Impianti eolici ad asse orizzontale: evoluzione tecnologica

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Impianti eolici ad asse orizzontale: evoluzione tecnologica
Le tecnologie per lo sfruttamento del vento per la produzione di energia elettrica hanno visto uno sviluppo eccezionale
nell'ultimo decennio, soprattutto rispetto alle configurazioni impiantistiche dei classici impianti eolici (per approfondire si
rimanda all'articolo.
In particolare, si è registrato un aumento della capacità produttiva dei grandi impianti ad asse orizzontale, esposti in
questo articolo, così come uno sviluppo di svariati modelli per il minieolico.
L'evoluzione tecnologica: diamo i numeri!
Fin dall’antichità il vento è stato sfruttato dall’uomo. Veniva infatti utilizzato nella navigazione, per muovere le
imbarcazioni a vela, e per produrre energia meccanica da sfruttare soprattutto in agricoltura attraverso i mulini a vento. I
primi mulini risalgono addirittura al 200 a. C. Nel corso degli anni il campo di applicazione dei mulini a vento è cresciuto
sempre di più e lo stesso livello tecnologico è molto migliorato. Il primo aerogeneratore costruito in Europa risale al 1887,
ad opera del francese Duc De La Peltrie, mentre in Ohio, negli Stati Uniti, nel 1890 nasce il primo mulino a vento, ideato
da Charles Brush, con lo scopo di produrre energia elettrica. Oggi, il numero di pale è diminuito (rispetto ai primi mulini a
vento) e la velocità di rotazione è aumentata raggiungendo una maggiore efficienza energetica. Soprattutto negli ultimi
anni, infatti, anche i piccoli impianti riescono ad avere livelli prestazionali e tecnologici di altissima qualità. Molti sistemi
sono nati per ottimizzare la produzione di energia elettrica sfruttando al meglio l’energia cinetica del vento.
Un antico mulino a vento in Estonia per la conversione dell'energia del vento
in energia meccanica di rotazione (Crediti: Ph. Ivar Leidus).
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Le dimensioni di una moderna torre eolica SWT-6.0-154
per la produzione di energia elettrica (Crediti: Siemens).
Le velocità del vento utili. Esiste un intervallo di velocità del vento entro il quale il rotore può muoversi e funzionare
correttamente. Il limite inferiore viene indicato con il termine “cut-in” e generalmente è pari a circa 4 m/s (circa 14 km/h).
Con valori di velocità del vento inferiori a questa quantità, non si riesce ad attivare la rotazione delle pale e il rotore resta
fermo. Il limite superiore viene invece definito “cut-off” e generalmente è pari a circa 25 m/s (circa 90 km/h). Oltre questo
valore di velocità, il rotore viene fermato per evitare seri problemi strutturali. Esiste infine un altro valore limite di velocità
del vento, detto “velocità di sopravvivenza” e rappresenta la velocità del vento massima di progetto alla quale la struttura
della turbina e delle pale riesce a resistere senza subire danni. Questo valore varia a seconda del tipo di aerogeneratore
e generalmente si attesta sui 60m/s, circa 216 km/h.
L'efficienza di conversione. Normalmente l'efficienza di conversione dell’energia cinetica in energia elettrica delle
macchine eoliche di oggi è intorno al 25%. La massima efficienza teorica di un impianto eolico è definita dalla legge di
Betz, la quale individua il così detto "limite di Betz" corrispondente a una efficienza massima del 59%.
Il fattore di utilizzo. Un altro importante dato sull'efficienza degli impianti eolici è il fattore di utilizzo (Capacity factor),
ovvero il numero di ore equivalenti di funzionamento (alla massima potenza nominale di impianto) durante tutto l'anno. In
un anno ci sono 8760 ore. I valori di Capacity factor degli impianti eolici variano generalmente dal 20% (1.750 ore/anno
circa a potenza nominale) al 40% (3.500 ore/anno circa a potenza nominale); in alcuni casi eccezionali si arriva a valori
prossimi al 50% (4.400 ore/anno circa a potenza nominale). In Italia l'attuale Capacity factor dell'intero parco eolico
nazionale è del 25%, corrispondente a circa 2.200 ore annue di funzionamento degli impianti alla potenza nominale
(Edizioni ambiente, http://www.nextville.it/index/524).
Il sistema di imbardata. Questo sistema, indispensabile per ottimizzare la produzione di energia elettrica, permette la
rotazione della navicella in funzione della direzione del vento. È costituito da un anemometro, posto in cima alla
navicella, da un motore elettro-pneumatico e da una ghiera meccanica, soprannominata "anello di imbardata", posta tra
la navicella e la torre. Tutti questi componenti sono gestiti da un computer che, in base alla direzione del vento misurata
dall’anemometro, aziona il motore che ruota la ghiera, posizionando la navicella in una direzione dell'asse parallela
rispetto alla direzione del vento. La maggiore produzione di energia, infatti, si ha quando la direzione del vento è
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parallela all’asse longitudinale della navicella, quindi perpendicolare alla superficie delle pale del rotore.
