Energia eolica

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Energie rinnovabili

Biocarburante Biomassa Geotermica Idroelettrica Solare Mareomotrice Moto ondoso Eolica

Turbina in Germania

	« Vostra Eccellenza, abbia cura di quelle cose al di sopra delle quali non ci sono giganti, ma mulini a vento. »
	(Miguel de Cervantes – Don Chisciotte della Mancia (1605))

L'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in altre forme di energia. Attualmente viene per lo più convertita in elettrica tramite una centrale eolica, mentre in passato l'energia del vento veniva utilizzata immediatamente sul posto come energia motrice per applicazioni industriali e pre-industriali. Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto costo/produzione, è stata anche la prima fonte energetica rinnovabile usata dall'uomo.

Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso, è attuato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi ben distinti in funzione del tipo di modulo base adoperato definito generatore eolico:

Generatori eolici ad asse verticale
Generatori eolici ad asse orizzontale

Essa è pensata tenendo presente sia una produzione centralizzata in impianti da porre in luoghi alti e ventilati, sia un eventuale decentramento energetico, per il quale ogni Comune ha impianti di piccola taglia, composti da un numero esiguo di pale (1-3 turbine da 3-4 megawatt) con le quali genera in loco l'energia consumata dai suoi abitanti. Il tempo di installazione di un impianto è molto breve; fatti i rilievi sul campo per misurare la velocità del vento e la potenza elettrica producibile, si tratta di trasportare le pale eoliche e fermarle nel terreno. Il tempo di progettazione e costruzione di altre centrali (idroelettriche, termoelettriche,etc.) è superiore a 4 anni.

Nonostante le intenzioni siano le migliori, la mancanza di una legge quadro o di un testo unico sulle energie eoliche, diversamente dal solare, è considerata una delle cause della lenta diffusione della tecnologia rispetto all'estero. Benché l'eolico sia l'energia meno costosa, non è né massicciamente richiesto dai produttori elettrici che potrebbero rivenderlo al costo del kWh attuale con maggiori profitti, né è la prima quantità d'energia ad essere venduta nella Borsa elettrica che pur abbina domanda e offerta di energia in base al prezzo del kWh elettrico (l'eolico, avendo il prezzo per kWh più basso e conveniente, dovrebbe collocarsi subito).

[modifica] Storia dell'eolico

I primi mulini a vento europei pompavano acqua o muovevano le macine per triturare i cereali

In Olanda erano utilizzati per pompare l'acqua dei polder, migliorando notevolmente il drenaggio dopo la costruzione delle dighe. I mulini olandesi erano i più grandi del tempo, divennero e rimasero il simbolo della nazione. Questi mulini erano formati da telai in legno sui quali era fissata la tela che formava, così, delle vele spinte in rotazione dal vento. Nel corso del XIX secolo entrarono in funzione migliaia di mulini a vento sia in Europa, sia in America, soprattutto per scopi di irrigazione. In seguito, con l'invenzione delle macchine a vapore, vennero abbandonati per il costo del carbone, allora a buon mercato.

Negli anni settanta l'aumento dei costi energetici ha ridestato l'interesse per le macchine che utilizzano la forza del vento. Così molte nazioni hanno aumentato i fondi per la ricerca e lo sviluppo dell'energia eolica.

[modifica] Costi dell'eolico

Grazie ai recenti sviluppi tecnologici l'energia eolica inizia ad essere economicamente vantaggiosa. Il costo di installazione è relativamente basso (circa 1,5€ per Watt, se raffrontato ad altre tecnologie come ad esempio il fotovoltaico (circa 5€ per Watt). ^[1]

Al 2004, secondo l'International Energy Agency, il costo medio di produzione dell'energia eolica sarebbe compreso tra 0,04-0,08 €/kWh, anche se stime più recenti indicherebbero un costo ancora inferiore che farebbe presupporre nel breve termine un costo di 0,03 €/kWh del tutto concorrenziale rispetto ai costi dell'energia generata da fonti convenzionali (negli ultimi dieci anni la riduzione del costo di produzione di energia da fonti eoliche si è attestata sul 30%-50% e si prevede che la tendenza rimanga costante).

[modifica] Impianti

Capacità mondiale installata e previsioni 1997-2010, Fonte: WWEA

Attualmente il costo di installazione in Italia, facendo riferimento ad impianti con una potenza nominale superiore ai 600 kW, varia tra gli 850 e i 1300 €/kW, il prezzo ovviamente varia secondo la complessità dell'orografia del terreno in cui l'impianto vada installato. Detto questo una centrale di 10 MW, allacciata quindi alla rete in AT, costerebbe tra gli 8 e i 13 milioni di euro, mentre per una centrale allacciata alla rete di MT (3-4 MW) il costo si comprime tra 0,9 e 1,2 milioni di Euro al MW. Gli unici capitoli di spesa totale riguardano solamente l'installazione e la manutenzione, essendo la fonte produttrice di energia (il vento) gratis. In relazione alla superficie occupata, una centrale eolica non toglie la possibilità di continuare le precedenti attività su quel terreno (tipo pastorizia ecc...). In alcuni paesi come la Danimarca la corrente prodotta con questo sistema ha raggiunto lo straordinario obiettivo del 23% del fabbisogno nazionale. Altri stati all'avanguardia sono la Spagna 9% e la Germania 7%.^[2] L'Italia invece è settima nella classifica delle nazioni con le maggiori capacità installate.^[3] Tra il 2000 e il 2006, la capacità mondiale installata è quadruplicata.

Immagine:Produzionemondiale.jpg

Capacità mondiale totale installata al 2007, Fonte [1]

[modifica] Piccolo eolico, minieolico e microeolico

Per "minieolico" si intendono piccoli impianti, da installare in parchi o spiagge di fattorie, villaggi o ville. Per questi impianti casalinghi il prezzo di installazione risulta più elevato, attestandosi attorno ai 1500-3000 € al kW, questo perché il mercato di questo tipo di impianti è ancora poco sviluppato, anche a causa delle normative che, a differenza degli impianti fotovoltaici, in quasi tutta Europa ne disincentivano l'uso, sulla scia di un pensiero diffuso soprattutto nei decenni passati, che vedeva nelle turbine eoliche grossi problemi di impatto paesaggistico.

[modifica] Turbina a vento Savonius

La turbina a vento di Savonius è un tipo di turbina a vento ad asse verticate, utilizzata per la conversione di coppia dell'energia del vento su un albero rotante. Inventata dall'ingegnere finlandese Sigurd J Savonius nel 1922, e brevettata nel 1929, è una delle turbine più semplici.

[modifica] Eolico off-shore

Con l'espressione eolico off-shore si intendono gli impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi, per meglio utilizzare la forte esposizione alle correnti di queste zone.

In questo senso, la Spagna ha avviato uno studio di fattibilità della durata di un anno sull'intero territorio nazionale, per determinare le aree maggiormente ventilate e con continuità, e quindi i siti candidati all'installazione di centrali di taglia medio-grande.^[4] La Spagna ha esteso le misurazioni mediante centraline fisse e mobili anche a tutta la costa, oltre che a zone collinari e di montagna, scegliendo di battere la strada dell'eolico off-shore.

Dopo aver diffuso microimpianti nelle singole abitazioni, e un decentramento energetico, ora punta a realizzare pochi impianti centralizzati per la produzione di alcuni gigawatt ciascuno.

Ad Havsui, in Norvegia, sorgerà il più grande impianto eolico al mondo, che dovrà fornire 1,5 Gigawatt di potenza elettrica. Si tratta di un eolico off-shore.^[5]

Il governo Inglese sembra intenzionato a presentare un progetto per realizzare un'estesa serie di generatori off-shore in grado entro il 2020 di produrre abbastanza corrente elettrica da alimentare le utenze domestiche del Regno Unito. Il piano prevede impianti per 20 GWatt che si aggiungeranno agli 8 GWatt di impianti già deliberati.^[6]

[modifica] Beatrice : Off-shore 5M Wind Turbine Premier

Installata al largo della Scozia “Beatrice”: è la più potente turbina eolica del mondo. Costata 41 milioni di euro, è la prima fase di un progetto europeo per realizzare una maxi-centrale. Beatrice è installata nel mare del Nord, al largo della costa scozzese, dove il vento è forte e costante: reggerà alle onde più devastanti e dalla costa il suo impatto visivo e d’inquinamento acustico è minimo. ^[7]

Il nome in codice del progetto è infatti DOWNVIND, che sta per Distant Offshore Windfarms with No Visual Impact in Deepwater (centrale eolica distante dalla costa in acque profonde e senza impatto visivo).

[modifica] Parchi eolici off-shore galleggianti

Le turbine offshore flottanti potranno essere installate anche nei siti marini molto profondi. Imitando la tecnologia delle piattaforme petrolifere, le turbine eoliche galleggianti vengono installate in mare aperto e sfruttano i venti costieri. Il progetto usa un sistema di ancoraggio a tre punti (cavi in acciaio ancorati al fondale), simile a quello utilizzato nelle piattaforme petrolifere^[8]. Al momento Hydro, società norvegese che opera nel settore energia, sta lavorando per collocare un prototipo di questa turbina vicino Karmøy, un’isola a sud est della Norvegia ed eventualmente vicino ad una installazione petrolifera con l’obiettivo di rifornirla di energia rinnovabile.

