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ENERGIA EOLICA



pale eolicheL'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in altre forme di energia (elettrica o meccanica). Oggi viene per lo più convertita in energia elettrica tramite una centrale eolica, mentre in passato l'energia del vento veniva utilizzata immediatamente sul posto come energia motrice per applicazioni industriali e pre-industriali (come, ad esempio, nei mulini a vento). Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto costo/produzione, è stata la prima forma di energia rinnovabile scoperta dall'uomo dopo il fuoco.

Verso la fine del 2009, la capacità di generazione mondiale degli aerogeneratori era di 157,9 gigawatt, pari al 1,5% dell'elettricità consumata nel mondo e sta crescendo rapidamente, notandosi un raddoppio nei tre anni tra il 2005 e il 2008. Alcuni paesi hanno raggiunto un coefficiente di penetrazione della potenza eolica molto elevato (a volte con incentivi governativi); ad esempio, nel 2008, il 19% della produzione elettricità di base raggiunto dalla Danimarca, il 13% della produzione in Spagnae in Portogallo, il 7% in Germania e nella Repubblica d'Irlanda. Nel maggio del 2009, otto paesi del mondo avevano centrali elettriche che vendevano a scopi commerciali raggiungendo con profitti.

I parchi eolici sono connessi alle reti elettriche; le installazioni più piccole sono usate per fornire elettricità a luoghi isolati. Le compagnie elettriche stanno utilizzando sempre più spesso il sistema del conto energia che consiste nel comprare l'energia in eccesso prodotta dai piccoli aerogeneratori domestici. Per alcuni aspetti l'energia eolica è una fonte attraente, come alternativa al combustibile fossile, dal momento che è abbondante, rinnovabile, ampiamente distribuita, pulita e praticamente non produce gas a effetto serra (se non durante la produzione di componenti base, come le pale in alluminio). Comunque, la costruzione di "fattorie eoliche" non riceve unanime consenso a causa del loro impatto paesaggistico e altre problematiche, come la rumorosità e la pericolosità degli impianti per gli uccelli.


mulino a vento
STORIA
I primi mulini a vento europei trasportavano acqua o muovevano le macine per triturare i cereali; in Olanda erano utilizzati per pompare l'acqua dei polder, migliorando notevolmente il drenaggio dopo la costruzione delle dighe. I mulini olandesi erano i più grandi del tempo, divennero e rimasero il simbolo della nazione. Questi mulini erano formati da telai in legno sui quali era fissata la tela che formava così delle vele spinte in rotazione dal vento. Nel corso del XIX secolo entrarono in funzione migliaia di mulini a vento sia in Europa, sia in America, soprattutto per scopi di irrigazione. In seguito, con l'invenzione delle macchine a vapore, vennero abbandonati per il costo del carbone, allora a buon mercato. Negli anni settanta l'aumento dei costi energetici ha ridestato l'interesse per le macchine che utilizzano la forza del vento; così, molte nazioni hanno aumentato i fondi per la ricerca e lo sviluppo dell'energia eolica. Tra il 2000 e il 2006, la capacità mondiale installata è quadruplicata. Nel 2005 la nuova potenza installata è stata di 11.000 megawatt, nel 2006 di 15.000 e nel 2007 di 20.000 megawatt. Nonostante la crisi economica, il 2008 è stato un anno record per l'energia eolica, con oltre 27.000 megawatt di nuova potenza installata in tutto il mondo. Questa crescita esponenziale ha portato ad avere già alla fine del 2008 una potenza cumulata totale di oltre 120.000 megawatt, producendo elettricità pari ad oltre l'1,5% del fabbisogno mondiale di energia, e si prevede che già alla fine del 2009, si possa arrivare al 2%.

FUNZIONAMENTO E TIPOLOGIE

Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso,è attuato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi distinti in funzione del tipo di modulo base adoperato definito generatore eolico:

  • