L`energia eolica

Zamparo Paolo
cl. III A - anno scolastico 2007/08
Fonti energetiche alternative
L’energia eolica
Lo sviluppo industriale ed economico dell’umanità è basato sull’energia elettrica che fino ad oggi si
è ottenuta prevalentemente con l'utilizzo dei combustibili fossili (carbone o petrolio).
Numerosi ricercatori sono preoccupati per il futuro energetico in quanto il petrolio è in fase di esaurimento. C’è quindi la necessità di investire risorse, ricerca e fondi nello sviluppo di fonti alternative di energia, che attualmente ricoprono una percentuale pari a circa il 20% della produzione energetica mondiale.
Le fonti energetiche alternative sono rappresentate da:
• energia nucleare (sia a fissione che a fusione)
• energia idroelettrica
• energia geotermica
• energia ricavata dalla biomassa e biogas (anche biodisel)
• energia eolica
• energia solare (sia attraverso centrali solari termiche che fotovoltaiche)
• energia del moto ondoso e delle maree.
I sistemi eolici sono, tra le fonti energetiche rinnovabili, quelli che hanno avuto il maggior sviluppo
negli ultimi anni e sono sempre meno, anche tra gli ambientalisti, gli oppositori a tali sistemi mentre
sono sempre maggiori gli studi che mettono in evidenza quale enorme potenziale è offerto dall'energia cinetica del vento.
Il vento è abbondante, economico, inesauribile, ampiamente distribuito, non danneggia il clima ed è
pulito. L'energia eolica è diventata l'energia rinnovabile meno costosa, abbassando negli ultimi 15
anni il suo costo di circa l'85%.
I progressi nel disegno delle turbine eoliche degli ultimi 10 anni permettono a queste di operare anche a basse velocità del vento. Moltissimi territori potrebbero quindi essere utilizzati per generare
energia eolica in aree scarsamente popolate, regioni ventose come le grandi pianure del Nord America, il nord-ovest della Cina, la Siberia Orientale e le regioni argentine della Patagonia (nel 1991
una ricerca del dipartimento statunitense dell'energia meravigliò il mondo dichiarando che i tre Stati
più ventosi (Nord Dakota, Kansas e Texas) avevano abbastanza energia eolica da soddisfare i bisogni energetici nazionali).
Con energia eolica si intende l'estrazione di energia del vento per la produzione di energia meccanica o elettrica.
Il vento è essenzialmente dovuto all'energia solare. Nel corso del giorno l'aria sopra i mari e i laghi
rimane più fredda rispetto all'aria sopra la terra, principalmente per il fatto che l'acqua "assorbe" il
calore solare negli strati inferiori, sulla terraferma invece il calore solare viene in buona parte riflesso e riscalda l'aria in superficie che espandendosi diventa leggera e tende a salire, di conseguenza
l'aria più fredda e più pesante che proviene dai mari e dagli oceani si mette in movimento per prendere il suo posto causando i venti di superficie, di notte in genere succede il contrario in quanto il
calore accumulato negli strati profondi dell'acqua rendono più calda l'aria sovrastante gli specchi
d'acqua che tende a salire e l'aria sopra la terra, più fredda perché non più irraggiata dal sole, tende a
prendere il suo posto, per cui di giorno si ha la brezza verso la terraferma e di notte si ha la brezza
verso il mare.
Altra causa di spostamento di masse d'aria sono le fluttuazioni della pressione atmosferica, per questo effetto l'aria si spostano al suolo da aree ad alta pressione atmosferica verso aree adiacenti di
bassa pressione. Oltre alle condizioni meteo tra i vari fattori che influenzano la velocità del vento ci
sono effetti geografici locali, come le asperità del terreno e l'altezza delle correnti d'aria.
Quando si vuole sfruttare l'energia eolica per fini energetici bisogna conoscere molti parametri: le
variazioni diurne, notturne e stagionali; la variazione della velocità del vento con l'altezza sopra il
suolo; l'entità delle raffiche nel breve periodo e valori statistici ottenibili registrando dati in un lungo periodo di tempo. E' importante conoscere la velocità massima del vento.
Solo una parte, e precisamente il 59,3%, della potenza posseduta dal vento può essere assorbita dal
sistema eolico. Per cedere tutta la sua energia il vento dovrebbe ridurre a zero la sua velocità immediatamente alle spalle del rotore. In realtà il vento, passando attraverso il rotore, subisce un rallentamento e cede parte della sua energia cinetica.
L'energia del vento varia con il variare della sua velocità: se quest'ultima raddoppia, l'energia aumenta all'incirca di otto volte, se la velocità del vento aumenta di un 10% si ha un aumento del 30%
di energia.
L’energia posseduta dal vento è stata la prima ad essere stata utilizzata dall’uomo sotto forma di energia meccanica. A parte il suo utilizzo nella navigazione a vela che risale al tempo degli egiziani,
i primi mulini a vento comparvero nelle aree della Mesopotamia, della Cina e dell’Egitto. Si tramanda che, già nel XVII secolo A.C., Hammurabi, il Re di Babilonia avesse progettato di irrigare la
pianura mesopotamica per mezzo di mulini a vento.
