Energia dal vento di Paul Gipe – estratto

green / energie rinnovabili
Paul Gipe
Energia
dal vento
in piccola scala
Tutto quello che è utile sapere
sul micro e mini-eolico
Traduzione e cura dell’edizione italiana
di Roberto
Rizzo
TARKA
Titolo originale
Wind Energy Basics, 2nd Edition
A Guide to Home - and Community-Scale Wind Energy Systems
di Paul Gipe
© 1999, 2009 Paul Gipe
Fattoria del Mare s.a.s. edition published by arrangement with Chelsea Green
Publishing Co, White River Junction, VT, USA
www.chelseagreen.com
Traduzione e cura dell’edizione italiana di Roberto Rizzo
Tutti i diritti riservati
Prima edizione: luglio 2013
© 2013 Lit Edizioni s.r.l.
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Largo Giacomo Matteotti 1
Castel Gandolfo (RM)
A Ed Wulf, un uomo che vide il futuro
Indice
Introduzione XI
0. Panoramica 1
Le classificazioni per dimensione
delle turbine eoliche 3
Che cosa c’è di nuovo 9
Che cosa non è cambiato 11
1. Tecnologia 13
Le tecnologie delle turbine eoliche 13
Micro-turbine 30
Mini-turbine 32
Turbine di taglia domestica 33
Piccole turbine di scala commerciale 36
Il revival delle turbine ad asse verticale 37
Le torri 58
2. I concetti di base dell’energia eolica 61
La potenza del vento 61
La densità dell’aria 62
Il cubo della velocità del vento 63
L’area spazzata 63
La distribuzione della velocità del vento 64
Le risorse eoliche 67
Incrementi della velocità del vento
e della potenza con l’altezza 70
3. La stima delle performance 75
Metodo dell’area spazzata 76
Metodo della curva caratteristica di potenza 81
Le stime del costruttore 86
INDICE
VII
4. L’ubicazione del sito eolico 89
Il posizionamento delle torri 89
L’altezza delle torri 90
Installazioni su tetto 94
Eolico integrato negli edifici 99
Il rumore 101
Uccelli e pipistrelli 103
L’invidia delle turbine 103
Sicurezza 106
5. Impianti non connessi in rete 113
Veicoli ricreazionali 115
Case di campagna e cottage 116
Alimentazione dei recinti elettrificati 116
Le telecomunicazioni 117
Impianti di riscaldamento a energia eolica 118
Sistemi ibridi eolico-solari 121
Pompaggio dell’acqua con l’energia eolica 125
6. Connessione alla rete elettrica 129
Tecnologia dei sistemi connessi alla rete 132
Qualità della corrente 136
Auto-consumo 137
Generazione distribuita in Europa 139
7. Investire nell’eolico 143
La durata di vita 144
Aspetti economici e redditività 149
8. Micro e mini-eolico in Italia 159
La Tariffa Omnicomprensiva 159
Scambio sul Posto 161
Gli iter burocratici 162
Le installazioni in Italia 163
VIII
ENERGIA DAL VENTO IN PICCOLA SCALA
9. Schede prodotti 169
Aria 169
Ciesse Energia 172
Dealer Tecno 174
Ecofimco 176
En-eco 178
Flexienergy 180
Green Power 182
InterWind 184
Jonica Impianti 187
Layer Electronics 190
Linz Electric 193
Ropatec 195
SEI Sistemi Energy 198
Fonti dei dati della versione italiana e indirizzi
utili 199
Indice dei nomi 201
Indice delle tabelle 211
INDICE
IX
X
ENERGIA DAL VENTO IN PICCOLA SCALA
Introduzione
all’edizione italiana
Negli ultimi anni in Italia la fonte rinnovabile che
ha avuto il maggiore successo è stato il solare fotovoltaico, grazie al sistema di incentivazione in Conto
energia, che ha avuto fine nel luglio 2013. Chi installava un impianto solare sul tetto di casa, sopra
un capannone industriale o a terra poteva produrre
dei chilowattora solari pagati dallo Stato a un prezzo
ben maggiore rispetto a quanto ciascuno di noi paga
il chilowattora in bolletta. A questa legge si deve la
crescita enorme del numero di impianti solari attivi
in Italia: a metà 2013 se ne contavano oltre 530.000,
per una potenza complessiva superiore ai 17.000
MW. Potremo mai vedere un exploit analogo anche
nel caso degli impianti eolici di piccola dimensione?
