti (in particolare la velocità del vento) determinano in media un'efficienza superiore del 15% rispetto a quella di una turbina eolica in condizioni meteorologiche instabili, consentendo così un aumento della velocità del vento fino al 7% in condizioni stabili. Ciò è dovuto ad una scia di recupero più rapida e ad un maggiore trascinamento del flusso che si verificano in condizioni di maggiore stabilità atmosferica. Tuttavia, è stato scoperto che le scie delle turbine eoliche si riprendono più velocemente in condizioni atmosferiche instabili rispetto a un ambiente stabile.
È stato scoperto che materiali diversi hanno effetti diversi sull'efficienza delle turbine eoliche. In un esperimento dell'Università di Ege, sono state costruite tre turbine eoliche (ciascuna con tre pale del diametro di un metro) con pale realizzate in materiali diversi: vetro e resina epossidica vetro/carbone, vetro/carbone e vetro/poliestere. Quando testati, i risultati hanno mostrato che i materiali con masse complessive più elevate avevano un momento di attrito maggiore e quindi un coefficiente di potenza inferiore.
tipi
Le turbine eoliche possono ruotare su un asse orizzontale o verticale, essendo il primo sia più vecchio che più comune. Possono anche includere lame o essere senza lama. I design verticali producono meno potenza e sono meno comuni.
Asse orizzontale
.jpg)
Grandi turbine eoliche ad asse orizzontale a tre pale (HAWT) con le pale sopravento della torre producono la stragrande maggioranza dell'energia eolica nel mondo di oggi. Queste turbine hanno l' albero del rotore principale e il generatore elettrico in cima a una torre e devono essere puntate contro il vento. Le piccole turbine sono puntate da una semplice banderuola , mentre le grandi turbine utilizzano generalmente un sensore del vento accoppiato con un sistema di imbardata. La maggior parte ha un cambio, che trasforma la rotazione lenta delle lame in una rotazione più rapida che è più adatta per azionare un generatore elettrico. Alcune turbine utilizzano un diverso tipo di generatore adatto a velocità di rotazione inferiori. Questi non hanno bisogno di un cambio e sono chiamati a trasmissione diretta, nel senso che accoppiano il rotore direttamente al generatore senza cambio in mezzo. Mentre i generatori a trasmissione diretta a magneti permanenti possono essere più costosi a causa dei materiali delle terre rare richiesti, queste turbine senza ingranaggi sono talvolta preferite rispetto ai generatori con cambio perché "eliminano l'aumento della velocità dell'ingranaggio, che è suscettibile di un significativo carico di coppia accumulato a fatica, affidabilità correlata problemi e costi di manutenzione." Esiste anche il meccanismo di azionamento pseudo diretto, che presenta alcuni vantaggi rispetto al meccanismo di azionamento diretto a magneti permanenti.
La maggior parte delle turbine ad asse orizzontale ha i rotori sopravento alla torre di supporto. Le macchine sottovento sono state costruite, perché non necessitano di un meccanismo aggiuntivo per tenerle in linea con il vento. In caso di forte vento, le pale possono anche piegarsi, il che riduce la loro area spazzata e quindi la loro resistenza al vento. Nonostante questi vantaggi, sono preferiti i progetti sopravento, perché la variazione del carico dal vento quando ciascuna pala passa dietro la torre di supporto può causare danni alla turbina.
Le turbine utilizzate nei parchi eolici per la produzione commerciale di energia elettrica sono generalmente a tre pale. Questi hanno un basso ripple di coppia , che contribuisce a una buona affidabilità. Le pale sono solitamente di colore bianco per la visibilità diurna da parte degli aerei e hanno una lunghezza compresa tra 20 e 80 metri (da 66 a 262 piedi). Le dimensioni e l'altezza delle turbine aumentano di anno in anno. Oggi le turbine eoliche offshore sono costruite fino a 8 MW e hanno una lunghezza delle pale fino a 80 metri (260 piedi). Nel 2018 erano in preparazione progetti da 10 a 12 MW e nel 2022 è prevista la costruzione di un prototipo "15 MW+" con tre pale da 118 metri (387 piedi). Le normali turbine multi megawatt hanno torri tubolari in acciaio con un'altezza di 70 m a 120 me in estremi fino a 160 m.
Asse verticale
Le turbine eoliche ad asse verticale (o VAWT) hanno l'albero del rotore principale disposto verticalmente. Un vantaggio di questa disposizione è che la turbina non ha bisogno di essere puntata contro il vento per essere efficace, il che è un vantaggio in un sito in cui la direzione del vento è molto variabile. È anche un vantaggio quando la turbina è integrata in un edificio perché è intrinsecamente meno orientabile. Inoltre, il generatore e il cambio possono essere posizionati vicino al suolo, utilizzando un azionamento diretto dal gruppo rotore al cambio a terra, migliorando l'accessibilità per la manutenzione. Tuttavia, questi progetti producono molta meno energia mediata nel tempo, il che è un grave inconveniente.
I modelli di turbine verticali hanno un'efficienza molto inferiore rispetto ai modelli orizzontali standard. Gli svantaggi principali includono la velocità di rotazione relativamente bassa con la conseguente coppia più elevata e quindi il costo più elevato della trasmissione, il coefficiente di potenza intrinsecamente inferiore , la rotazione di 360 gradi del profilo alare all'interno del flusso del vento durante ogni ciclo e quindi il carico altamente dinamico sulla pala, la coppia pulsante generata da alcuni progetti di rotore sulla trasmissione e la difficoltà di modellare accuratamente il flusso del vento e quindi le sfide dell'analisi e della progettazione del rotore prima della fabbricazione di un prototipo.
Quando una turbina è montata su un tetto, l'edificio generalmente reindirizza il vento sul tetto e questo può raddoppiare la velocità del vento sulla turbina. Se l'altezza di una torre della turbina montata sul tetto è circa il 50% dell'altezza dell'edificio, è vicino all'optimum per la massima energia eolica e la minima turbolenza del vento. Mentre le velocità del vento all'interno dell'ambiente costruito sono generalmente molto inferiori rispetto ai siti rurali esposti, il rumore può essere un problema e una struttura esistente potrebbe non resistere adeguatamente allo stress aggiuntivo.
I sottotipi del design dell'asse verticale includono:
Turbina eolica Darrieus
Le turbine "Eggbeater", o turbine Darrieus, prendono il nome dall'inventore francese Georges Darrieus. Hanno una buona efficienza, ma producono un'ampia ondulazione di coppia e sollecitazioni cicliche sulla torre, il che contribuisce a una scarsa affidabilità. In genere richiedono anche una fonte di alimentazione esterna o un rotore Savonius aggiuntivo per iniziare a girare, perché la coppia di spunto è molto bassa. L'ondulazione di coppia viene ridotta utilizzando tre o più pale, il che si traduce in una maggiore solidità del rotore. La solidità è misurata dall'area della pala divisa per l'area del rotore. Le nuove turbine di tipo Darrieus non sono sostenute da tiranti ma hanno una sovrastruttura esterna collegata al cuscinetto superiore.
Giromill
Un sottotipo di turbina Darrieus con pale diritte, anziché curve. La varietà cicloturbina ha passo variabile per ridurre la pulsazione di coppia ed è autoavviante. I vantaggi del passo variabile sono: elevata coppia di spunto; un'ampia curva di coppia relativamente piatta; un coefficiente di prestazione più elevato ; funzionamento più efficiente con venti turbolenti; e un rapporto di velocità della lama inferiore che riduce le sollecitazioni di flessione della lama. È possibile utilizzare lame diritte, a V o curve.
Turbina eolica Savonius
Si tratta di dispositivi del tipo a trascinamento con due (o più) palette che vengono utilizzati negli anemometri, nelle bocchette Flettner (comunemente presenti sui tetti degli autobus e dei furgoni) e in alcune turbine a bassa efficienza ad alta affidabilità. Sono sempre auto-inizianti se ci sono almeno tre scoop.
Twisted Savonius è un savonius modificato, con lunghe palette elicoidali per fornire una coppia regolare. Questo è spesso usato come turbina eolica sul tetto ed è stato persino adattato per le navi .
Parallelo
La turbina parallela è simile al ventilatore tangenziale o al ventilatore centrifugo. Usa l' effetto suolo . Turbine ad asse verticale di questo tipo sono state sperimentate per molti anni: un'unità da 10 kW è stata costruita dal pioniere eolico israeliano Bruce Brill negli anni '80.
Tipi non convenzionali
|
Disegno e costruzione
Il design delle turbine eoliche è un attento equilibrio tra costi, produzione di energia e durata a fatica.
Componenti
Le turbine eoliche convertono l'energia eolica in energia elettrica per la distribuzione. Le turbine convenzionali ad asse orizzontale possono essere suddivise in tre componenti:
- Il rotore, che rappresenta circa il 20% del costo della turbina eolica, include le pale per convertire l'energia eolica in energia di rotazione a bassa velocità.
