L’ENERGIA EOLICA

 

di Nicola Graniglia

(Dipartimento di Chimica - Università di Siena)

 

 

Il vento è il risultato dell’espansione e del moto convettivo dell’aria causati dal riscaldamento irregolare del Sole su grandi aree della superficie terrestre.

L’utilizzazione industriale dell’energia eolica si è sviluppata soprattutto negli anni ’80 grazie alla diffusione delle wind-farms in Danimarca e Stati Uniti, mentre nella prima metà degli anni ’90 sono stati la Germania e l’India i paesi che hanno registrato i maggiori trend di crescita.

I progressi compiuti negli ultimi anni nella messa a punto delle tecnologie, hanno ormai consolidato la convinzione che questa fonte possa fornire un contributo non trascurabile alla produzione di elettricità.

Gli aspetti positivi dell’energia eolica sono molteplici e possono essere riassunti nei seguenti:

·                Non occupa un’area molto vasta: il 95% dell’area totale rimane indisturbato.

·                Incrementa l’economia locale e il lavoro.

·                La conversione della potenza del vento in elettricità è efficiente.

·                Non produce emissioni climalteranti.

·                È facile smantellare le turbine quando raggiungono la fine della loro vita lavorativa.

·                I progetti sono semplici e poco costosi da mantenere.

·                I costi stanno diminuendo rapidamente e ci si aspetta che entro il 2005 diminuiranno del 25%.

·                Il costo del capitale prestato è diminuito da quando le banche e le compagnie hanno acquistato familiarità con questo tipo di generazione di energia da fonte rinnovabile.

·                La vita di una turbina è di almeno 20/25 anni.

·                La capacità delle macchine varia da pochi kW a molti MW e ciò può venire incontro alle esigenze sia delle abitazioni private che dell’uso industriale.

 

1. Tecnologia ed impieghi

Negli aeromotori l’energia naturale, che si presenta già disponibile sotto forma meccanica, viene trasformata, attraverso un sistema di pale rotanti, in una nuova forma di energia meccanica, più ordinata rispetto a quella del vento cioè più nobile, più adatta a compiere un determinato lavoro: in passato poteva trattarsi dei mulini per produrre farina, mentre oggi l’energia di rotazione viene trasmessa a un normale generatore per la produzione di energia elettrica alternata, di solito immessa in una rete elettrica.

Il vento passa su entrambe le facce della pala, più velocemente sul lato superiore, creando un’area di bassa pressione. Questa differenza di pressione tra le due superfici ha come risultato una forza chiamata portanza aerodinamica (lift). La portanza sull’ala di un aereo lo fa alzare da terra, in un aerogeneratore, poiché le pale sono vincolate a muoversi su di un piano, causa la rotazione intorno al mozzo. Contemporaneamente si genera una forza di trascinamento, perpendicolare alla portanza che si oppone al moto. Il primo obiettivo nel progetto di una turbina eolica è quello di avere un alto rapporto portanza-trascinamento. Questo rapporto può essere variato con la lunghezza delle pale per ottimizzare la produzione di energia per diverse velocità del vento. Nella figura successiva è schematizzato il principio di funzionamento di una aerogeneratore.

 

 

 

La maggior parte delle turbine è progettata per generare la massima potenza ad una prefissata velocità del vento. Questa è nota come rated power e la velocità del vento a cui viene raggiunta è detta rated wind speed. La rated wind speed è scelta in base alla velocità anemologica locale e di solito è circa 1,5 volte la velocità media.

In base alla disposizione dell’asse del rotore, rispetto alla direzione del vento, gli aerogeneratori sono classificati in due grandi categorie: ad asse orizzontale e ad asse verticale.

I primi sono ancora oggi quelli caratterizzati dal maggiore sviluppo tecnologico e dalla maggiore diffusione commerciale. I più diffusi hanno il rotore a tre pale e mozzo rigido, ma ne esistono anche a due e una pala con mozzo non rigido (con alcuni gradi di libertà). Le turbine a tre pale hanno il rotore che si orienta mediante un opportuno meccanismo verso la direzione del vento e, generalmente, utilizzano un generatore asincrono. Le turbine a due pale sono meno costose e più leggere, ma hanno lo svantaggio di richiedere una velocità di rotazione maggiore a parità di energia prodotta. Questa è una caratteristica negativa dal punto di vista del rumore e dell’impatto visivo.