[modifica] Sistema ibrido eolico-idrogeno

L'energia eolica ha una natura intermittente. Questo ha condotto a numerosi metodi di immagazzinamento all'energia, inclusa la produzione di idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua. L'idrogeno è susseguentemente usato a generare elettricità quando la domanda d'energia non può essere sostenuta solo dal vento. L'energia immagazzinata nell'idrogeno verrà convertita in energia elettrica attraverso celle a combustibile o con un motore a combustione collegato a un generatore elettrico. In Danimarca, a maggio 2007 è stata costruita la prima centrale europea a eolico-idrogeno.^[9]

[modifica] Efficienza

L'efficienza massima di un impianto eolico può essere calcolata utilizzando la Legge di Betz, che mostra come l'energia massima che un generatore qualunque possa produrre (ad esempio una pala eolica) sia il 59,3% di quella posseduta dal vento che gli passa attraverso. Tale efficienza è molto difficile da raggiungere, e un aerogeneratore con un'efficienza compresa tra il 40% al 50% viene considerato ottimo.

Gli impianti eolici consentono grosse economie di scala, che abbattono il costo del chilowattora elettrico con l'utilizzo di pale lunghe ed efficienti dalla produzione di diversi megawatt ciascuna.

Tali impianti hanno però un rilevante impatto ambientale, per quanto riguarda il paesaggio. Una maggiore potenza elettrica in termini di megawatt significa grossi risparmi sui costi di produzione, ma anche pale più lunghe e visibili da grandi distanze. Un colore verde, nel tentativo di "mimetizzare" gli aerogeneratori all'interno del paesaggio, attenua in minima parte il problema, date le altezze degli impianti. Per questo motivo, nonostante la suddetta maggiore economicità ed efficienza degli impianti di grossa scala, per lo più si decide per una soluzione di compromesso tra il ritorno economico, che spinge verso impianti più grandi, e l'impatto paesaggistico.

[modifica] Generatori eolici

I generatori eolici a partire dal 1985 hanno migliorato drasticamente il rendimento, dimensioni e costi e continuano a farlo: ecco perché i numeri dati in seguito sono da ritenersi provvisori. Tali generatori sono riusciti a passare da una produzione di pochi chilowatt di potenza, a punte di 3 MW per i più efficienti e una produzione tipica del mercato attuale di 1,5 MW, con una velocità del vento minima di 3-4 m/s.

Un generatore sia ad asse verticale che orizzontale richiede una velocità minima del vento (cut-in) di 3-5 m/s ed eroga la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 m/s. Ad elevate velocità (20-25 m/s, velocità di cut-off) l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.
Il bloccaggio può avvenire con veri e propri freni che bloccano il rotore, o con metodi che si basano sul fenomeno dello stallo e "nascondono le pale al vento".

Esistono anche generatori a pale mobili che seguono l'inclinazione del vento, mantenendo costante la quantità di elettricità prodotta dall'aerogeneratore, e a doppia elica, per raddoppiare la potenza elettrica prodotta. Non mancano generatori silenziosi; il problema principale resta la dimensione delle pale e la mancanza di generatori a "micropale" non visibili a occhio nudo che risolverebbero l'impatto negativo sul paesaggio.

Impianto eolico in Danimarca

Una notevole potenza elettrica viene dissipata nel rotore che deve avere una velocità di 3000 giri/minuto per erogare una corrente alla frequenza di rete di 50 hertz. I giri al minuto dell'aerogeneratore sono molto variabili come lo è la velocità del vento; ma la frequenza di rete deve essere costante a 50 hertz, perciò i rotori vengono collegati a una serie di inverter prima di immettere l'energia in rete.

La cinematica del generatore eolico è caratterizzata da bassi attriti, assenza di surriscaldamento e di un sistema di refrigeranti (olio ed acqua) e un costo di manutenzione pressoché nullo.

I principali produttori mondiali di aerogeneratori sono tedeschi e danesi: Vestas, Enercon, Siemens, Gamesa Eolica, GE Wind, Nordex, NedWind, Enron Wind. sono circa 26 le aziende che producono gli aerogeneratori.

[modifica] Generatori ad asse verticale

Un generatore eolico ad asse verticale (VAWT - Vertical Axis Wind Turbines) è un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantità di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente. È una macchina molto versatile, adatta all'uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine di Gigawatt.