- Il generatore, che rappresenta circa il 34% del costo della turbina eolica, include il generatore elettrico , l'elettronica di controllo e molto probabilmente un cambio (ad es. riduttore epicicloidale ), un azionamento a velocità regolabile o un componente di trasmissione a variazione continua per convertire il basso -velocità di rotazione in entrata a rotazione ad alta velocità adatta per la generazione di energia elettrica.
- La struttura circostante, che rappresenta circa il 15% del costo della turbina eolica, include il meccanismo di imbardata della torre e del rotore.
Una turbina eolica da 1,5 ( MW ) di un tipo spesso visto negli Stati Uniti ha una torre alta 80 metri (260 piedi). Il gruppo rotore (lame e mozzo) pesa 22.000 chilogrammi (48.000 libbre). La navicella, che contiene il generatore, pesa 52.000 chilogrammi (115.000 libbre). La base in cemento per la torre è costruita utilizzando 26.000 chilogrammi (58.000 libbre) di acciaio di rinforzo e contiene 190 metri cubi (250 cu yd) di cemento. La base ha un diametro di 15 metri (50 piedi) e uno spessore di 2,4 metri (8 piedi) vicino al centro.
Monitoraggio e diagnostica delle turbine
A causa di problemi di trasmissione dei dati, il monitoraggio della salute strutturale delle turbine eoliche viene solitamente eseguito utilizzando diversi accelerometri ed estensimetri collegati alla navicella per monitorare il cambio e le apparecchiature. Attualmente, la correlazione delle immagini digitali e la stereofotogrammetria vengono utilizzate per misurare la dinamica delle pale delle turbine eoliche. Questi metodi di solito misurano lo spostamento e la deformazione per identificare la posizione dei difetti. Le caratteristiche dinamiche delle turbine eoliche non rotanti sono state misurate utilizzando la correlazione di immagini digitali e la fotogrammetria. Il tracciamento tridimensionale dei punti è stato utilizzato anche per misurare la dinamica di rotazione delle turbine eoliche.
Recenti sviluppi della tecnologia
Le pale del rotore delle turbine eoliche vengono allungate per aumentare l'efficienza. Ciò richiede che siano rigidi, forti, leggeri e resistenti alla fatica. I materiali con queste proprietà sono compositi come il poliestere e la resina epossidica, mentre per il rinforzo sono state utilizzate fibra di vetro e fibra di carbonio. La costruzione può utilizzare la posa manuale o lo stampaggio a iniezione.
Nuovi design
Le aziende cercano modi per trarre maggiore efficienza dai loro progetti. Un modo predominante è stato quello di aumentare la lunghezza delle pale e quindi il diametro del rotore. Il retrofit delle turbine esistenti con pale più grandi riduce il lavoro e i rischi di riprogettazione del sistema. L'attuale pala più lunga è di 115,5 m (379 piedi), producendo 15 MW con un livello di rumore massimo di 118 dB(A). Le lame più lunghe devono essere più rigide per evitare la flessione, che richiede materiali con un rapporto rigidità/peso più elevato. Poiché le pale devono funzionare per oltre 100 milioni di cicli di carico in un periodo di 20-25 anni, anche la fatica dei materiali delle pale è critica.
Materiali della lama
I materiali comunemente usati nelle pale delle turbine eoliche sono descritti di seguito.
Fibre di vetro e carbonio
La rigidità dei compositi è determinata dalla rigidità delle fibre e dal loro contenuto di volume. Tipicamente, le fibre di vetro E vengono utilizzate come rinforzo principale nei compositi. Tipicamente, i compositi vetro/epossidico per pale di turbine eoliche contengono fino al 75% di vetro in peso. Ciò aumenta la rigidità, la resistenza alla trazione e alla compressione. Un materiale composito promettente è la fibra di vetro con composizioni modificate come S-glass, R-glass ecc. Altre fibre di vetro sviluppate da Owens Corning sono ECRGLAS, Advantex e WindStrand.
La fibra di carbonio ha una maggiore resistenza alla trazione, maggiore rigidità e densità inferiore rispetto alla fibra di vetro. Un candidato ideale per queste proprietà è la calotta del longherone, un elemento strutturale di una pala che subisce un carico di trazione elevato. Una lama in fibra di vetro di 100 m potrebbe pesare fino a 50 tonnellate, mentre l'utilizzo della fibra di carbonio nel longherone consente di risparmiare dal 20% al 30% di peso, circa 15 tonnellate. Tuttavia, poiché la fibra di carbonio è dieci volte più costosa, la fibra di vetro è ancora dominante.
