ENERGIA EOLICA

Il vento è generato dall’azione del Sole che, riscaldando l’atmosfera in maniera non uniforme, determina differenze di pressione tra punti diversi di questa e, conseguentemente, lo spostamento di masse d’aria. L’energia cinetica posseduta dall’aria in movimento è l’energia eolica. Si stima che la potenza eolica complessiva sia compresa fra i 1700 e i 3500 TeraWatt; per avere un metro di paragone, si pensi che fabbisogno energetico complessivo primario dell’umanità è inferiore a 20 TW.²¹⁰

L’energia del vento non è distribuita uniformemente nell’atmosfera, ma si concentra soprattutto negli strati superiori della troposfera²¹¹ alle latitudini centrali dei due emisferi. La quota a cui la potenza specifica del vento²¹² risulta più elevata e la velocità media del vento può oltrepassare i 162 chilometri all’ora (equivalenti a 45 metri/secondo) si colloca a circa 10.000 metri di altitudine; purtroppo con le attuali tecnologie disponibili non è commercialmente sfruttabile l’energia posseduta dal vento a tali quote.

Nella figura 3.1 è illustrato l’andamento della velocità del vento a circa 10.400 metri di altitudine, frutto di rilevazioni effettuate tra il 1998 e il 2007.

Se si osservano le rilevazioni relative al medesimo intervallo temporale ma effettuate a quote più basse, è evidente che la velocità media del vento è inferiore. Ciò è da attribuirsi al fatto che le masse d’aria, man mano che ci si avvicina al suolo subiscono un rallentamento dovuto oltre che all’attrito tra loro, anche a quello con gli elementi orografici del territorio, la qual cosa sottrae energia al vento, o meglio, trasforma l’energia del vento in calore.

Nella figura 3.2 è rappresentato l’andamento della velocità del vento a circa 5.600 metri di altitudine, scaturito dalle rilevazioni eseguite tra il 1998 e il 2007.

210 Cfr. http://www.kitegen.com/it/tecnologia/dati-sul-vento (accesso: 11-08-09).

211 La troposfera è la parte più vicina al suolo dell’atmosfera terrestre, in cui avvengono tutti i fenomeni meteorologici più comuni. Essa possiede uno spessore variabile tra i poli e l’equatore (circa 8 km ai poli e 18 km all’equatore). 212La potenza specifica del vento viene calcolata in W/m² (Watt per metro quadrato) di fronte vento intercettato ed è uguale a ½ Ρ V³ (dove Ρ è la densità dell’aria in kg/m³ e V è la velocità del vento in m/s).

Discostandosi dal suolo e salendo in quota si trova vento, in media, più veloce (la potenza cresce al cubo con il crescere della velocità del vento) e aria meno densa (in tal caso la potenza diminuisce linearmente con il decremento della densità, ma a 1.000 metri di altitudine la riduzione della densità è dell’ordine del 10%). Allontanandosi dal suolo, la potenza specifica del vento tende, quindi, sempre ad aumentare fino a circa 10.000 metri di altitudine.

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Figura 3.1: Andamento della velocità del vento a 10.440 metri di altitudine

Fonte: NOAA/ESRL Physical Sciences Division, Boulder Colorado213

Figura 3.2 : Andamento della velocità del vento a 5.600 metri di altitudine

Fonte: NOAA/ESRL Physical Sciences Division, Boulder Colorado214

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Si calcola che a 10 metri di altitudine il vento abbia in media, a livello globale, una velocità di 3,3 m/s e una potenza specifica di 22 W/m²; a 80 metri di altezza dal suolo, la potenza specifica del vento è superiore di oltre 2,6 volte; a 800 metri si riscontrano valori sia della velocità che della potenza specifica del vento notevolmente superiori (tabella 3.1).

Tabella 3.1: Velocità media del vento e potenza specifica a diverse altitudini.

Altezza dal suolo Velocità del vento Potenza specifica del vento

m m/s W/m2

800 7,2 205 80 4,6 58 10 3,3 22

Fonte: Kitegen215

L’energia eolica viene captata mediante l’impiego di macchine eoliche in grado di trasformare l’energia del vento in energia meccanica di rotazione che può essere utilizzata sia in maniera diretta, per mettere in funzione macchine operatrici, sia per generare energia elettrica, in tal caso il sistema di conversione è denominato aerogeneratore o turbina eolica²¹⁶.

