Eolico

Generatori eolici

L’energia eolica è il prodotto della conversione dell’energia cinetica del vento in altre forme di energia. Oggi viene per lo più convertita in energia elettrica, mentre in passato l’energia del vento veniva utilizzata sul posto come energia motrice.
Il vento è una delle principali fonti rinnovabili di energia. Da sempre il sole riscalda la terra e questa rilascia il calore nell’atmosfera. Un fenomeno che non avviene dappertutto allo stesso modo. La superficie marina, ad esempio, impiega più tempo a riscaldarsi rispetto alla superficie terreste. Nelle zone dove viene rilasciato meno calore (es. le superfici marine), le zone più fredde, tende ad aumentare la pressione. Nelle zone più calde, viceversa, la pressione tende a ridursi. L’aria delle zone ad alta pressione tende a spostarsi verso le zone a bassa pressione, generando il “vento”. L’aria più calda tende a muoversi verso l’alto lasciando dietro a sé una zona di bassa pressione. L’aria calda, una volta in alto, si raffredda per poi ricadere verso il basso nelle zone fredde marine. Questo movimento verso il basso genera una spinta dell’aria fredda marina verso le zone di bassa pressione in direzione della terraferma. Le caratteristiche del territorio influiscono sulla direzione e sulla potenza del vento. Questi fattori sono applicabili anche in scala estremamente vasta.
Boschi e montagne riducono la potenza del vento, come anche gli edifici delle grandi città. Per questa ragione gli impianti eolici sono localizzati soltanto in alcune zone e non sono invece distribuiti sull’intero territorio. La potenza del vento è particolarmente forte laddove non sussistono ostacoli, sulle vette più alte, nelle superfici piane, lungo le coste e in mare aperto.

L’uomo usa la forza del vento da migliaia di anni. Basti pensare alla vela che muove le imbarcazioni. Ma la forza del vento fu anche la principale fonte energetica utilizzata nelle macine del grano o delle olive (mulini a vento) oppure per pompare acqua dai pozzi. L’energia cinetica del vento (movimento) viene in questi modi trasformata in energia meccanica. Paradossalmente oggi l’energia eolica è definita un’energia alternativa ma in un contesto storico ha accompagnato la vita dell’uomo molto più a lungo rispetto al petrolio o al carbone. Nel novecento alla generazione di energia meccanica si è giunti alla generazione di energia elettrica. Le “fattorie del vento” sono composte da numerosi impianti eolici installati. E’ fondamentale e importante per gli impianti eolici che il vento oltre ad essere forte sia anche costante.
Molti paesi del nord Europa sfruttano il vento per generare energia. I paesi a più largo consumo di energia eolica sono Danimarca, Germania, Olanda e Spagna. L’Italia, nella UE, segue per potenza installata di energia eolica, ma con un netto distacco dai primi paesi e con una crescita inferiore.

 

 

Gli aerogeneratori

Si possono distinguere macchine eoliche di due tipologie diverse, in funzione del tipo di modulo base utilizzato (il generatore eolico):
– Generatori eolici ad asse verticale
– Generatori eolici ad asse orizzontale

Generatori ad asse verticale
Un generatore eolico ad asse verticale (VAWT – Vertical Axis Wind Turbines) ha poche 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 orientare continuamente.

Ultimamente queste macchine hanno avuto una notevole evoluzione, e vi è chi asserisce che funzionando molte più ore l’anno rispetto a quelle ad asse orizzontale (e che quindi hanno un rendimento complessivo maggiore), e prevede che la tecnologia dei generatori ad asse verticale soppianterà quella ad asse orizzontale. Macchine eoliche ad asse verticale sono state concepite e realizzate fin dal 1920. Al momento l’efficienza è minore rispetto a quelle con asse orizzontale.

I generatori eolici verticali necessitano un vento di almeno 3–5 m/s (10-20 Km/h) per funzionare correttamente. Il limite massimo invece, è di 20–25 m/s (70-90 Km/h), raggiunto il quale si devono bloccare automaticamente per evitare danni e per ragioni di sicurezza; questo avviene con dei freni che bloccano il rotore, o meglio ancora intervenendo sulla geometria delle pale in modo che non interagiscano più con il vento.

Generatori ad asse orizzontale

Il mulino a vento è un esempio storico di generatore ad asse orizzontale. E’ il tipo di generatore attualmente più diffuso. Gli aerogeneratori eolici ad asse orizzontale che vediamo nelle campagne o sulle montagne sono composti da diversi componenti.
La loro altezza oscilla tra i 40 e i 100 metri per catturare meglio l’energia del vento in una zona non perturbata e priva di ostacoli. E’ un aspetto importante in quanto l’altezza li rende visibili e ha impatto sul paesaggio circostante.
Le pale del rotore sono generalmente fabbricate in fibra di vetro e possono ruotare ad una velocità anche di 200 km/h spinte solo dal vento. Gli aerogeneratori di nuova generazione montano generalmente 2 o 3 pale. Il moto del rotore viene trasformato in energia elettrica dal generatore elettrico inserito nella struttura.
La velocità delle pale è controllata da un “sistema di controllo” che svolge principalmente due funzioni:
– moltiplica i giri per ottimizzare la produzione di energia elettrica (“scatola ingranaggii”);
– frena o blocca i giri delle pale in caso di sovraccarico e quando la forza del vento supera un determinato fattore critico (“sistema frenante”).
Per assicurare il massimo rendimento la struttura superiore (“navicella”) può girare il rotore adeguandolo alla direzione del vento.