Rinforzi ibridi
Invece di realizzare rinforzi per le pale delle turbine eoliche in puro vetro o carbonio puro, i progetti ibridi scambiano peso per costo. Ad esempio, per una lama da 8 m, una sostituzione completa con fibra di carbonio farebbe risparmiare l'80% di peso ma aumenterebbe i costi del 150%, mentre una sostituzione del 30% farebbe risparmiare il 50% di peso e aumenterebbe i costi del 90%. I materiali di rinforzo ibridi includono E-vetro/carbonio, E-vetro/aramide. L'attuale pala più lunga di LM Wind Power è realizzata in compositi ibridi carbonio/vetro. Sono necessarie ulteriori ricerche sulla composizione ottimale dei materiali
Polimeri e compositi nanoingegnerizzati
L'aggiunta di piccole quantità (0,5 % in peso) di nanorinforzo ( nanotubi di carbonio o nanoargilla) nella matrice polimerica dei compositi, il dimensionamento delle fibre o gli strati interlaminari possono migliorare la resistenza alla fatica, la resistenza al taglio o alla compressione e la tenacità alla frattura dei compositi dal 30% all'80 %. La ricerca ha anche dimostrato che l'incorporazione di piccole quantità di nanotubi di carbonio (CNT) può aumentare la durata fino al 1500%.
Costi
A partire dal 2019, una turbina eolica potrebbe costare circa $ 1 milione per megawatt.
Per le pale delle turbine eoliche, mentre il costo del materiale è molto più elevato per le pale ibride vetro/fibra di carbonio rispetto alle pale interamente in fibra di vetro, i costi di manodopera possono essere inferiori. L'uso della fibra di carbonio consente progetti più semplici che utilizzano meno materie prime. Il principale processo di fabbricazione nella fabbricazione delle lame è la stratificazione degli strati. Le lame più sottili consentono di ridurre il numero di strati e quindi la manodopera e, in alcuni casi, equivalgono al costo della manodopera per le lame in fibra di vetro.
Materiali senza lama
Le parti della turbina eolica diverse dalle pale del rotore (inclusi il mozzo del rotore, il cambio, il telaio e la torre) sono in gran parte realizzate in acciaio. Le turbine più piccole (così come le turbine Enercon su scala megawatt) hanno iniziato a utilizzare leghe di alluminio per questi componenti per rendere le turbine più leggere ed efficienti. Questa tendenza può crescere se le proprietà di fatica e resistenza possono essere migliorate. Il calcestruzzo precompresso è stato sempre più utilizzato per il materiale della torre, ma richiede ancora molto acciaio di rinforzo per soddisfare i requisiti di resistenza della turbina. Inoltre, i riduttori step-up vengono sempre più sostituiti con generatori a velocità variabile, che richiedono materiali magnetici. In particolare, ciò richiederebbe un maggiore apporto di neodimio, un metallo delle terre rare .
Le moderne turbine utilizzano un paio di tonnellate di rame per generatori, cavi e simili. A partire dal 2018, la produzione globale di turbine eoliche utilizza 450.000 tonnellate di rame all'anno.
Fornitura di materiale
Uno studio sulle tendenze del consumo di materiale e sui requisiti per l'energia eolica in Europa ha rilevato che le turbine più grandi hanno un consumo maggiore di metalli preziosi ma un minore input di materiale per kW generato. L'attuale consumo di materiale e le scorte sono stati confrontati con i materiali di input per varie dimensioni del sistema onshore. In tutti i paesi dell'UE le stime per il 2020 hanno raddoppiato i valori consumati nel 2009. Questi paesi avrebbero bisogno di espandere le proprie risorse per soddisfare la domanda stimata per il 2020. Ad esempio, attualmente l'UE ha il 3% dell'offerta mondiale di fluorite e richiede il 14% entro il 2020. A livello globale, i principali paesi esportatori sono Sud Africa, Messico e Cina. Questo è simile ad altri materiali critici e preziosi richiesti per i sistemi energetici come magnesio, argento e indio. I livelli di riciclaggio di questi materiali sono molto bassi e concentrarsi su questo potrebbe alleviare l'offerta. Poiché la maggior parte di questi materiali preziosi viene utilizzata anche in altre tecnologie emergenti, come i diodi a emissione di luce (LED), i pannelli fotovoltaici (PV) e i display a cristalli liquidi (LCD), si prevede che la loro domanda aumenterà.