Fermo restando che sono possibili, e talora disponibili sul mercato o allo studio, configurazioni diverse, quella descritta nel seguito è la configurazione più generale di un aerogeneratore.

Le pale (blades) della macchina sono fissate su un mozzo (hub) e nell’insieme costituiscono il rotore (rotor), il mozzo a sua volta è collegato a un primo albero (main shaft), o albero lento, che ruota alla stessa velocità angolare del rotore. L’albero lento è collegato ad un moltiplicatore di giri (gearbox), da cui si diparte un albero veloce (drive shaft), che ruota con velocità angolare data da quella dell’albero lento per il rapporto di moltiplicazione del moltiplicatore. Sull’albero veloce è posto un freno (brake) a valle del quale c’è il generatore elettrico (generator) da cui si dipartono i cavi elettrici di potenza.

Nella maggior parte delle macchine odierne, tutti i componenti menzionati sono ubicati in una cabina detta navicella (navicelle) la quale, a sua volta, è posizionata su un supporto cuscinetto (yaw ring) in maniera da essere facilmente orientabile a seconda della direzione del vento.

Oltre a tali componenti, è presente un sistema di controllo che ha diverse funzioni: il controllo della potenza (power regulation), che può essere eseguito ruotando le pale intorno al loro asse principale (sistema di attuazione del passo, pitch regulation), in modo da aumentare o ridurre la superficie esposta al vento; il controllo dell’orientamento della navicella, detto controllo dell’imbardata (yaw control), che serve a mantenere la macchina orientata nella direzione del vento; l’avviamento della macchina quando è presente un vento di velocità sufficiente (cut-in wind speed) e la fermata della macchina, quando vi è un vento di velocità superiore a quella massima (cut-off wind speed). L’intera navicella è posizionata su una torre (tower), che può essere a traliccio o conica tubolare.

 

 

 

Le macchine eoliche ad asse orizzontale si possono dividere in tre grandi gruppi, assumendo come criterio discriminante la taglia intesa come potenza del generatore collegato alle pale e come diametro del rotore:

 

 

 

Vantaggi nell’uso di grandi turbine:

·                macchine più grandi sono in grado di produrre elettricità a costi minori. Questo perché i costi per le infrastrutture, la connessione alla rete e di alcuni componenti del sistema (il sistema di controllo) sono indipendenti dalle dimensioni;

·                i generatori eolici richiedono una grande quantità di spazio. Quindi, in aree dove è difficile trovare spazio per più di una turbina, rotori più grandi e più alti fanno un uso più efficiente della risorsa vento.

 

Vantaggi delle turbine più piccole:

·                la rete locale può non essere in grado di sostenere l’elettricità immessa da una grande turbina;

·                le fluttuazione dell’elettricità prodotta da diversi aerogeneratori è inferiore a quella di una sola turbina più grande;

·                il rischio di guasto temporaneo si distribuisce tra tutte le turbine presenti.

 

2. Barriere, mercato ed incentivi. Occupazione del territorio e impatto visivo

È senz’altro l’impatto visivo l’incidenza più rilevante dell’eolico e da alcuni molto sentito, in quanto spesso le zone “a vocazione eolica” sono anche di buon pregio paesaggistico e di notevole valore ambientale, quindi l’impianto può entrare in contraddizione con le esigenze di salvaguardia dello scenario d’insieme e della visuale dei crinali. Tuttavia, l’impatto visivo non è tanto un problema di valenza oggettiva, quanto di percezione e integrazione complessiva del paesaggio. È possibile ridurre al minimo gli effetti visivi “sgradevoli” legati alla presenza delle macchine innanzitutto assicurando una debita distanza fra gli impianti e gli insediamenti abitativi. Alcuni studi hanno poi consentito di individuare soluzioni costruttive tali da ridurre al minimo gli effetti visivi sgraditi, soluzioni che consistono nell’impiego di torri tubolari o a traliccio a seconda del contesto, di colori neutri per favorire l’integrazione nel paesaggio, nell’adozione di configurazioni geometriche regolari con le macchine opportunamente distanziate. Inoltre, il terreno effettivamente occupato dalle macchine e dai servizi annessi (strade di collegamento, edifici per servizi, ecc.) è pari solo al 3-5% del territorio del parco eolico, essendo la restante parte richiesta solo per le esigenze di distanza fra le macchine stesse, resta quindi la possibilità di continuare a utilizzare il territorio occupato dai parchi anche per altri impieghi, come l’agricoltura e la pastorizia, senza alcuna controindicazione.

