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Energie Rinnovabili Ep.3 - Energia Eolica

Energia
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Storia


L’energia eolica è oggi al centro di numerosi dibattiti e studi che riguardano l’ambiente e il paesaggio, ed è una realtà ormai consolidata a livello energetico. 
La sua storia ha però radici arcaiche: l’uomo ha imparato a sfruttarla sin dall’antichità, basti pensare che si parla di ‘età della vela’ per descrivere il periodo temporale intorno al 4000 a.C. in cui gli Egizi iniziarono a navigare i fiumi.

L’energia eolica venne utilizzata anche per altri scopi, come i mulini a vento, che originariamente servivano per la produzione della farina, furono inventati circa nel 3000 a.C. in Persia.
Anche nel continente europeo questa risorsa è stata ampiamente sfruttata, soprattutto nei paesi del Nord, dove “l’intensità del vento” risulta importante.

L’invenzione della dinamo, da parte del belga Gramme, nella metà del diciannovesimo secolo, aprì nuovi orizzonti all’utilizzo dell’energia idraulica ed eolica, mentre nel 1887 il francese Duc de La Peltrie costruì il primo aerogeneratore realizzato in Europa e destinato alla produzione di energia elettrica. Sfruttare l’energia cinetica del vento per produrre l’energia elettrica aprì un nuovo orizzonte che venne nuovamente approfondito con attenzione dopo la crisi petrolifera del 1973 e che tutt’oggi è in via di sviluppo.

L’energia elettrica da “fonte eolica” si ottiene perciò attraverso una tecnologia chiamata aerogeneratore, meglio conosciuta come pala eolica; e le pale, mosse dalla forza del vento, sono collegate ad un generatore che trasforma l’energia meccanica (data dal movimento rotatorio) in energia elettrica.

Nel 1891, Poul la Cour (1846-1908) realizzò la prima centrale eolica europea; nel 1914 erano già in funzione diverse centinaia di macchine di potenza compresa tra 3 e 30 kW* e nel periodo tra le due guerre mondiali la rapida evoluzione sul piano tecnologico portò alla costruzione di aerogeneratori di potenze crescenti da 40-80 kW fino ai 1250 kW.

Nel 1956 venne messa in funzione la Gedser Wind Turbine, turbina eolica con 3 pale (potenza 200 kW), che anticipa di oltre 40 anni quelle che è poi risultata la soluzione tecnologica migliore. 

Figura 1: turbine eoliche a 3 pale, la migliore soluzione tecnologica


Diffusione dell’eolico nei principali Paesi produttori (membri IEA- International Energy Agency) 


Negli ultimi anni la potenza eolica installata è cresciuta vertiginosamente; basti pensare che nel 2017 è stata installata una potenza di 42.5 GW, e nel 2018 di 51 GW. La potenza totale di nuovi impianti di eolico onshore, ovvero costruito su terra ferma, è raddoppiata nel 2020, raggiungendo un livello strabiliante di quasi 110 GW.

In alcuni Paesi la produzione di energia eolica è una parte molto importante del bilancio elettrico nazionale. In Germania, ad esempio, nel 2019 un quarto dell'elettricità totale del paese è stata generata utilizzando l'energia eolica, rispetto a una stima del 9,3% nel 2010.

Nel 2020, la produzione di elettricità eolica onshore è aumentata di 144 TWh* (+11%). Le aggiunte di capacità sono aumentate senza precedenti di 108 GW, il doppio rispetto al 2019, principalmente grazie alla quantità di impianti costruiti in Cina e negli Stati Uniti, che insieme hanno rappresentato il 79% dello spiegamento eolico globale. Tuttavia, il pieno impatto di questo boom edilizio sulla produzione di elettricità è stato visibile nel 2021, dato che molte delle installazioni sono state messe in funzione nel quarto trimestre del 2020.

La crescita della generazione eolica offshore è stata di 25 TWh (+29%) nel 2020, e nel complesso sono stati generati 1 592 TWh di elettricità da impianti eolici, il 12% in più rispetto al 2019.