Un aerogeneratore eolico si può pensare composto da:

• Un rotore, ossia un dispositivo formato da un mozzo su cui sono montate una o più pale. I rotori più comuni sono quelli a due e a tre pale. Quelli a una pala (equilibrata da un contrappeso) girano a velocità più elevate rispetto a tutti gli altri, ma le prestazioni, in termini energetici, non sono delle migliori. I rotori a due pale sono abbastanza economici e ruotano a velocità maggiori rispetto a quelli a tre pale che sono dotati di proprietà dinamiche migliori, questi ultimi, infatti, forniscono una coppia motrice maggiormente uniforme e hanno una resa energetica un po’ più elevata rispetto a quelli a due pale.

I materiali con cui sono realizzate la pale eoliche sono i più svariati, ma quelli più comuni sono: leghe d’alluminio, legno, acciaio, materiali compositi di tipo innovativo quali le fibre di carbonio²¹⁷.

La struttura delle pale varia a seconda delle dimensioni delle macchine; per quelle di taglia media e grande essa evoca le ali degli aerei.

• Una torre, ossia la struttura di sostegno dell’intero dispositivo; può essere tubolare o a traliccio²¹⁸ e realizzata in cemento armato, acciaio, legno o fibre sintetiche.

• Fondamenta, che ancorano la struttura eolica al terreno e le permettono di resistere alle sollecitazioni del vento. Esse sono generalmente fatte di cemento armato e totalmente interrate.

214

http://www.cdc.noaa.gov (accesso: 07-07-09). 215 http://www. kitegen.com/it/tecnologia/dati-sul-vento

216 Aabakken J., Power Technologies Energy Data Book, Golden, National Renewable Energy Laboratory -NREL, 2005.

217 AWEA - American Wind Energy Association, Wind energy applications guide, AWEA, Washington, DC, 2001. 218 Le torri a traliccio, pur essendo meno costose delle tubolari, sono meno impiegate.

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• Una navicella, che non è altro che la cabina in cui sono collocati i diversi componenti di un aerogeneratore, tranne il rotore. Essa è collocata sulla parte sommitale della torre e può ruotare di 180° sul proprio asse.

• Un sistema di imbardata, consistente in un servomeccanismo che negli aerogeneratori di medie e grandi dimensioni permette di mantenere l’allineamento tra l’asse del rotore e la direzione del vento, mediante un sensore che segnala l’eventuale disallineamento e permette l’entrata in funzione di un motore che riallinea il sistema; ciò al fine di ottenere sempre il massimo rendimento dall’aerogeneratore. Tale dispositivo non è previsto nei sistemi di piccole dimensioni che, per ottenere il medesimo risultato, si servono di una pinna direzionale.

• Un sistema frenante, composto da due meccanismi indipendenti che consentono l’arresto delle pale eoliche: un meccanismo di frenaggio aerodinamico e uno meccanico. Il primo serve ad arrestare il rotore e può essere considerato un freno di emergenza che entra in funzione quando la velocità del vento diventa eccessiva. Il secondo viene usato per completare l’arresto del rotore e come freno di stazionamento.

• Un generatore, che trasforma in energia elettrica l’energia meccanica.

• Un moltiplicatore di giri, che trasforma la lenta rotazione delle pale in una rotazione più veloce e consente una corretta alimentazione del generatore elettrico. Le macchine eoliche più piccole, caratterizzate da alte velocità di rotazione delle pale, possono anche fare a meno del moltiplicatore di giri.

• Un sistema di controllo, che gestisce in maniera automatica il funzionamento dell’aerogeneratore e, in caso di guasti o di sovraccarico dovuto ad un’eccessiva velocità del vento, aziona il dispositivo di sicurezza che arresta il funzionamento dell’aerogeneratore.

Esistono diverse tipologie di macchine eoliche che si distinguono in base alla posizione dell’asse del rotore rispetto alla direzione del vento, si hanno quindi:

• macchine ad asse orizzontale, parallelo alla direzione del vento; • macchine ad asse orizzontale, posto di traverso al vento;

• macchine ad asse verticale, con asse del rotore perpendicolare alla direzione del vento; La prima macchina eolica fu inventata dall’ingegnere francese Georges Darrieus nel 1931.