Uno studio dell'United States Geological Survey ha stimato le risorse necessarie per adempiere all'impegno degli Stati Uniti di fornire il 20% della propria elettricità dall'energia eolica entro il 2030. Non ha preso in considerazione i requisiti per le piccole turbine o le turbine offshore perché non erano comuni nel 2008, quando lo studio è stato fatto. I materiali comuni come ghisa, acciaio e calcestruzzo aumenterebbero del 2%-3% rispetto al 2008. Tra le 110.000 e le 115.000 tonnellate di fibra di vetro sarebbero necessarie all'anno, con un aumento del 14%. L'uso di metalli rari non aumenterebbe molto rispetto all'offerta disponibile, tuttavia è necessario prendere in considerazione i metalli rari utilizzati anche per altre tecnologie come le batterie che stanno aumentando la domanda globale. Il terreno richiesto sarebbe di 50.000 chilometri quadrati onshore e 11.000 offshore. Questo non sarebbe un problema negli Stati Uniti a causa della sua vasta area e perché la stessa terra può essere utilizzata per l'agricoltura. Una sfida maggiore sarebbe la variabilità e la trasmissione alle aree ad alta domanda.
I magneti permanenti per generatori eolici contengono metalli rari come neodimio (Nd), praseodimio (Pr), terbio (Tb) e disprosio (Dy). I sistemi che utilizzano turbine magnetiche a trasmissione diretta richiedono maggiori quantità di metalli rari. Pertanto, un aumento della produzione di turbine eoliche aumenterebbe la domanda di queste risorse. Si stima che entro il 2035 la domanda di Nd aumenterà da 4.000 a 18.000 tonnellate e di Dy da 200 a 1200 tonnellate. Questi valori sono da un quarto alla metà della produzione attuale. Tuttavia, queste stime sono molto incerte perché le tecnologie si stanno sviluppando rapidamente.
La dipendenza dai minerali delle terre rare per i componenti ha rischiato la spesa e la volatilità dei prezzi poiché la Cina è stata il principale produttore di minerali delle terre rare (96% nel 2009) e stava riducendo le sue quote di esportazione. Tuttavia, negli ultimi anni altri produttori hanno aumentato la produzione e la Cina ha aumentato le quote di esportazione, portando a una maggiore offerta ea costi inferiori, nonché a una maggiore redditività dell'uso su larga scala di generatori a velocità variabile.
La fibra di vetro è il materiale più comune per il rinforzo. La sua domanda è cresciuta grazie alla crescita delle costruzioni, dei trasporti e delle turbine eoliche. Il suo mercato globale potrebbe raggiungere i 17,4 miliardi di dollari entro il 2024, rispetto agli 8,5 miliardi di dollari del 2014. Nel 2014, l'Asia del Pacifico ha prodotto oltre il 45% del mercato; ora la Cina è il più grande produttore. L'industria riceve sussidi dal governo cinese che le consentono di esportare a prezzi più bassi negli Stati Uniti e in Europa. Tuttavia, le guerre dei prezzi hanno portato a misure antidumping come le tariffe sulla fibra di vetro cinese.
Le turbine eoliche in mostra al pubblico
Alcune località hanno sfruttato la natura che attira l'attenzione delle turbine eoliche mettendole in mostra al pubblico, con centri visitatori intorno alle loro basi o con aree di osservazione più lontane. Le turbine eoliche sono generalmente ad asse orizzontale convenzionale, design a tre pale e generano energia per alimentare le reti elettriche, ma svolgono anche ruoli non convenzionali di dimostrazione tecnologica, pubbliche relazioni e istruzione.
Piccole turbine eoliche
Le piccole turbine eoliche possono essere utilizzate per una varietà di applicazioni tra cui residenze in rete o fuori rete, torri di telecomunicazioni, piattaforme offshore, scuole e cliniche rurali, monitoraggio remoto e altri scopi che richiedono energia dove non c'è rete elettrica o dove la rete è instabile. Le piccole turbine eoliche possono essere piccole quanto un generatore da cinquanta watt per l'uso in barca o in roulotte . Le unità ibride solari ed eoliche sono sempre più utilizzate per la segnaletica stradale, in particolare nelle zone rurali, poiché evitano la necessità di posare lunghi cavi dal punto di connessione alla rete più vicino. Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti definisce le piccole turbine eoliche come quelle inferiori o uguali a 100 kilowatt. Le piccole unità hanno spesso generatori ad azionamento diretto, uscita in corrente continua , pale aeroelastiche, cuscinetti a vita e utilizzano una paletta per puntare nel vento.