L’incremento della potenza unitaria delle macchine consente di ottenere una riduzione del territorio occupato a parità di energia prodotta annualmente. Infine, l’installazione di macchine eoliche non altera significativamente, se non per l’aspetto visivo, il terreno impegnato, il quale può essere restituito al suo stato originario in ogni momento.

 

3. Rumore

Anche questo aspetto viene considerato con attenzione, in quanto gli areogeneratori producono rumore generato dai componenti elettromeccanici e soprattutto da fenomeni aerodinamici, che hanno luogo con la rotazione delle pale e dipendono dalle loro caratteristiche e dalla velocità periferica.

Tuttavia, il problema è sicuramente trascurabile ove si tenga conto di due elementi: il primo è che il rumore percepito in prossimità di impianti eolici viene talvolta erroneamente attribuito ai soli generatori eolici, in realtà in zone ventose e a qualche centinaia di metri di distanza dai generatori stessi, il rumore di fondo causato dal vento è paragonabile a quello dovuto agli areogeneratori. Inoltre, anche a breve distanza dalle macchine, nel raggio di 200 metri, il rumore che si percepisce è molto simile come intensità a quello cui si è sottoposti in situazioni ordinarie che si vivono quotidianamente quali lo stare in una vettura in movimento o in un ufficio. Pertanto, anche gli operatori che si trovassero a lavorare all’interno dell’area adibita a centrale sarebbero sottoposti a un disturbo, dovuto al rumore, del tutto accettabile. In ogni caso, a una distanza di circa 4-500 metri dall’impianto gli effetti sonori dovuti alla presenza delle macchine eoliche diventa del tutto trascurabile.

 

4. Interferenze elettromagnetiche sulle telecomunicazioni

L’origine di disturbi elettromagnetici dovuti alla presenza di areogeneratori è da ricercare nella interferenza delle pale (specialmente se in materiali metallici o riflettenti o se dotate di strutture metalliche all’interno) e dei sostegni con campi elettromagnetici, supporto di telecomunicazioni (televisione, segnali di ponti radio, mezzi di aiuto alla radionavigazione, ecc.).

I risultati delle ricerche su questo tema sono in genere confortanti e mostrano che è possibile evitare del tutto le interferenze con opportuni accorgimenti.

 

5. Effetti su flora e fauna

L’influenza sulle piante e sugli animali, in particolare sui volatili, è un aspetto da tenere in considerazione.

Per quanto riguarda la flora, dalla esperienze maturate in paesi con elevata diffusione dell’eolico (Stai Uniti, Danimarca, Olanda , Germania, Gran Bretagna) non risulta alcun effetto misurabile.

Per quanto riguarda la fauna, sono i volatili a poter subire, in qualche misura, effetti dovuti alla presenza dei generatori eolici: c’è infatti il rischio di collisione con le pale.

A tale riguardo, alcuni dati riferiti alle centrali eoliche di Altamon Pass (Stati Uniti) e Tarifa (Spagna) hanno evidenziato danni abbastanza contenuti e non superiori a quelli causati da qualunque altra costruzione umana.

Vi sono in merito alcuni dati sperimentali: tra il 1989 e il 1991, presso la centrale eolica di Altamon Pass sono stati trovati morti 182 uccelli. Questi dati possono sembrare rilevanti: in realtà, se sono confrontati con i danni prodotti da altre opere umane o da qualunque altra fonte energetica convenzionale, mostrano che l’impatto dell’energia eolica sull’avifauna è del tutto accettabile. Uno studio danese ha mostrato che una schiera di areogeneratori di un chilometro ha sugli uccelli effetti paragonabili a quelli di un chilometro di autostrada e inferiori a quelli di un chilometro di linea elettrica ad alta tensione.

Presso la centrale spagnola di Tarifa poi è stato eseguito un accurato monitoraggio e si è rilevata una sorta di “evoluzione adattativa” alle mutate condizioni ambientali, con una sensibile riduzione nel tempo del numero di esemplari danneggiati dalla presenza dei generatori.