È da puntualizzare però che per raggiungere gli 8000 TWh richiesti nel 2030 (secondo lo scenario Zero Emissioni Nette entro il 2050), la generazione dovrebbe aumentare in media del 18% all'anno nel periodo 2021-2030, oltre ad aumentare le aggiunte annuali di capacità a 310 GW di vento onshore e 80 GW di vento offshore. È quindi richiesto un impegno assai maggiore per raggiungere questo livello di crescita e le aree più importanti per il miglioramento sono la riduzione dei costi e i miglioramenti tecnologici per l'eolico offshore*, e la facilitazione dei permessi per l'eolico onshore*.

Le caratteristiche del vento


Il vento è un fenomeno che identifica il movimento di masse d’aria rispetto la superficie terrestre all’interno dell’atmosfera ed è dovuto a due cause primarie: la differenza di temperatura e pressione tra una zona e l’altra e la rotazione della terra.
Il movimento dell’aria avviene da zone più fredde, ad alta pressione, verso zone più calde, a più bassa pressione. Quanto più è alta la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria e tanto più forte sarà il vento.
In questo modo, l’energia eolica può sembrare disponibile ovunque e in qualsiasi periodo dell’anno, ma non è proprio così: questa risorsa è infatti caratterizzata da un forte grado di aleatorietà. 

La caratterizzazione di quest’ultima può essere fatta con misure dirette o con degli indicatori, come ad esempio il livello di deformazione degli alberi (indicatore di carattere biologico) o le classi: più è alta la classe a cui appartiene il vento, più esso è forte.

Tra le misure dirette, invece, si è soliti “misurare il vento”, cioè misurare la sua direzione e la sua velocità: per fare questo si utilizza uno strumento chiamato anemometro. In particolare, si effettuano varie misurazioni ad altezze diverse (10, 20 e 40 m dal suolo) per fare poi una media su un tempo campione (ad esempio 10 minuti). 

Ci sono vari fattori che influenzano queste caratteristiche, come il tipo di terreno che condiziona il profilo delle velocità fino a circa 2 km dal suolo o il cosiddetto “speed up factor” in prossimità delle colline, dove si ha un incremento della velocità locale dovuto alla compressione delle linee di flusso. 

Per poter utilizzare il vento a fini energetici, è quindi estremamente importante conoscere la disponibilità della risorsa, ma la velocità, ad esempio, è nota sulla base di una distribuzione probabilistica. Il modello di densità di probabilità che ci viene in aiuto nel caso della risorsa eolica è la distribuzione di Weibull, che fornisce la probabilità che in un determinato arco temporale di osservazione (un giorno, un mese, un anno), si abbia una determinata velocità del vento. La distribuzione, che dipende da vari parametri, permette di definire alcune velocità importanti: quella media, quella di massima probabilità e quella che trasporta la massima energia. Quest’ultimo è un valore interessante perché è proprio quello utilizzato in fase di progettazione; solitamente corrisponde a circa 10-12 m/s. 

Figura 2: evidenziate le tre principali velocità di riferimento: la media (rosso), la più frequente (verde) e quella di massima energia (azzurro), cioè quella di progetto.

Figura 3: distribuzioni di velocità in una zona particolarmente ventosa. Sulle ascisse, valore della velocità del vento; sulle ordinate la probabilità che essa si verifichi.


La prima cosa da valutare in un sito preso in considerazione per la costruzione della singola turbina o del parco eolico*, quindi, è proprio l’entità del vento. Fosse eccessivamente irregolare o debole…inutile perdere altro tempo! Si installa quindi in loco una torre anemometrica per un lungo periodo temporale, da alcuni mesi ad un anno, in modo da avere una completa caratterizzazione del vento nelle diverse stagioni: intensità, direzione e livelli di turbolenza* ad altezze diverse dal suolo. I dati registrati consentono di valutare sia la produzione futura di energia, sia la fattibilità economica del progetto. 