Le turbine più grandi e più costose generalmente hanno treni di trasmissione, uscita di corrente alternata e flap e sono attivamente puntate contro il vento. Sono allo studio generatori a presa diretta e pale aeroelastiche per grandi turbine eoliche.
Spaziatura delle turbine eoliche
Nella maggior parte dei parchi eolici orizzontali, viene spesso mantenuta una distanza di circa 6-10 volte il diametro del rotore. Tuttavia, per grandi parchi eolici, distanze di circa 15 diametri di rotore dovrebbero essere più economiche, tenendo conto dei costi tipici delle turbine eoliche e del terreno. Questa conclusione è stata raggiunta dalla ricerca condotta da Charles Meneveau della Johns Hopkins University e Johan Meyers della Leuven University in Belgio, sulla base di simulazioni al computer che tengono conto delle interazioni dettagliate tra le turbine eoliche (scie) e con l'intero turbolento confine atmosferico strato.
Una recente ricerca di John Dabiri del Caltech suggerisce che le turbine eoliche verticali possono essere posizionate molto più vicine tra loro purché venga creato uno schema di rotazione alternato che consenta alle pale delle turbine vicine di muoversi nella stessa direzione mentre si avvicinano l'una all'altra.
Operabilità
Manutenzione
Le turbine eoliche necessitano di una manutenzione regolare per rimanere affidabili e disponibili . Nel migliore dei casi le turbine sono disponibili per generare energia il 98% del tempo. È stato anche riscontrato che l'accumulo di ghiaccio sulle pale delle turbine riduce notevolmente l'efficienza delle turbine eoliche, che è una sfida comune nei climi freddi in cui si verificano eventi di ghiaccio all'interno delle nuvole e pioggia gelata . Lo sbrinamento viene eseguito principalmente mediante riscaldamento interno, o in alcuni casi mediante elicottero spruzzando acqua calda pulita sulle pale,
Le turbine moderne di solito hanno una piccola gru a bordo per il sollevamento di strumenti di manutenzione e componenti minori. Tuttavia, componenti grandi e pesanti come generatore, cambio, lame e così via vengono raramente sostituiti e in questi casi è necessaria una gru esterna per sollevamento pesante . Se la turbina ha una strada di accesso difficile, una gru containerizzata può essere sollevata dalla gru interna per fornire un sollevamento più pesante.
Ripotenziamento
L'installazione di nuove turbine eoliche può essere controversa. Un'alternativa è il repowering, in cui le turbine eoliche esistenti vengono sostituite con altre più grandi e più potenti, a volte in numero minore mantenendo o aumentando la capacità.
Demolizione e riciclaggio
In alcuni primi casi, le turbine più vecchie non dovevano essere rimosse quando raggiungevano la fine della loro vita. Alcuni sono ancora in piedi, in attesa di essere riciclati o rimotorizzati.
Si sviluppa un'industria di demolizione per riciclare le turbine offshore ad un costo di 2-4 milioni di DKK per ( MW ), che sarà garantito dal proprietario.
L'interesse per il riciclaggio delle lame varia nei diversi mercati e dipende dalla legislazione sui rifiuti e dall'economia locale. Una sfida nel riciclaggio delle lame è legata al materiale composito, che è costituito da una matrice termoindurente e fibre di vetro o una combinazione di fibre di vetro e carbonio. La matrice termoindurente non può essere rimodellata per formare nuovi compositi. Quindi le opzioni sono o inviare la lama alla discarica, riutilizzare la lama e gli elementi in materiale composito presenti nella lama o trasformare il materiale composito in una nuova fonte di materiale. In Germania, le pale delle turbine eoliche vengono riciclate commercialmente come parte di una miscela di combustibili alternativi per una fabbrica di cemento. Negli Stati Uniti, la città di Casper, nel Wyoming, ha seppellito 1.000 lame non riciclabili nella sua discarica, guadagnando 675.000 dollari per la città. Ha sottolineato che i rifiuti dei parchi eolici sono meno tossici di altri rifiuti. Secondo l' American Wind Energy Association, le pale delle turbine eoliche rappresentano una "frazione incredibilmente piccola" dei rifiuti complessivi negli Stati Uniti .
Nel Regno Unito, un progetto sperimenterà il taglio delle lame in strisce da utilizzare come tondo per cemento armato , con l'obiettivo di ridurre le emissioni nella costruzione dell'alta velocità 2 .
