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:: Energia Rinnovabile / Energia Eolica
Storia dell'Energia Eolica
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.
L'energia cinetica del vento
L'energia eolica, prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in energia meccanica e quindi in energia elettrica è una forma di energia solare. I venti sono generati dal riscaldamento non uniforme dell'atmosfera da parte del sole, dalla irregolarità della superficie della terra e dalla sua rotazione. Essa è pensata tenendo presente sia una produzione centralizzata in impianti da porre in luoghi alti e ventilati, sia un eventuale decentramento energetico composti da un numero esiguo di pale (1-3 pale da 3-4 megawatt) con le quali genera l'energia.
Funzionamento
Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso, è attuato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi ben distinti:
- Generatori eolici ad asse verticale
- Generatori eolici ad asse orizzontale
Tra i moderni aerogeneratori, quello più diffuso, è il modello ad asse orizzontale. Le pale (da 1 a 3), mosse dal vento consentono di trasferire ad un asse – rotore - una certa velocità di rotazione. Dal rotore l'energia cinetica viene trasmessa ad un generatore di corrente collegato a sistemi di controllo e trasformazione tali da regolare la produzione di energia e l'eventuale inserimento in rete.
Generatori eolici 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.
Generatori eolici ad asse verticale
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 metri/sec ed erogano la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 metri/sec. Ad elevate velocità (20/25 metri al secondo) l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.
Impianti eolici off-shore
La
centrale eolica piace in mezzo al mare. Ce ne sono anche in
Inghilterra, Danimarca e altri Paesi (una quindicina in Europa),
ma ora ai “mulini” offshore
sta lavorando anche la Cina. Si tratta di grandi aerogeneratori
a circa 50 chilometri dalla costa, in acque profonde sino a 30
metri. L'eolico offshore (impianti eolici costruiti
in mare aperto) è un
nuovo approccio allo sfruttamento del vento che coniuga le conoscenze
acquisite nel campo dell'eolico tradizionale con l'esperienza
maturata nella
costruzione di piattaforme marine per l'estrazione di gas o di
petrolio. I risultati dei primi impianti eolici offshore costruiti
in Danimarca, Regno Unito, Irlanda e Svezia sono d'altra parte
incoraggianti e ci
inducono ad essere ottimisti sulla possibilità di utilizzare
questa tecnologia su larga scala, anche se rimangono degli aspetti
problematici relativi soprattutto al rischio sul piano dei finanziamenti
e della copertura assicurativa dei progetti e ai costi da sostenere
per l'adeguamento delle reti elettriche nazionali e l'interconnessione
con gli impianti eolici offshore.
Il rapporto "Offshore Wind - Implementing a new Power House for Europe" analizza il ruolo e le potenzialità dell'energia eolica offshore nella battaglia per ridurre le emissioni di gas serra in atmosfera e contrastare il cambiamento climatico. Secondo questo documento l’eolico potrà soddisfare il 10% del fabbisogno energetico in Europa entro il 2020. Questo rapporto, che si occupa in particolare di eolico offshore, deve essere inquadrato nel contesto di altre pubblicazioni e di altri contributi promossi negli ultimi anni da Greenpeace in materia di energia eolica: il rapporto North Sea offshore wind – A powerhouse for Europe pubblicato nell'ottobre del 2000; il rapporto Sea Wind Europepubblicato nel marzo del 2004; Il rapporto Windforce 12 realizzato in collaborazione con la EWEA.
(Fonte: greenpeace.org)
Costi dell'eolico
L'eolico è l'energia meno costosa attualmente disponibile. 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).
(Fonte: International Energy Agency)
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 (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.
Generatori eolici
I generatori eolici nell'arco degli ultimi 20 anni hanno migliorato
drasticamente 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 Megawatt per i più efficienti e una produzione tipica
del mercato attuale di 1,5 MW, con una velocità del vento di 3-4
m/s. Considerando che la massima potenza erogata alle utenze domestiche è di
3 chilowatt, una pala è in grado di soddisfare il fabbisogno energetico
di circa 1000 utenze domestiche, corrispondenti 4000-4500 persone (considerando
4 abitanti medi per nucleo familiare) e alle dimensioni medie di un
comune italiano. Questi standard sono raggiunti sia da aerogeneratori
orizzontali che verticali.
Un generatore sia ad asse verticale che orizzontale richiede
una velocità minima
del vento di 3-5 metri/sec ed eroga la potenza di progetto ad una velocità del
vento di 12-14 metri/sec. Ad elevate velocità (20/25 metri al secondo)
l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.