Probabilmente non vedremo mai numeri di questa
ampiezza, perché l’energia solare è diffusa ovunque
mentre il vento soffia forte in certe zone e in altre
non è sufficiente per realizzare un impianto eolico.
Ma le prospettive del piccolo eolico nel nostro Paese
sono comunque buone per due motivi. Il primo è la
normativa in vigore che incentiva con lo Scambio sul
posto o una Tariffa Omnicomprensiva la produzione
elettrica con le macchine eoliche di piccola dimensione e che consente di ammortizzare in pochi anni
la spesa per l’acquisto della turbina (alla descrizione
del sistema incentivante italiano è dedicato uno dei
capitolo del libro). Secondo: in commercio ci sono
ormai macchine e tecnologie adatte praticamente
a qualunque tipologia di installazione, con forme,
dimensioni, prezzi, difficoltà di installazione molto
differenti tra loro. Assieme, l’Associazione italiana
INTRODUZIONE ALL’EDIZIONE ITALIANA
XI
dell’energia mini eolica, stima che nei prossimi anni
si potrebbero installare da 20 a 30 MW l’anno di impianti mini-eolici con una potenza compresa tra 1 a
200 kW. Si raddoppierebbe così la potenza installata
attualmente, di poco superiore a 20 MW, con alcune
centinaia di impianti installati ogni anno. Il libro che
avete in mano è un volume con le nozioni di base
per iniziare a comprendere che cos’è l’energia micro
e mini-eolica. Vi vengono descritte in maniera sincera e completa le tecnologie che hanno dimostrato di
funzionare e quelle che si sono rivelate meno affidabili, in quali aree è possibile ipotizzare l’installazione
di una o più turbine, i passi burocratici necessari per
realizzare un impianto, gli errori da evitare e la storia
delle piccole turbine. La versione italiana si conclude
con una panoramica di alcune fra le principali piccole macchine in commercio in Italia, con le informazioni tecniche relative: uno strumento utile per
orientarsi nella scelta del prodotto più indicato per
le nostre esigenze.
Roberto Rizzo, 2013
XII
ENERGIA DAL VENTO IN PICCOLA SCALA
Paul Gipe si occupa di energia eolica del 1976.
Dal 1986 al 1994 ha rappresentato la American
Wind Energy Association (AWEA). Dal 1987 al
1995 è stato executive director del Kern Wind
Energy Association. Dal 1996 al 1998 è stato
nel consigli di amministrazione della AWEA.
Nel 2004 è direttore esecutivo dell’Ontario Sustainable Energy Association.
È uno dei maggiori esperti di energia del vento,
famoso per i suoi articoli e libri al riguardo, fra
cui: Wind Energy (Stackpole, 1983), Wind Power for Home&Business (Chelsea Green,1993),
Wind Energy Comes of Age (Wiley, 1995), Glossary of Wind Energy Terms (Folaget Vistoft, 1997),
Wind Energy Basics (Chelsea Green, 1999),
Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm
and Business (Chelsea Green, 2004).
Con i suoi scritti e le tante conferenze tenute in
tutto il mondo, Gipe ha cercato di rendere l’uso
dell’energia eolica un fatto universale.
Roberto Rizzo, giornalista scientifico, è coordinatore editoriale delle riviste “Wind Energy” ed
“FV-Fotovoltaici”, pubblicate da Artenergy Publishing. Collabora con Corriere.it e con la trasmissione di Raitre “Cose dell’Altro GEO”. Ha
scritto diversi libri sulle tematiche ambientali ed
energetiche, fra cui Salvare il mondo senza essere
Superman (Einaudi, 2005) e Guida all’auto ecologica (Edizioni Ambiente, 2010). Ha lavorato
come ricercatore in Fisica al CERN di Ginevra,
il più grande laboratorio al mondo di Fisica delle
Particelle.