Per trovarli in Europa occorre invece aspettare il Medioevo, al tempo delle crociate.
L’uso di queste macchine si ebbe per le applicazioni più svariate, dal pompaggio dell’acqua, alla
macinazione dei cereali, alla spremitura delle olive, alle industrie manifatturiere (della carta, del tabacco, del legno).
Nel secolo scorso conobbero uno sviluppo davvero eccezionale: a metà del 1800 in Olanda se ne
contavano 9000 esemplari in funzione; tra il 1880 ed il 1930, solo negli Stati Uniti, ne furono installati milioni di unità per usi agricoli e domestici, e molte di queste macchine funzionano ancora.
È in questo periodo che nacquero i primi generatori di energia elettrica, con la costruzione nel 188788 a Cleveland (Ohio) del primo impianto eolico ad opera dell'americano Charles F.Brush iniziò la
produzione di elettricità sfruttando il vento. Successivamente, con la realizzazione di aerogeneratori
di potenze crescenti si giunse alla costruzione di macchine tecnologicamente evolute, ad asse orizzontale e basso numero di pale ed in alcuni paesi, come la Danimarca, si arrivò a soddisfare una
consistente parte del fabbisogno nazionale di energia elettrica.
Esistono due tipi di aerogeneratori:
• per turbine ad asse orrizontale nei quali l'area attiva è data dalla superficie sviluppata dal
raggio dell'elica.
• per turbine ad asse verticale dove la superficie utile è data dalla larghezza massima per l'altezza della turbina.
Aerogeneratori ad asse orrizontale
Nei rotori ad asse orizzontale si utilizzano rotori ad elica per grandi impianti e rotori multipala per
sistemi da pochi kW di potenza.
• Turbina ad elica
La pala dell'elica, come un'ala sottile offre una resistenza minima all'avanzamento: tutto ciò si traduce in un alto coefficiente di potenza e in velocità di
rotazione molto alte (alcuni rotori hanno eliche con velocità vicina a quella del
suono).
In conseguenza dell'alta velocità di rotazione tipica di queste macchine è possibile accoppiare dei generatori di elettricità direttamente, evitando che la gran
parte della potenza estratta sia dispersa negli ingranaggi.
L'elica, per poter avere un rendimento costante ed elevato, deve sempre
potersi orientare nel vento. I metodi utilizzati sono due: con un timone di opportune dimensioni che
orienta tutto il complesso (elica controvento o up-wind ), oppure , ponendo l'elica posteriormente al
complesso generatore-perno di rotazione e utilizzando la coppia giroscopica del motore stesso per
orientare il mulino (elica sottovento o down-wind).
Le turbine ad elica possono essere configurate nella soluzione sottovento, questa soluzione permette
una quasi automatica autoregolazione rispetto alla direzione del vento, oppure nella configurazione
sopravento, in questo caso serve un sistema di regolazione meccanica o aerodinamica rispetto alla
variazione della direzione dei venti.
• Turbina multipala
Il suo rotore è costituito da un alto numero di pale in lamiera metallica,
generalmente 18 o più, disposte a raggiera su un mozzo e ad angolo rispetto
al piano di rotazione, come una grande ventola. Il diametro medio è di circa
1.5-3 metri. Il rotore è rigido e la sua superficie ed inclinazione non possono
essere variate al variare della forza del vento; infatti oltre ad una certa
velocità deve essere fermato manualmente oppure piegato in modo da disporre il rotore parallelo alla direzione del vento. Il grande numero di pale
offre elevate prestazioni anche a basso numero di giri; è sufficiente un vento
debole per far lavorare il rotore in condizioni ottimali. Le pale sono
leggermente incurvate. Per micro-generatori si possono utilizzare un numero inferiore di pale sagomate.
• Mulino Cretese
E' il tipo più semplice, economico e sicuro. Il rotore è costituito da 8 o
più braccia, tra le quali vengono tesi, per mezzo di cavi dei triangoli di
stoffa. La superficie di questi ultimi può essere aumentata o ridotta a
seconda dell'intensità del vento. I cavi hanno anche la funzione di irrigidire la struttura. Poiché tutta la struttura è elastica e flessibile,
possiede una parziale autoregolazione, in quanto la pressione del vento
sulle vele le deforma, modificando la loro superficie esposta, e ciò
viene ottenuto arrotolando la tela sui sostegni. La torre di sostegno può
essere in muratura o con traliccio di legno o metallico. I mulini di
questo tipo vengono usati nella maggioranza dei casi per pompare acqua, ma alcuni esemplari sono
stati utilizzati per produrre elettricità con un alternatore accoppiato a ingranaggi opportuni. Non richiede alte velocità del vento.
Aerogeneratori ad asse verticale
Le turbine ad asse verticale sono le più antiche concepite dall'uomo. Negli ultimi anni stanno risvegliando l'interesse di alcune aziende e gruppi di ricercatori.
I principali vantaggi dell'asse verticale sono: il costante funzionamento indipendentemente dalla direzione del vento,la migliore resistenza anche alle alte velocità dei venti e alla loro turbolenza.
