L'energia eolica e le centrali di generazione
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Il vento, come l'acqua, è la prima e più antica sorgente di energia meccanica d'origine naturale, sperimentata dall'uomo; vento ed acqua, figlie del sole, sono due fonti inesauribili di energia.
Quando si parla di energia eolica, la maggior parte delle persone ricorre con la mente ai mulini a vento tipici degli olandesi. In realtà, già nell'antica Mesopotamia, il vento era una fonte di energia che gli uomini dell'antico Medio Oriente impararono ad intrappolare in grosse tele ed a sfruttare come forza motrice alternativa a quella animale.
Qualche geniale tecnico del 1700 a.C. infatti pensò di utilizzare lo stesso principio dei mulini a vento ad asse verticale, azionati dalla forza dei buoi, per creare dei rudimentali mulini a vento, con le pale parzialmente coperte in modo da vincolare la rotazione in un solo verso.
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Figura 1
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In Asia, al contrario, sono state trovate tracce, risalenti pressappoco a quel periodo o poco dopo, di un mulino ad asse orizzontale con quattro pale "faccia al vento" rappresentato in figura 1.
Anche i primi mulini persiani, dei quali sono state trovate tracce, erano ad asse verticale. Un tronco portava da quattro ad otto bracci orizzontali che, a loro volta, sostenevano delle pale verticali.
La tecnologia "eolica", per secoli, non subì grandi innovazioni, in quanto non prese mai il sopravvento rispetto alle altre fonti di energia naturale che utilizzavano metodi analoghi ma più facilmente individuabili e in ogni caso più "economici".
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In primo piano l'energia idraulica che, sebbene variabile durante l'anno (periodi di piena si alternavano a periodi di secca), era meno mutevole del vento.
Intorno al 1200 d.C., nel periodo delle crociate, i mulini a vento erano comunque già abbastanza radicati nel Medio Oriente, soprattutto ove non c'era disponibilità di acqua. Dopo il Medioevo, quando la tecnologia si spostò dal Mediterraneo verso i paesi del nord, s'iniziarono a vedere maggiori sviluppi dell'energia eolica. Le pale divennero più robuste e resistenti, per sopportare i venti più forti presenti in quelle zone con la superficie d'impatto più affilata verso l'esterno e per bilanciare le diverse velocità tangenziali della pala.
La torre, che sosteneva le pale, era ben ancorata alle fondamenta ed era mobile solamente nella parte alta, dove c'è il "longherone" (trave di sostegno) e l'asse delle pale.
Fu intorno al 1600, però, che i tecnici introdussero le tecnologie più raffinate. Prima fra tutte fu quella dei profili delle pale che meglio sfruttano la "portanza".
Infatti, non è tanto l'impatto ortogonale del vento al piano di rotazione delle pale che fornisce maggior potenza (resistenza), ma quello laterale che sfrutta i profili aerodinamici (portanza) delle pale stesse.
Dall'undicesimo secolo, sino alla fine del secolo diciannovesimo, l'uomo utilizzò la forza del vento (e dell'acqua) come una delle fonti primarie di energia. L'uso era, principalmente, meccanico: pompaggio, macina del grano, concerie, segherie, ecc..
L'invenzione della dinamo, da parte del belga Gramme, nella metà del diciannovesimo secolo, aprì nuovi orizzonti all'utilizzazione dell'energia idraulica ed eolica e nel 1887 il francese Duc de La Peltrie costruì il primo aerogeneratore realizzato in Europa e destinato alla produzione di energia elettrica.
Dopo le prime applicazioni veniva dato il via allo sfruttamento dell'energia eolica nell'industria.
Nel medesimo periodo anche gli Stati Uniti realizzavano la possibilità di produrre energia elettrica sfruttando il vento e Charles F. Brush, nel 1890, sperimentò nell'Ohio un "mulino a vento" per produrre elettricità.
Le necessità dell'industrializzazione esasperata di quegli anni, però, obbligò la ricerca e la produzione a rivolgersi verso altre fonti diverse abbandonando l'interesse verso i mulini e l'energia eolica.
Nel 1970 la crisi petrolifera sconvolse le economie dei paesi industrializzati e spinse gli studiosi alla ricerca di energie alternative; fra esse ritrovò vita ed interesse l'energia eolica che ritornò in auge.