0. Panoramica
Grandezze relative
Quando ci occupiamo di energia eolica, le dimensioni delle turbine rappresentano degli elementi
di una rilevanza estrema e, fra tutti, il diametro del rotore spicca per la sua importanza. Più nello
specifico, l’area spazzata dal rotore delle turbine – o area di captazione – è il parametro più importante da prendere in considerazione per valutare la capacità di una turbina eolica di produrre
elettricità. La forchetta delle dimensioni può andare da quelle della micro-turbina Air Breeze
da 200 Watt di Southwest Windpower (rotore di 1,2 metri di diametro) alla turbina gigante di
Enercon da 6 MW, che ha un diametro del rotore di 126 metri. Non c’è una regola inviolabile su
che cosa sia una piccola o una grande turbina: una definizione basata sulle dimensioni è piuttosto
arbitraria. Chiaramente, possiamo definire la Air Breeze come una turbina piccola, mentre è ovvio
che la Enercon da 6 MW non lo sia. In ogni caso, le turbine di qualunque taglia possono essere
utilizzate in applicazioni distribuite oppure in maniera singola o in piccoli gruppi.
Metri
200
GRANDE
TURBINA
3 MW
150
100
50
TURBINA DI
DIMENSIONE
DOMESTICA
TURBINA DI
DIMENSIONI
MEDIE
1.5 MW
500 kW
200–250 kW
10 kW 100 kW
0
L’aumento della temperatura della superficie terrestre in seguito ai cambiamenti climatici e l’esaurimento delle riserve di fonti fossili stanno provocando un interesse sempre maggiore verso le
fonti rinnovabili. Tra di esse, l’energia eolica sta
esplodendo in ogni parte del globo. È dall’epoca
0. PANORAMICA
1
Unità di misura
Se vi è difficile visualizzare il diametro di un rotore, ecco di seguito alcuni esempi:
UÊ 1 metro: la taglia della micro-turbina Rutland 910 di Marlec.
UÊ 3,3 metri: il diametro del rotore della mini-turbina Maia S di Interwind da 1,8 kW di potenza nominale.
UÊ 15 metri: la dimensione di una vecchia turbina Vestas V15.
UÊ 50 metri: circa la dimensione della turbina Lagerwey di WindShare installata a Toronto, in
Canada.
UÊ 100 metri: diametro del rotore delle turbine più grandi mai realizzate.
d’oro dei mulini a vento nelle fattorie che non si
assisteva a una crescita tanto rapida dello sfruttamento dell’energia del vento. Oggi nel mondo
sono in funzione più di 100.000 turbine eoliche
di scala commerciale e migliaia di piccole turbine
che producono più di 160 terawattora (miliardi di
chilowattora) di elettricità ogni anno, dalle steppe della Mongolia alle coste europee del Mare del
Nord. Benché l’attenzione del mercato e del mondo politico finora si sia concentrato soprattutto
sulle turbine di grandi dimensioni, c’è un altro
ambito dell’eolico che è stato trascurato ma che
merita invece una certa attenzione: la generazione
distribuita, vale a dire l’installazione delle turbine
proprio dove le persone vivono e lavorano, e quindi dove consumano elettricità. Anche la generazione distribuita dell’energia eolica sta crescendo,
soprattutto in alcune nazioni europee, e ci riferiamo soprattutto all’installazione di turbine piccole
e di medie dimensioni all’interno o nei pressi dei
centri abitati, grandi e piccoli. Ma un numero crescente di piccole turbine eoliche sta trovando una
buona nicchia di mercato in applicazioni off-gid,
cioè non connesse alla rete elettrica: imbarcazioni,
baite isolate, nuove proprietà che si trovano alla
fine delle linee elettriche o addirittura non collegate alla rete. Il focus della prima edizione di
Wind Energy Basics era costituito dalle piccole tur2
ENERGIA DAL VENTO IN PICCOLA SCALA
bine eoliche, ma forniremo qualche informazione in più anche sulle grandi turbine connesse alla
rete elettrica. Analizzeremo di conseguenza nuove
classi e tipologie di turbine rispetto a quelle che
abbiamo descritto nell’edizione precedente.
Le classificazioni per dimensione delle turbine eoliche
Alcune turbine eoliche sono così piccole che è possibile maneggiarle senza bisogno di mezzi meccanici.
I nomadi della Mongolia trasportano queste microturbine in groppa ai cavalli da un accampamento
all’altro. Altre turbine sono tanto grandi che è possibile osservarle dagli aerei di linea sfrecciando in cielo
(vedi tabella 0.1, le classi delle taglie delle turbine).