Le pale eoliche, proprio per questo, non possono essere posizionate ovunque, ma servono luoghi adatti: serve vento con una determinata velocità per farle girare e produrre quindi potenza convertendo l’energia cinetica. Soltanto quando viene raggiunta una velocità definita di taglio inferiore, infatti, la turbina inizia l’inseguimento del vento e quindi la produzione di energia.

Nel grafico seguente sono indicate le seguenti velocità: 
  • Quella di cut-in, che è proprio quella di cui parlavamo sopra e sotto la quale non conviene far lavorare la turbina (valori tipici: 3-5 m/s);
  • Quella di progetto (Vr), dai valori tipici di 12-14 m/s;
  • Quella di cut-off, cioè il valore limite al di sopra del quale, ancora una volta, conviene non operare (valore tipico: 25 m/s). 
L’andamento della velocità, nonostante dipenda dal tipo di macchina in esame, è qualitativamente sempre lo stesso.

Figura 4: potenza (kW) in funzione delle velocità significative e valori delle velocità di cut-in, progetto e cut-off.


Principi di conversione e limiti

Una prima distinzione tra le varie tipologie di macchine può essere fatta tra quelle a resistenza (drag), e quelle a portanza (lift). Nella tecnica si sono affermate prevalentemente turbine basate sul funzionamento di profili alari del tipo a portanza («corpi sottili»). Molto minore è stato il ricorso a profili del tipo a resistenza («corpi tozzi»). Altre classificazioni, inoltre, possono essere fatte in base alla disposizione dell’asse di rotazione.

Come tutte le cose, poi, anche l’eolico ha dei limiti, e nel caso in cui vi venisse posta una domande del genere ad un quiz televisivo, ricordatevi bene questo valore: 16/27! Nel 1920, infatti, nell’opera “Limiti teorici per la migliore utilizzazione del vento nei motori eolici”, Betz arriva alla conclusione che per mantenere un flusso, e quindi una generazione continua, esiste un limite per l'estrazione di potenza da parte della turbina. Questo vale 16/27 = 0,5927 e coincide con il valore massimo del coefficiente di potenza: esprime la massima potenza estraibile rispetto a quella teoricamente disponibile nell’area spazzata dal rotore preso in esame. 

Questa teoria si appoggia, come tutte le teorie, su varie ipotesi, quali una distribuzione di velocità uniforme in ogni sezione, vento stazionario e costante e altre cose di questo tipo e, attraverso l’uso di alcuni coefficienti (quello di potenza e quello di spinta), permette di stabilire dei limiti massimi di essi. Il massimo teorico del coefficiente di potenza è proprio 16/27, valido per una turbina ad asse orizzontale. La turbina eolica, ormai affermata, che si avvicina di più a questa teoria è quella a tre elementi di conversione. 


Figura 5: turbina a 3 elementi di conversione.


Vantaggi e svantaggi degli impianti eolici:


Tra i vantaggi di questo tipo di impianti, possiamo individuare:

  • generazione distribuita: la produzione di energia può avvenire attraverso piccole unità installate in diverse zone del territorio senza dover quindi far riferimento alla grande centrale;
  • realtà ben consolidata in ambito energetico;
  • assenza di emissioni di sostanze inquinanti;
  • risparmio di combustibili fossili;
  • ridotti costi di esercizio (non ci sono costi di approvvigionamento per il combustibile) e di manutenzione;
  • possibilità di costruire sia sulla terraferma (impianti on-shore*), che in mare (impianti off-shore*);
  • possibilità di costruire impianti che soddisfano da piccole a grandi richieste. Esiste, infatti, un legame tra le dimensioni delle turbine e la loro potenza, in particolar modo con il diametro del rotore. Un diametro che varia tra 88 e 112 m, ad esempio, potrà dar luogo ad una potenza installata tra 2500 e 4500 kW.  