Fra gli Stati che si distinsero, per la ricerca e le installazioni, ritroviamo gli Stati Uniti e in Europa la Danimarca. In particolare quest'ultima sviluppò le ricerche e le installazioni di parchi eolici evidenziando l'importanza delle energie alternative (e rinnovabili) per la tutela dell'ambiente. Oggi, la Danimarca detiene la leadership nel settore eolico sia nella ricerca, sia nella produzione e realizzazione di impianti; seguono, in ordine di importanza, la Germania e gli Stati Uniti. In Italia gli sviluppi sono stati abbastanza modesti anche se negli ultimi anni è iniziata una crescita degna di considerazione, in particolare nelle regioni meridionali (Campania e Puglia), più adatte ad ospitare dei parchi eolici e più attente ad indirizzare i propri investimenti verso fonti di energia alternativa e rinnovabile, anche in funzione della tutela dell'ambiente.
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Le fattorie del vento
(Wind Farms)
In base alla tecnologia oggi disponibile, la realizzazione delle centrali eoliche, che utilizzano aerogeneratori di media taglia, rappresenta, senza dubbio, l'applicazione più importante ed economicamente più conveniente.
Sicuramente vi è il rispetto per la "tutela ambientale", in conformità alle regole stabilite dalle diverse conferenze mondiali tenutesi e concretizzate nel Protocollo di Kyoto.
Più aerogeneratori collegati insieme formano le "Wind Farms" che sono delle vere e proprie centrali elettriche.
Non tutti i terreni sono adatti ad ospitare una centrale eolica e la scelta morfologica dell'area, tanto quanto la ventosità, sono dei parametri d'importanza notevole che possono condizionare le decisioni degli interventi.
Non esistono metodi standard di scelta, ma è necessaria un'analisi dei dati rilevati da parte dei tecnici per stabilirne la convenienza.
Nei terreni piani, o poco ondulati, è preferibile adottare una disposizione geometrica semplice e predisporre gli aerogeneratori in modo equidistante tra loro. Questa soluzione è normalmente buona, anche al fine di contenere l'impatto ambientale ma non risulta sempre la migliore.
Nei paesaggi ondulati, al contrario, è raramente possibile mantenere una disposizione semplice e frequentemente si ottiene un miglior risultato lasciando che la distribuzione delle macchine segua il profilo del terreno e le sue caratteristiche morfologiche.
Anche se non esiste una regola sicura per la scelta della disposizione delle macchine sul terreno, esiste comunque una regola generale che, sulla base di studi mirati, permette di definire la distanza teorica da mantenere tra le torri affinché non si creino delle interferenze tra esse.
La regola generale, da considerare durante l'installazione delle torri eoliche, è quella di mantenere la distanza tra le postazioni tra 3 e 9 volte la dimensione del diametro del rotore, nella direzione del vento dominante, e tra 3 e 5 volte il diametro del rotore, nella direzione perpendicolare a quella del vento dominante.
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Figura 2
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Nella figura 2 è raffigurata la disposizione di una centrale eolica su un terreno ondulato.
L'abilità dei tecnici è quella di riuscire a predisporre un lay-out tale che si possa ridurre al minimo, cioè nei parametri accettabili, l'interferenza che ha una precisa denominazione: "effetto parco". In generale, la perdita di energia dovuta all'effetto parco va contenuta nel 5%.
Una delle cause principali che danno forma all'effetto parco e, quindi, alla perdita di energia, è l'effetto scia che viene rappresentato in figura 3.
L'aerogeneratore trasforma in elettricità l'energia del vento; il vento che abbandona (posteriormente) l'elica avrà, necessariamente, una capacità energetica più bassa rispetto al vento in entrata nel rotore.
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Nella realtà, come si nota dall'immagine, c'è sempre una scia dietro l'elica; una lunga striscia di vento più turbolento e rallentato, rispetto al vento in arrivo all'elica stessa.
Il parco eolico dev'essere studiato in modo che la scia creata da un rotore, per tutte le torri in gioco, nel suo percorso verso valle, non interferisca con le altre eliche (o lo faccia in modo da non far aumentare la percentuale, accettabile, del 5% di mancato rendimento della centrale eolica), diminuendone la produzione energetica.
Le Wind Farms costruite sulla terraferma vengono chiamate "impianti on-shore".