Impianti eolici

Il numero degli aerogeneratori è in funzione diretta con le esigenze dell’utenza. Gli impianti si distinguono in:
impianti isolati con pochi aerogeneratori
impianti in cluster (“Wind Farm”)
aerogeneratori collegati ad una rete locale
impianti combinati ed integrati
Il rapporto tra energia prodotta e superficie di territorio occupato è molto basso per l’energia eolica.
Si ricorre alle “wind farm” per compensare questo aspetto, aumentando il numero degli aerogeneratori installati. Ma col crescere del numero degli aerogeneratori aumenta l’impatto sul paesaggio.

Gli aerogeneratori nelle “fattorie del vento” sono raggruppati mediante tecniche dette di “clustering”. Tra le diverse soluzioni:
– Su un’unica fila (pochi aerogeneratori)
– Su file parallele
– Su file incrociate tra loro
– Combinazioni delle precedenti disposizioni
– Disposizione apparentemente casuale (morfologia complessa dell’ambiente)

La potenza dei generatori eolici
Gli aerogeneratori eolici possono avere diverse potenze, per i grandi impianti mediamente da 500 kW (0,5 MW) fino a 3 MW. Sono potenze enormemente più grandi rispetto al passato, venti anni fa la potenza di un aerogeneratore raggiungeva al massimo i 25 kW. Oggi un solo aerogeneratore da 1,5 MW equivale a ben 60 aerogeneratori da 25 kW degli anni ’80, a dimostrazione dell’evoluzione legata alla ricerca tecnologica nel settore. I nuovi aerogeneratori sono molto più grandi di quelli degli anni ’80 e consentono un vantaggio nell’economia di scala della produzione d’energia elettrica.

Per gli impianti domestici si va normalmente dai 0,3 Kw fino ai 2,5 Kw.
La produzione di energia elettrica dipende dalla velocità del vento. Al variare della velocità del vento, misurata in m/s, l’aerogeneratore produrrà una diversa potenza di energia elettrica. Il legame tra la velocità del vento e la potenza elettrica erogata si rappresenta mediante un grafico della curva di potenza.

Esistono due soglie, una minima e una massima, affinché l’aerogeneratore eolico produca energia elettrica:
Al di sotto di una determinata velocità minima del vento (“cut in”), l’aerogeneratore non eroga energia elettrica e il rotore resta fermo. Questa soglia minima è generalmente legata ad una velocità del vento di 3 metri al secondo, ma dipende dalle caratteristiche dell’aerogeneratore, dalle sue dimensioni e dalla tecnologia utilizzata.
Esiste anche una soglia massima (“cut out”), oltre il quale il rotore dell’aerogeneratore smette di girare per evitare danni alla turbina. Velocità del vento superiori a 25 metri al secondo sono valori tipici. Oltre queste velocità l’aerogeneratore non produce energia elettrica.

Quanto produce un aerogeneratore eolico? Un aerogeneratore di grandi dimensioni eroga la massima potenza per velocità del vento comprese tra 12 e 24 metri al secondo (tra i 40 e gli 85 Km/h). La potenza fornita varia esponenzialmente al variare della velocità del vento.

 

I costi dell’eolico
Il costo di un aerogeneratore può essere facilmente stimato utilizzando una regola empirica: Costo in € = kW potenza aerogeneratore x 700.
La concorrenza di mercato nel settore eolico e la ricerca tecnologica sui materiali e sulle tecniche premono costantemente al ribasso dei prezzi. Oggi, il costo di un kWh di energia elettrica da eolico è una frazione di quello degli anni ’80. Il continuo ribasso dei prezzi nel settore eolico è favorito anche dalla crescita del mercato e dalle conseguenti economie di scala delle imprese. E’ quindi probabile che nel prossimo futuro tenda ulteriormente a diminuire.
Piccoli generatori eolici di potenza compresa tra i 500 ed i 2.500 Watt, ed in grado di funzionare a pieno regime con venti di 12,5 metri al secondo (45 Km/h) e predisposti per l’erogazione di corrente continua adatta a ricaricare accumulatori di vario tipo, sono in vendita a prezzi tra i 1.000 ed i 3.000 euro. Tenere presente che a queste cifre vanno aggiunti (se si desidera utilizzarli sulla rete di distribuzione pubblica) i costi per l’elettronica di gestione (inverter) e dei supporti necessari. Al momento il costo dei generatori eolici è molto inferiore rispetto al fotovoltaico. Una buona soluzione essere quella di abbinare generatori eolici con pannelli solari fotovoltaici.