Confronto con turbine a combustibili fossili
Vantaggi
Le turbine eoliche producono elettricità tra i due ei sei centesimi per kilowattora, che è una delle fonti di energia rinnovabile più economiche. Poiché la tecnologia necessaria per le turbine eoliche ha continuato a migliorare, anche i prezzi sono diminuiti. Inoltre, attualmente non esiste un mercato competitivo per l'energia eolica, perché il vento è una risorsa naturale liberamente disponibile, la maggior parte della quale non è sfruttata. Il costo principale delle piccole turbine eoliche è il processo di acquisto e installazione, che in media tra $ 48.000 e $ 65.000 per installazione. L'energia raccolta dalla turbina compenserà il costo di installazione, oltre a fornire energia praticamente gratuita per anni.
Le turbine eoliche forniscono una fonte di energia pulita, utilizzano poca acqua, non emettono gas serra e nessun prodotto di scarto. Oltre 1.500 tonnellate di anidride carbonica all'anno possono essere eliminate utilizzando una turbina da un megawatt invece di un megawatt di energia da un combustibile fossile.
Svantaggi
Le turbine eoliche possono essere molto grandi, raggiungere oltre 140 m (460 piedi) di altezza e con pale lunghe 55 m (180 piedi), e le persone si sono spesso lamentate del loro impatto visivo.
L'impatto ambientale dell'energia eolica include effetti sulla fauna selvatica, ma può essere mitigato se vengono implementate adeguate strategie di monitoraggio e mitigazione. Migliaia di uccelli, comprese specie rare, sono stati uccisi dalle pale delle turbine eoliche, sebbene le turbine eoliche contribuiscano in modo relativamente insignificante alla mortalità aviaria antropica. I parchi eolici e le centrali nucleari sono responsabili di tra 0,3 e 0,4 decessi di uccelli per gigawattora (GWh) di elettricità, mentre le centrali elettriche a combustibili fossili sono responsabili di circa 5,2 decessi per GWh. Nel 2009, per ogni uccello ucciso da una turbina eolica negli Stati Uniti, quasi 500.000 sono stati uccisi dai gatti e altri 500.000 dagli edifici. In confronto, i generatori convenzionali a carbone contribuiscono in modo significativamente maggiore alla mortalità degli uccelli, mediante incenerimento quando catturati nelle correnti ascensionali delle ciminiere e avvelenando con sottoprodotti delle emissioni (compresi particolato e metalli pesanti sottovento dei gas di combustione). Inoltre, la vita marina è influenzata dalle prese d'acqua delle torri di raffreddamento delle turbine a vapore (scambiatori di calore) per i generatori di combustibili fossili e nucleari, dai depositi di polvere di carbone negli ecosistemi marini (ad esempio danneggiando la Grande Barriera Corallina australiana) e dall'acidificazione dell'acqua dai monossidi di combustione.
L'energia sfruttata dalle turbine eoliche è intermittente e non è una fonte di energia "disponibile"; la sua disponibilità dipende dalla presenza di vento, non dalla necessità di elettricità. Le turbine possono essere posizionate su creste o scogliere per massimizzare l'accesso al vento che hanno, ma questo limita anche le posizioni in cui possono essere posizionate. In questo modo, l'energia eolica non è una fonte di energia particolarmente affidabile. Tuttavia, può far parte del mix energetico , che include anche energia da altre fonti. In particolare, la produzione relativa disponibile da fonti eoliche e solari è spesso inversamente proporzionale (bilanciamento). Si sta sviluppando anche la tecnologia per immagazzinare l'energia in eccesso, che può poi compensare eventuali carenze nelle forniture.
record
Vedi anche Elenco delle turbine eoliche più potenti
- Il più potente, il più alto, il più grande e con la massima produzione 24 ore su 24
- Haliade-X di GE Wind Energy è la turbina eolica più potente al mondo, con 12 MW. È anche il più alto, con un'altezza al mozzo di 150 m e un'altezza in punta di 260 m. Ha anche il rotore più grande di 220 m e la più grande area spazzata a 38000 m 2 Detiene anche il record per la più alta produzione in 24 ore, a 312 MWh.
- Azionamento convenzionale (non diretto) di maggiore capacità
- Il Vestas V164 ha una capacità nominale di 8 MW , successivamente aggiornata a 9,5 MW . La turbina eolica ha un'altezza complessiva di 220 m (722 piedi), un diametro di 164 m (538 piedi), è per uso offshore ed è la turbina eolica più grande del mondo dalla sua introduzione nel 2014. I treni di trasmissione convenzionali sono costituiti da un cambio principale e un generatore di PM a media velocità. Prototipo installato nel 2014 presso il National Test Centre Danimarca vicino a Østerild . La produzione in serie è iniziata alla fine del 2015.