Gli aerogeneratori tradizionali hanno, quasi senza eccezioni, l’asse di rotazione orizzontale. Questa caratteristica è il limite principale alla realizzazione di macchine molto più grandi di quelle attualmente prodotte: i requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentono di ipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di 180 metri.
Queste dimensioni, per altro, riguardano macchine per esclusiva installazione off-shore. Le macchine on-shore più grandi hanno diametri di rotore di 70 metri e altezze di torre di 130 metri. In una macchina siffatta il raggio della base supera i 20 metri. La velocità del vento cresce con la distanza dal suolo. Questa è la principale ragione per la quale i costruttori di aerogeneratori tradizionali spingono le torri a quote così elevate. La crescita dell’altezza, insieme al diametro del rotore che essa rende possibile, sono la causa delle complicazioni statiche dell’intera macchina, che impone fondazioni complesse e costose e strategie sofisticate di ricovero in caso di improvvise raffiche di vento troppo forte.

Macchine eoliche ad asse verticale sono state concepite e realizzate fin dal 1920. La sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (30%) ne ha di fatto confinato l’impiego nei laboratori. L'unica installazione industriale oggi esistente è quella di Altamont Pass in California, realizzata dalla FloWind nel 1997. L’installazione è in fase di smantellamento, a causa delle difficoltà economiche del costruttore, che è in bancarotta.

Negli ultimi tempi, tuttavia, si è cercato di ottimizzare molto queste macchine, rendendole molto competitive: taluni asseriscono che gli ultimi prototipi, funzionando in molte più ore l'anno rispetto a quelle ad asse orizzontale, hanno un rendimento complessivo maggiore.

[modifica] Innovazioni - Il Kitegen

Esiste in Italia un progetto radicalmente innovativo che consiste proprio in una centrale eolica ad asse di rotazione verticale. Si tratta del Kite Wind Generator o Kitegen. Questo elimina tutti i problemi statici e dinamici che impediscono l’aumento della potenza (cioè delle dimensioni) ottenibile dagli aerogeneratori tradizionali.

Il problema di "catturare" il vento è risolto dall'idea di impiegare profili alari di potenza (Power Kites) solidali al perimetro della turbina. I profili alari di potenza volano secondo traiettorie prestabilite, che permettono di trasformare la forza esercitata sui cavi in una coppia complessiva concorde che mette in rotazione le braccia di una giostra ad asse verticale. In pratica, i profili alari di potenza sono le pale della turbina, che le consentono di ruotare intorno ad un asse verticale, semplificando enormemente i problemi di fondazione e di rigidezza.

Ad agosto 2006 è stato costruito un primo prototipo dal nome Mobilegen.

[modifica] Generatore ad asse orizzontale

Un generatore eolico ad asse orizzontale (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbines) è formato da una torre in acciaio di altezze che si aggirano tra i 60 e i 100 metri sulla cui sommità si trova un involucro (gondola) che contiene un generatore elettrico azionato da un rotore a pale lunghe circa 20 metri (solitamente 2 o 3). Esso genera una potenza molto variabile: tipicamente 600 chilowatt che equivale al fabbisogno elettrico giornaliero di 500 famiglie.

Il mulino a vento è un esempio storico di generatore ad asse orizzontale. Come i generatori ad asse verticale anche quelli ad asse orizzontale richiedono una velocità minima di 3-5 m/s ed erogano la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 m/s. Ad elevate velocità (20/25 m/s) l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.

[modifica] Aspetti negativi dell'energia da fonti eoliche

Gli aspetti negativi delle turbine eoliche sono diversi:

L'impatto ambientale, seppur rivalutato negli ultimi anni, è un grosso disincentivo all'istallazione di questo genere di impianti. Nella gran parte dei casi infatti i luoghi più ventosi risultano essere le cime ed i pendii di colline e montagne, spesso luoghi dove la natura viene protetta e dove gli impianti eolici risultano visibili anche da grande distanza, con un impatto paesaggistico in alcuni casi non tollerabile. Inoltre generano un lieve inquinamento acustico, che in ecosistemi delicati potrebbe influenzare la vita delle specie animali presenti. La turbina eolica fornisce potenze analoghe con un impatto paesaggistico molto più contenuto: di dimensioni molto più compatte, possiede un rotore e un numero elevato di micropale lunghe pochi centimetri.

È opinione diffusa che gli impianti eolici possano essere pericolosi per l'avifauna, uccidendo gli uccelli che vi volano in mezzo. In realtà, gli studi condotti hanno rilevato una mortalità bassissima e molto inferiore a quella causata dalle finestre dei normali edifici e dalle automobili. ^[10] ^[11]

Un secondo problema, per ora marginale, ma importante per produzioni in larga scala, è l'intermittenza (o "aleatorietà") della potenza elettrica prodotta. Il vento, analogamente al Sole e differentemente dalle fonti di energia convenzionali, non fornisce energia continuamente ed omogeneamente e soprattutto non può essere controllato per adattare l'energia prodotta alla richiesta delle utenze, se non in combinazione con altre fonti di energia, come l'idroelettrico, capaci di essere controllati. Tuttavia, nell'ambito di ampie reti di generatori, questo aspetto viene smorzato.