Tra gli svantaggi, invece, possiamo elencare:

  • Forte natura probabilistica, di cui abbiamo ampiamente parlato nei paragrafi precedenti, che non permette quindi di poter installare le pale in qualsiasi spazio aperto;
  • utilizzo di grandi spazi: basti pensare che nelle cosiddette wind farms*, gli aerogeneratori hanno solitamente bisogno di un certo distanziamento: 5 volte la misura del diametro tra quelli vicini e 7 volte tra quelli davanti/dietro, cioè nella direzione del vento;
  • esistenza di una fase di “inseguimento del vento” in cui la turbina non funziona alla potenza di progetto, contribuendo quindi a ridurre le ore equivalenti* complessive. 


Figura 6: una wind farm.


Impatto ambientale: impatto visivo e occupazione del territorio, rumore, effetti su flora e fauna.

Se pensiamo agli impianti eolici, la prima cosa che viene in mente sono proprio quelle grandissime torri identificabili a metri e metri di distanza… nonostante per qualcuno del settore possano essere ritenute affascinanti, l’impatto visivo è, per i più, proprio la barriera più rilevante dell’eolico, difficilmente evitabile e riducibile solo adottando soluzioni costruttive come torri tubolari, configurazioni simmetriche o colori tenui e neutri, come il grigio. 
In aggiunta, spesso i luoghi di maggior interesse possono essere quelli che richiederebbero maggiore tutela ambientale, creando così conflitti.

Essendo poi le turbine strutture in movimento, producono rumore generato dai componenti elettromeccanici e da fenomeni aerodinamici che hanno luogo con la rotazione delle pale. Questi macchinari sono collocati ad almeno 300 metri da edifici di diversa natura o strutture abitative. A questa distanza il rumore percepito della turbina è di 43 decibel; basti pensare che un condizionatore di livello medio emette 50 decibel. Ad oltre 500 metri la pressione sonora scende a 38 decibel, andandosi a confondere totalmente con i rumori di fondo cittadini che variano tra i 40 e 45 dB.

Gli impianti eolici, infine, non producono alcun effetto sulla flora circostante. Diverse invece sono le considerazioni da fare riguardo l’avifauna locale, soprattutto tra i rapaci notturni. Gli uccelli non sono in grado di riconoscere le pale in rapido movimento creando così un rischio di collisione.

Alcuni dati riferiti alle centrali eoliche negli Stati Uniti e in Spagna hanno registrato da 1 a 6 collisioni per MW* installato, che risultano tuttavia accettabili, soprattutto considerando che uno studio condotto in Spagna ha evidenziato un comportamento “adattivo” degli uccelli con una conseguente riduzione di esemplari feriti.



Legenda:

kW, MW, GW: unità di misura della potenza, rispettivamente chilowatt (10^3 W), megawatt (10^6 W) e gigawatt (10^9 W).
kWh, TWh: unità di misura dell’energia. 1 kWh è l’energia che produce, in un’ora una macchina da 1 kW, 1 TWh quella che produce una macchina da 1 TW nello stesso intervallo di tempo (terawatt = 10^12 W). 
Parco eolico: insieme di aerogeneratori localizzati in un territorio limitato.
wind farm: letteralmente “fattoria del vento”, è la traduzione di “parco eolico” in inglese, ormai utilizzata in questo campo, ed indica un insieme di aerogeneratori situati in una certa porzione di territorio e interconnessi tra loro.
Turbolenza: insieme delle brusche e rapide fluttuazioni del vento, causate da moti vorticosi e irregolari. Più in particolare è la situazione in cui le forze viscose non sono sufficienti a contrastare quelle di inerzia, e dunque si formano vortici instabili e si hanno fluttuazioni casuali di velocità e pressione.
Eolico onshore e offshore: con “on-shore” si intende l’eolico situato sulla terraferma, “off-shore” indica invece gli impianti eolici installati ad alcune miglia dalla costa e quindi in mare aperto. 
Ore equivalenti: Rapporto tra energia effettivamente prodotta in un anno e potenza nominale dell'impianto. Tipicamente, il valore è inferiore alle ore effettive di funzionamento.

Fonti:

www.iea.org
www.mite.gov.it 
Appunti di “Energetica generale I e II”, corso di laurea triennale di Ingegneria dell’energia presso l’Università di Pisa. (prof. Alessandro Franco)


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