• Rotore Windside
Un aerogeneratore ad asse verticale innovativo è quello proposto dalla Winside, una società finlandese che ha utilizzato una forma a spirale nelle pale.
Questa tecnologia, relativamente nuova, è molto promettente, con rese superiori all'eolico tradizionale ad asse orizzontale anche del 30-50%, adatta sopratutto per impianti di potenza media e piccola.
• Turbina Kobold
Altro innovativo sistema è la turbina ad asse verticale "Kobold", con un sistema a pale mobili per
minimizzare la resistenza nella fase passiva.
E' un progetto del Dipartimento di Progettazione Aeronautica dell’Università degli Studi di Napoli.
Nasce come generatore idroelettrico ma l'applicazione può essere anche eolica.
• Aerogeneratore W.M.
Particolare impianto eolico ad asse verticale con una originale soluzione per attenuare la resistenza
nell'azione controvento adottando delle semipale mobili che si aprono nella fase passiva e si presentano chiuse nella fase attiva. Il sistema potrebbe avere problemi quando da fermo si deve mettere in
moto per il sopraggiungere del vento se lo stesso dovesse arrivare da una direzione diversa.
Il progetto è opera di un gruppo di tecnici spagnoli, il concetto può essere adattato ad applicazioni
idroelettriche però il gran numero di parti mobili ne potrebbe limitare l'affidabilità.
Molte associazioni ambientaliste criticano apertamente l'installazione dei generatori eolici obiettando sopratutto la rumorosità dei sistemi e l'impatto paesaggistico delle torri eoliche.
Attualmente le turbine eoliche ad alta tecnologia sono molto silenziose. Si è calcolato che, ad una
distanza superiore a circa 200 metri, il rumore della rotazione dovuto alle pale del rotore si confonde completamente col rumore del vento che attraversa la vegetazione circostante.
Il minor impatto ambientale-paesaggistico si potrebbe invece ottenere collocando gli impianti in
mare aperto oltre l'orizzonte visibile dalle coste.
I sistemi eolici hanno una ottimale collocazione in mare aperto (vengono definiti sistemi off-shore)
per una migliore qualità e costanza del vento, generalmente si tratta di grandi torri con rotori ad asse
orizzontale posizionate in fondali poco profondi. Secondo alcune stime, nei prossimi anni gli impianti off-shore nei mari europei potrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi
costieri.
La Seafarm, è un progetto italiano off-shore che prevede una struttura
portante di modernissima concezione, consente la realizzazione di “aziende ecologiche produttive” in mare aperto, lontane dalla costa, eliminando così l’impatto visivo da terra; tali realizzazioni sono possibili
su fondali profondi fino a circa 200 metri.
Il progetto consiste nella realizzazione di una “piattaforma galleggiante sommersa”, da posizionare, in assetto definitivo, a circa 20 metri
sotto il livello del mare (nel Mare Mediterraneo) ancorandola al fondo
per mezzo di cavi in acciaio e ad una serie di zavorre poste sul fondale.
Questa struttura rigida in mare costituisce il supporto per un doppio
uso produttivo: la produzione di energia elettrica dal vento e la maricoltura di pesci e crostacei, concentrando così due attività altamente
produttive in un’unica zona marina.
Un avveniristico ed innovativo aerogeneratore destinato a collocazioni off-shore è l’Aerogenerator progettato da uno studio
inglese. Nel loro intento c'è la prospettiva di creare un sistema
efficiente e nello stesso tempo monumentale. Rispetto ai modelli di generatori tradizionali la novità non è solo nella sua
presunta bellezza ed eleganza, che ricorda vagamente un altro
monumento portuale come il "Bigo" genovese di Renzo Piano.
L'Aerogenerator, composto da due grandi braccia aperte a V
fino ad un altezza di 150 metri, fa ruotare le sue eliche lungo un asse verticale anziché orizzontale.
Altro innovativo e avveniristico progetto è proposto da ricercatori Italiani ed è basato su un sistema
di vele o aquiloni, il KiteWindGenerator. Utilizza lo stesso principio che permette alle navi di na-
vigare controvento. Qui, il principio è ripreso in termini di tecnologia avanzata mediante un sistema
sofisticato di software e sensori di posizionamento. Gli aquiloni si spingono fino a 1000 metri di altezza e anche oltre. Il concetto è di manovrarli come se fossero le vele di una nave per ottenere le
rotazioni della turbina posizionata a terra. Il sistema è in grado di raggiungere potenze fino a cento
volte maggiori dei sistemi eolici tradizionali
L'energia prodotta da una turbina eolica durante il corso della sua vita media (circa 20 anni per gli
impianti costruiti sulla terra ferma e più di 25 anni per gli impianti off-shore), è circa 80 volte superiore a quella necessaria alla sua costruzione, manutenzione, esercizio, smantellamento e rottamazione. Si è calcolato che sono sufficienti ad una turbina due o tre mesi per recuperare tutta l'energia
spesa per costruirla e mantenerla in esercizio.