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.
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.
Ecco perché il
rendimento elettrico di tale dispositivo può essere considerato simile
all'efficienza del motore ad aria compressa, intorno al 70%. 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.
Il progetto Kite wind generator
Attualmente la più diffusa tipologia di turbina eolica prevede eliche ad asse orizzontale, è una tecnologia considerata oggi matura e, pur essendo certamente migliorabile, consente di ottenere qualche MW di potenza nelle macchine più grandi: forse troppo poco per essere competitiva senza ricorrere a contributi e finanziamenti.
(Fonte: kitewindgenerator.com)
Ad alta quota i venti soffiano veloci e sono quindi molto più energetici. Servono idee per andare a catturare l'energia laddove è più abbondante, una di queste idee è venuta ai fautori del progetto KiteGen. L'idea è quella di costruire un'enorme carosello alle cui estremità agganciare delle funi connesse a degli aquiloni veri e propri. Il carosello viene messo in rotazione dalla forza del vento sugli aquiloni. La quota a cui si dovrebbero poter fare arrivare gli aquiloni è molto alta, consentendo di sfruttare i venti migliori. la rotazione è lenta, ma la coppia sviluppata potrebbe essere mostruosa, per generare tanta energia. Il difficile sta nel sistema di controllo degli aquiloni. Chi sta studiando questo progetto ritiene fattibile governare gli aquiloni tramite un sistema di controllo elettronico. Il progetto è supportato da partner prestigiosi, tra cui il Politecnico di Torino. Anche TV e stampa si sono occupati del KiteGen con articoli comparsi su importanti testate (es: La stampa, La repubblica).
Approfondimento – Innovazioni:Il Kitegen - vento ad alta quota
Esiste in Italia un progetto radicalmente innovativo (il prototipo è ancora
in fase di costruzione) che consiste 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 la turbina 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. Sei profili alari di
potenza controllati automaticamente sono in grado di tenere in rotazione
una turbina di 1.600 metri di diametro alla velocità di 15 giri all'ora,
il che permette di generare la potenza di 1 GigaWatt, l'equivalente di una
centrale nucleare di media potenza a un costo 40 volte inferiore (80 milioni
di euro contro i 2,5 miliardi per la costruzione e 0,5 miliardi per lo smantellamento
di una centrale nucleare, oltre al costo di stoccaggio/smaltimento delle
scorie radioattive). L'ulteriore vantaggio dei profili alari di potenza
risiede nel fatto che la lunghezza del cavo può permettere loro di
raggiungere altezze di 500 o 600 metri, dove il vento può essere
due o tre volte più veloce, senza introdurre criticità strutturali.
Infatti l'altezza della sommità del corpo centrale è irrilevante
ai fini della produzione di energia. Si considera opportuno che sia di almeno
30 metri, per consentire attività sull'area sottostante (agricoltura,
pascolo o navigazione, nel caso di installazioni off-shore). Il vento ad
alta quota ha anche la caratteristica di essere quasi sempre presente e
sostenuto (7000 ore) durante l'anno mentre quello a livello del terreno è presente
solo per circa 1700-1800 ore all'anno (ore che rappresentano il rapporto
Kwh prodotto in un anno rispetto alla potenza dell'aerogeneratore), un anno
ha 8760 ore. A giugno 2006 il kitegen ha ricevuto un finanziamento di 15
milioni di euro. Con i primi 4 milioni di euro partirà una prima
sperimentazione di un kitegen da 1 megawatt di bassa quota, di seguito partirà la
sola progettazione di un kitegen di potenza usando i restanti 11 milioni
di euro del contributo pubblico. Il wind kite generator di potenza sarà probabilmente
da 20 MW e si suppone sarà costruito sulle ceneri dei reattori di
Trino (VC). L'area è ideale perché è già protetta
da una "no fly zone", si tratterà, in questo caso, di eolico
di alta quota.
In ogni caso, si pensa che la tecnologia dei generatori ad asse verticale,
quando matura, soppianterà quella ad asse orizzontale, come del resto
sta già, in parte, accadendo.
Molte informazioni sono disponibili sul sito del progetto : http://www.kitewindgenerator.com/
Molte innovazioni possono sembrare assurde al loro apparire. Ricordate cosa diceva il signor Soichiro Honda, fondatore dell'omonima società, la Honda Motor Co., Ltd?
“… se capissi sempre tutto quello che stanno combinando i miei uomini, vorrebbe dire che non stanno inventando niente di nuovo…”
2006 -