La regolazione del passo. Un altro sistema che permette di massimizzare la produzione di energia elettrica, anche con
basse velocità del vento, è la “regolazione del passo”. Questo sistema controlla la velocità del vento e in base a essa
permette a ogni singola pala di ruotare lungo il proprio asse longitudinale. In questo caso gli aerogeneratori si dicono a
passo variabile (il passo è l'angolo formato tra la direzione del vento e la superficie delle pale). Il sistema è dotato di una
centralina idraulica per il controllo del passo che, in base alla velocità del vento, permette alle pale di ruotare di qualche
grado modificando la superficie su cui impatta il vento e massimizzando la velocità di rotazione. A basse velocità del
vento, le pale ruotano sul proprio asse e si posizionano in una configurazione più perpendicolare alla direzione del vento,
aumentando in questo modo la superficie impattante. Di conseguenza, aumenta anche la velocità di rotazione del rotore
e quindi la produzione di energia elettrica. Diversamente, nel caso di raffiche di vento molto forti, le pale ruotano e si
posizionano più parallelamente alla direzione del vento, comportando una diminuzione progressiva della velocità di
rotazione e di conseguenza minori vibrazioni e oscillazioni della struttura. Infatti, per velocità del vento molto elevate, la
rotazione viene dapprima rallentata mediante il controllo del passo, dopodiché viene bloccata (e la produzione di energia
elettrica viene sospesa).
L'orientazione delle pale per effetto della regolazione del passo.
Le dimensioni e l'energia prodotta: Le torri possono raggiungere altezze notevoli: a partire dagli impianti commercializzati
negli anni Novanta, caratterizzati da altezze di circa 50 metri (quasi quanto la Torre di Pisa) con diametro del rotore di
oltre 40 metri, si è arrivati ai più moderni che raggiungono i 130 metri di altezza negli impianti on-shore (oltre 40 piani di
un edificio) con un diametro delle pale variabile tra i 100 e i 130 metri, e lunghezza di ciascuna pala tra i 50 e 65 metri.
Per quanto riguarda gli impianti off-shore (in mare aperto), le torri raggiungono addirittura i 220 metri (circa 75 piani) e il
diametro delle pale è di oltre i 154 metri (per esempio la piramide di Cheope, Giza - Egitto, è alta circa 140 metri!).
La potenza prodotta da ogni singola turbina è aumentata in maniera esponenziale negli ultimi anni. Infatti, negli anni
Novanta la potenza nominale erogata da ogni singola macchina variava tra i 600 e i 900 KW. Oggi, invece, è
generalmente compresa tra i 2 MW (2000 KW) e i 5 MW per le istallazioni on-shore, mentre per gli impianti off-shore si
raggiungono anche i 7 MW.
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Evoluzione tecnologica: una previsione della potenza nominale rispetto al diametro del rotore
(Crediti: Sandia 2014 - Wind Turbine Blade Workshop - Zayas).
Il record mondiale. Attualmente il record di macchina eolica più grande al mondo è detenuto dalla Vestas V164, con un
diametro del rotore di 164 metri, altezza della torre di 205 metri e una potenza nominale di 8MW, il cui prototipo è stato
installato nel gennaio 2014 in Danimarca (per curiosità vedi il video della Vestas: Vestas V164-8.0 MW - a game changer
in offshore), mentre la prima wind farm è in funzione da aprile 2016 in Inghilterra (Per maggiori informazioni clicca qui).
Per rendere l'idea dell'enorme quantità di energia prodotta da questa macchina, basti pensare che una sola ora di
funzionamento alla massima potenza nominale produce l'energia elettrica consumata in un anno da 3 abitazioni.
La navicella (lunghezza 20 metri, altezza 8 metri) e il mozzo della Vestas V164-8MW durante la fase di assemblaggio.
(Crediti: windpowermonthly.com). Da notare le proporzioni rispetto agli operai,
e i comandi idraulici disposti nell'attacco della pala al mozzo per la regolazione del passo.
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Sistema "direct drive”: Alcuni nuovi modelli di aerogeneratori sono dotati di sistemi “direct drive” a magneti permanenti.
Queste macchine sono infatti prive del moltiplicatore di giri, e il rotore aziona direttamente il generatore sincrono. Di
conseguenza, la navicella è molto più compatta in quanto alloggiano al suo interno meno componenti. Questo sistema
ha quindi una trasmissione composta da poche parti meccaniche in movimento rispetto alle tradizionali turbine eoliche. I
principali vantaggi sono: riduzione del peso, aumento della durata del funzionamento della macchina con riduzione dei
rischi di guasti (una delle principali cause di malfunzionamento di un aerogeneratore è legata proprio al cattivo
funzionamento del moltiplicatore di giri), riduzione dei costi di manutenzione, bassi livelli sonori, vibrazioni ridotte,
maggiore efficienza. Un esempio di turbina per impianti off-shore che utilizza questa tecnologia è la Siemens SWT 7.0154 (7 MW di potenza massima nominale e rotore dal diametro di 154 metri). A differenza delle altre turbine di grandi
dimensioni, in genere più pesanti, la SWT-6.0-120 (versione sperimentale della SWT 7.0-154, ndr) ha un peso per
megawatts assai ridotto, simile a quello della maggior parte degli aerogeneratori da 2 e 3 MW, come dichiarato da Henrik
Stiesdal, Chief Technology Officer della Divisione Wind Power Business di Siemens (Per maggiori informazioni clicca
qui).
Schema della navicella della turbina eolica Siemens SWT 7,0-154 dotata del sistema "direct drive". Siemens AG 2014 All
rights reserved (Crediti: offshoreenergy.dk). Da notare la ridotta presenza di componenti meccaniche rispetto alle più
tradizionali navicelle con il generatore elettrico comandato dall'albero di rotazione veloce e dal moltiplicatore di giri. Al posto di
questi componenti è alloggiato il trasformatore elettrico che, per i medio-piccoli impianti on-shore, è solitamente alloggiato a
terra vicino alla torre.
a cura di Dario Colucci e Marco Suanno