- Asse verticale più grande
- Il parco eolico Le Nordais a Cap-Chat, Quebec , ha una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) denominata Éole, che è la più grande del mondo a 110 m. Ha una capacità di targa di 3,8 MW .
- La più grande turbina a 1 pala
- Il più grande progetto di turbina eolica a pala singola da mettere in servizio completo è il MBB Messerschmitt Monopteros M50, con una potenza totale di non meno di 640 kW a piena capacità. Per quanto riguarda il numero di unità, solo tre sono state installate in un vero e proprio parco eolico, di cui tutte sono andate al Jade Wind Park .
- La più grande turbina a 2 pale
- La più grande turbina a 2 pale è stata costruita da Mingyang Wind Power nel 2013. Si tratta di una turbina downwind offshore SCD6.5 MW , progettata da aerodyn Energiesysteme GmbH .
- Torre più alta
- Fuhrländer ha installato una turbina da 2,5 MW su una torre a traliccio di 160 m nel 2003 (vedi Fuhrländer Wind Turbine Laasow e Nowy Tomyśl Wind Turbines ).
- La maggior parte dei rotori
- Lagerwey ha costruito Four-in-One, una turbina eolica multirotore con una torre e quattro rotori vicino a Maasvlakte. Nell'aprile 2016, Vestas ha installato una turbina eolica di prova a quattro rotori da 900 kW a Risø , composta da 4 turbine V29 riciclate da 225 kW .
- Il più produttivo
- Quattro turbine al parco eolico offshore di Rønland in Danimarca condividono il record per le turbine eoliche più produttive, con ciascuna che ha generato 63,2 GWh entro giugno 2010.
- Situato più in alto
- Dal 2013 la turbina eolica più alta del mondo è stata realizzata e installata da WindAid e si trova alla base del ghiacciaio Pastoruri in Perù a 4.877 metri (16.001 piedi) sul livello del mare. Il sito utilizza il generatore eolico WindAid da 2,5 kW per fornire energia a una piccola comunità rurale di micro imprenditori che si occupano dei turisti che si recano al ghiacciaio Pastoruri.
- La più grande turbina eolica galleggiante
- La più grande turbina eolica galleggiante del mondo è una delle cinque turbine da 6 MW del parco eolico offshore Hywind Scotland da 30 MW .
Guarda anche
Riferimenti
Ulteriori letture
- Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi: Manuale sull'energia eolica , John Wiley & Sons, 2a edizione (2011), ISBN 978-0-470-69975-1
- Darrell, Dodge, precoce Storia al 1875 Archiviato 2 dicembre 2010 presso la Wayback Machine , TeloNet Web Development, Copyright 1996-2001
- Ersen Erdem, applicazioni industriali per turbine eoliche
- Robert Gasch, Jochen Twele (a cura di), Centrali eoliche. Fondamenti, progettazione, costruzione e funzionamento , Springer 2012 ISBN 978-3-642-22937-4 .
- Erich Hau, Turbine eoliche: fondamenti, tecnologie, applicazioni, economia Springer, 2013 ISBN 978-3-642-27150-2 (anteprima su Google Books)
- Siegfried Heier, Integrazione alla rete dei sistemi di conversione dell'energia eolica John Wiley & Sons, 3a edizione (2014), ISBN 978-1-119-96294-6
- Peter Jamieson, Innovazione nella progettazione di turbine eoliche . Wiley & Sons 2011, ISBN 978-0-470-69981-2
- JF Manwell, JG McGowan, AL Roberts, Spiegazione dell'energia eolica: teoria, progettazione e applicazione , John Wiley & Sons, 2a edizione (2012), ISBN 978-0-47001-500-1
- David Spera (a cura di) Tecnologia delle turbine eoliche: concetti fondamentali nell'ingegneria delle turbine eoliche , seconda edizione (2009), ASME Press, ISBN 9.780.791802601
- Alois Schaffarczyk (a cura di), Capire la tecnologia dell'energia eolica , John Wiley & Sons, (2014), ISBN 978-1-118-64751-6
- Hermann-Josef Wagner, Jyotirmay Mathur, Introduzione ai sistemi di energia eolica. Nozioni di base, tecnologia e funzionamento . Springer (2013), ISBN 978-3-642-32975-3
- GA Mansoori, N Enayati, LB Agyarko (2016), Energia: fonti, utilizzo, legislazione, sostenibilità, Illinois come Stato modello