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Figura 3
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In questi ultimi tre anni la produzione di energia elettrica da fonte eolica on-shore è cresciuta, nel Nord Europa, in maniera corposa, e ciò ha portato alla realizzazione (in modo particolare in Germania e Danimarca) di un grande numero di centrali sparse su tutto il territorio, dove le potenzialità di produzione energetica rendono economicamente competitiva la realizzazione di tali impianti.
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L'invasione massiccia del territorio ha trovato qualche ostacolo per l'impatto ambientale ed anche per questi problemi si è avuta una notevole spinta alla tecnologia delle Wind Farms costruite in mare, gli "impianti off-shore".
Questi impianti rappresentano un'utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte incremento di impianti on-shore. Secondo alcune stime, nei prossimi anni gli impianti off-shore nei mari europei potrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri.
Attualmente in Europa sono operative 5 centrali off-shore che sono costruite in Olanda, Svezia e Danimarca.
In Italia non esiste ancora alcun impianto off-shore, ma è stato calcolato un potenziale sfruttabile di 3.000 MW, pari a quello sulla terraferma, in grado di soddisfare il 4% dell'attuale consumo di elettricità.
Il grande problema che penalizza gli impianti off-shore è l'elevato livello dei costi.
Attualmente i costi unitari dei kWh prodotto da impianti eolici off-shore, considerando gli stessi indici, lo stesso tasso di interesse e la stessa durata degli impianti, sono circa il 60% superiori rispetto a quelli degli impianti on-shore. Questo dato è imputabile al fatto che gli attuali costi di installazione e di manutenzione delle centrali off-shore, sono superiori a quelli delle centrali on-shore di circa il 100%.
Un altro fra i principali fenomeni, favorevoli alle installazioni off-shore, è la bassa rugosità e la turbolenza molto debole che si ha in mare.
La turbolenza debole è dovuta principalmente al fatto che le variazioni termiche tra le varie altitudini dell'atmosfera sono meno importanti in mare che in terra. I raggi del sole penetrano nell'acqua per molti metri, mentre sulla terra chiudono prima, riscaldando moltissimo il terreno in superficie.
Di conseguenza, le differenze tra superficie e aria sono meno importanti sopra il mare che sulla terra.
Con la turbolenza molto debole si può aumentare il ciclo di vita delle macchine off-shore, rispetto a quelle installate on-shore. Ciò vuol dire, per esempio, che potendo avere un ciclo di vita di 25 anni, contro i 20 anni di un impianto in terraferma, si possono abbattere i costi.
Inoltre, la ricerca porta a macchine sempre più affidabili e con alte prestazioni che, unite ai costi sempre più ridotti delle fondazioni in mare, permette una maggior redditività delle centrali off-shore.
Redditività che trova inoltre giovamento dallo studio di nuovi metodi attinenti ai componenti fondamentali di questi impianti, come ad esempio la posa dei conduttori.
Il cablaggio subacqueo, necessario per collegare i parchi eolici off-shore alla rete elettrica principale della terraferma è una tecnologia ormai nota e non costituisce un problema tecnico grave. Normalmente occorre interrare i cavi subacquei per ridurre il rischio di danno dovuto alla strumentazione dei pescatori, alle ancore, ecc. ma, se il fondale lo permette, la soluzione più economica è quella di appoggiare i cavi sul fondo marino.
Per poter ridurre i costi, devono essere riviste anche altre funzioni come la sorveglianza a distanza dei parchi, che necessariamente sarà molto più importante rispetto alla terraferma, oppure la manutenzione preventiva.
Poiché il cattivo tempo può impedire per lunghi periodi al personale di servizio di verificare le macchine, è importantissimo che i programmi di manutenzione preventiva siano studiati alla perfezione, in modo da garantire un'altissima efficienza delle torri off-shore, riducendo al minimo i fermi e, di conseguenza, i costi di manutenzione.
L'ottimizzazione di queste tecnologie, soprattutto per le unità installate in posizione molto distante dalle coste, sarà un argomento importante da affrontare nei prossimi anni per garantire la redditività dei progetti e permettere un maggiore sfruttamento di questa risorsa.
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L'articolo verrà completato nel prossimo numero di U&C con una seconda parte che tratterà l'installazione, le misure e la normativa degli impianti eolici.
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