 

6. Applicazioni tecnologiche. Impianti collegati alla rete di distribuzione

Le wind farms sono gruppi di più aerogeneratori interconnessi. L’uso di questo tipo di disposizione è dettato da esigenze economiche e funzionali: la soluzione più vantaggiosa economicamente, infatti, è quella di generare potenza in wind farms con 10-30 macchine. Le turbine, inoltre, devono essere posizionate sul territorio a debita distanza l’una dall’altra, per evitare il fenomeno dell’interferenza areodinamica, che ha due tipi di conseguenze. Il primo è correlato all’aumento della turbolenza sulle macchine posizionate all’interno di un parco eolico, il secondo alle perdite di potenza. La distanza fra le macchine si esprime in numeri di diametri della macchina. Nel caso di parchi eolici posti in siti con venti multidirezionali, la distanza raccomandata è pari a 7 diametri (circa 350-450 metri), mentre quella tra le file perpendicolari alla direzione del vento pari a 3-5 diametri (in generale 150-180 metri).

Le turbine possono essere collocate sia sulla terra ferma (on-shore), sia fuori costa (off-shore). Quando sono collocate sul mare, la produzione di elettricità aumenta del 30% rispetto ai siti sulla terraferma. I costi sono però più alti del 50% rispetto alle on-shore wind farms. Lo sviluppo di questa modalità impiantistica richiede un numero elevato di aerogeneratori grandi in modo da compensare gli alti costi di installazione, connessione alla rete a terra e monitoraggio remoto. Le installazioni attuali vengono spesso classificate come semi-offshore, in quanto, per motivi economici soprattutto, sono realizzate su fondali bassi (<10 m) e poco lontano dalla costa (qualche km). Gli aerogeneratori sono progettati, salvo poche eccezioni, per usi terrestri. I costi di queste installazioni (con turbine medie) si aggirano intorno agli 850mila euro/MW.

 

7. Impianti non collegati alla rete di distribuzione. Reti autonome

Le reti autonome alimentate da fonte eolica costituiscono una promettente applicazione. La fornitura di elettricità a utenze con una domanda elevata e lontane dalla rete viene generalmente attuata mediante generatori diesel. Spesso però questa soluzione è costosa a causa degli alti costi di manutenzione e fornitura (senza contare l’aspetto ambientale). È questo il tipico caso delle isole piccole e medie, considerato anche che le isole presentano sicuramente buoni potenziali eolici.

La soluzione ideale è il ricorso ai sistemi ibridi. Questo tipo di impianti utilizza la fonte eolica (o altre rinnovabili ed in special modo il solare fotovoltaico) in congiunzione con una fonte tradizionale (generalmente diesel). Risulta piuttosto economica nel caso di connessione a reti decentrate di potenza fino al MW (è il caso di piccole isole). Fino ad oggi l’uso della fonte eolica nei sistemi ibridi era limitato alla copertura di piccole frazioni del carico (10-15%), attualmente si sono raggiunte penetrazioni molto maggiori.

Un sistema eolico-diesel è tipicamente costituito da turbine di taglia medio-piccola associate ad un sistema di accumulo e connesse ad una rete di media o bassa tensione in modo tale da ottimizzare l’utilizzo del vento ed adeguarsi al carico mantenendo il generatore diesel sopra le caratteristiche di carico minime ed utilizzandolo per garantire la continuità della fornitura. Il costo del kWh risulta maggiore che nel caso di grandi turbine, ma comunque quasi sempre minore rispetto alla produzione con solo diesel, dipendendo in quest’ultimo caso anche dai problemi di approvvigionamento.

 

8. Utenze isolate

Le utenze isolate (cioè utenze che non è possibile raggiungere con la rete a causa dei costi) costituiscono un’altra applicazione delle turbine eoliche. Per quei siti dove la risorsa vento è sufficiente (velocità media annua sopra i 5 m/s, ma anche inferiore con le nuove tecnologie), l’energia eolica può offrire un’alternativa affidabile ed economica per servire utenze domestiche convenzionali.

 

9. Elementi economici

I costi per l’installazione di una centrale eolica si aggirano attorni agli 0,8/1 milioni di euro per MW. Tali costi comprendono tutte le fasi necessarie allo sviluppo di una centrale:

§                la fase iniziale (individuazione del sito, micrositing, studio anemologico, iter autorizzativi, accordi con i proprietari dei terreni, ecc.);

§                la progettazione esecutiva della centrale;

§                la realizzazione della centrale.

I fattori che possono avere una più marcata influenza sui costi sono la scelta degli aerogeneratori, l’accessibilità al sito, la distanza dalla rete di trasporto dell’energia elettrica e le caratteristiche tecniche della stessa.

I costi di gestione della centrale, comprensivi di manutenzione ordinaria, assicurazione ed altri costi di gestione, sono stimabili intorno al 3% all’anno del costo di installazione.

 

 

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