Tabella 0.1 – Classificazioni delle turbine eoliche per dimensione
Diametro
del rotore
Area spazzata
m
m2
kW
kW
Micro
0,5-1,25
0,2-1,2
0,04
0,25
Mini
1,25-3
1,2-7,1
0,25
1,4
3-10
7-79
1,4
16
Domestica
Potenza nominale
standard*
Potenza nominale
tipica
Piccolo commerciale
10-20
79-314
25
100
Medio commerciale
20-50
314-1.963
100
1.000
Grande commerciale
50-100
1.963-7.854
1.000
3.000
*Potenza nominale standard = area spazzata X200 W/m2.
Benché spesso si usi la potenza per la classificazione delle turbine, questa può rivelarsi alquanto
0. PANORAMICA
3
fuorviante. Una classificazione coerente per dimensione delle turbine eoliche deve prendere in
considerazione per prima cosa il diametro del rotore o, più correttamente, l’area spazzata dal rotore. E questo vale a prescindere dall’orientamento
della turbina: se stiamo descrivendo delle turbine
eoliche convenzionali o turbine che ruotano intorno a un asse verticale. La produzione energetica
delle piccole turbine è limitata in termini assoluti,
ma queste macchine possono migliorare notevolmente le condizioni di vita quotidiana delle persone che abitano in zone remote nel mondo. Le
piccole turbine eoliche riescono a produrre solamente poche decine di chilowattora di elettricità
al mese, ma questa energia arriva anche dove la
rete non esiste e, rispetto alla generazione delle
grandi turbine in aree servite dalla rete, ha un valore analogo, se non maggiore, per chi da questa
energia dipende. Tipicamente, le piccole turbine
comprendono macchine con potenza da qualche
Watt a 10-20 kW. I rotori con diametri sui 10 metri si situano nel limite più elevato di questo range di potenza. Le piccole turbine possono essere
ulteriormente suddivise in micro-turbine (le più
piccole fra le turbine di piccola dimensione), in
mini-turbine e in turbine per applicazioni domestiche. In Wind Energy Basics chiamiamo micro le
turbine con diametri da 0,5 a 1,25 metri. Questa
classe include la Air Breeze Southwest Windpower
da 200 Watt e il modello Ampair 300. Entrambe
le macchine usano rotori da 1,2 metri di diametro
e intercettano circa 1 metro quadro di flusso di
vento (vedi figura 0.1, micro-turbina).
Le mini-turbine sono leggermente più grandi e abbracciano un range che va dalle micro-turbine alle
macchine domestiche di dimensioni più grandi.
Variano in diametro da 1,25 a 3 metri. Le turbine
in questa categoria includono la Whisper 100 di
Southwest Windpower e la Windpower XL.1 di Ber4
ENERGIA DAL VENTO IN PICCOLA SCALA
gey. La Whisper 100 usa un rotore da 2,1 metri e intercetta 3,6 metri quadri, mentre la più grande XL.1
usa un rotore da 2,5 metri e spazza 4,9 m2. Così,
queste due turbine sono da quattro a cinque volte
più grandi della Air Breeze e della Ampair 300 (vedi
figura 0.2, mini-turbine).
Le turbine di taglia domestica (in inglese: householdsize, una traduzione del termine danese hustandmølle) sono le più grandi della famiglia delle piccole turbine. Come è prevedibile, le turbine di questa classe
coprono uno spettro ampio. Sono inclusi modelli di
piccola dimensione come la Skystream di Southwest
Windpower con un rotore di 3,7 metri in diametro
o la Excel 10 kW di Bergey che usa un rotore di 7
metri in diametro e pesa quasi 500 chili. La macchina Skystream spazza un’area di 10 m2, la Bergey una
quasi quattro volte superiore rispetto alla Skystream
e 40 volte la macchina Air Breeze (vedi figura 0.3,
turbina di taglia domestica).
0. PANORAMICA
5
Figura 0.1 – Micro-turbina
eolica. La Ampair 300, una
nuova micro-turbina della
serie venerabile Ampair, usa
un rotore da 1,2 metri in
diametro.
Figura 0.2 – Mini-turbina. La Whisper H40 (nota
ora come Whisper 100) al
Wulf Test Field nel Passo
Tehachapi in California.