Un ulteriore classificazione delle macchine eoliche viene, solitamente, fatta in base alle dimensioni, distinguendo:

• macchine di piccola taglia, con potenza compresa tra i 5 e i 100 kW, diametro del rotore variabile tra i 3 e i 20 metri, altezza del mozzo inclusa nell’intervallo tra i 10 e i 20 metri; • macchine di media taglia, con potenza compresa tra i 100 e gli 800 kW, lunghezza del

diametro del rotore tra i 25 e i 50 metri, altezza del mozzo compresa tra i 25 e i 50 metri; • macchine di grande taglia, con potenza compresa tra gli 800 e i 2500 kW, diametro del

rotore variabile tra i 55 e i 70 metri, altezza mozzo variabile tra i 60 e gli 80 metri.

La potenza in uscita da una turbina eolica è proporzionale al cubo della velocità del vento e all’area spazzata dalle pale eoliche; entrambi tali fattori sono fondamentali per valutare le prestazioni di un impianto eolico; il primo fattore dipende dalle caratteristiche del sito di installazione, il secondo dalle caratteristiche tecniche della macchina²¹⁹. Un piccolo incremento della velocità del vento produce un aumento notevole della quantità di energia prodotta, ad esempio, se la velocità del vento raddoppia la quantità di energia generata cresce di otto volte.

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Tuttavia, è empiricamente dimostrato che non tutta la potenza posseduta dal vento può essere trasformata in energia utile; in realtà, il vento passando attraverso il rotore subisce una perdita di velocità e cede parte della sua energia cinetica. Bisogna aggiungere, inoltre, che l’area spazzata dalle pale eoliche è funzione del quadrato della lunghezza di queste, ma in effetti la potenza in uscita cresce con un fattore superiore al quadrato. Infatti, esistono turbine aventi pale lunghe 5 metri che generano una potenza pari a 25 kW e aerogeneratori con pale di 25 metri di lunghezza, la cui potenza è pari a 750 kW. Ciò può essere attribuito sia al fatto che pale più lunghe spazzano un’area maggiore, sia al fatto che le torri delle turbine più grandi sono più alte e, come è stato già detto, col crescere della distanza dal suolo cresce anche la velocità del vento²²⁰.

Gli impianti eolici si distinguono anche in base alla loro localizzazione sul territorio, esistono quindi:

• impianti on-shore (sulla terraferma) • impianti off-shore (in mare).

Gli impianti sulla terraferma possono essere costituiti, anche, da un singolo aerogeneratore, ma solitamente, sono costituiti da un gruppo di turbine eoliche (wind-farm) collegate a un’unica linea che convoglia l’energia prodotta verso una rete locale o nazionale.

Gli impianti off-shore sono collocati in mare. Essi si trovano solamente raggruppati in installazioni multi megawatt, ciò perché tale variante tecnologica non è ancora nella fase di maturità e, pertanto, presenta costi molto elevati, oltre che notevoli difficoltà per il collegamento alla rete elettrica, per cui sarebbe antieconomico installare turbine eoliche singole.

Il vantaggi offerti dagli impianti off-shore sono da ricercarsi, innanzitutto, nella qualità del vento, che in mare è molto più uniforme che non sulla terraferma, incontra meno ostacoli e, quindi, meno attrito; ma anche, nel risparmio di suolo, prezioso soprattutto nei territori densamente popolati. Prima di decidere per l’installazione di un impianto eolico, bisogna effettuare uno studio approfondito del territorio, individuando la aree più ventose e, all’interno di esse, le zone più adatte a ospitare aerogeneratori; è necessario, quindi, un approfondito studio anemologico, seguito da opportune valutazioni di producibilità energetica; spesso, ci si serve di opportuni modelli matematici per individuare la disposizione ottimale degli aerogeneratori al fine di massimizzarne il rendimento complessivo; è importante considerare l’esistenza e la qualità delle strade nei pressi del sito e la prossimità o meno di linee elettriche, perché tali fattori si ripercuotono sulla redditività dell’impianto; si procede, in seguito, con la stesura di un progetto e con le indispensabili valutazioni economico-finanziarie. In linea di massima, un impianto eolico, per essere giudicato competitivo, deve essere in grado di generare elettricità in maniera affidabile e a costi relativamente bassi, durante un arco temporale di circa venti anni.

Ovviamente, più la redditività dell’impianto è elevata, più i costi da sostenere per produrre un chilowattora di elettricità sono bassi²²¹.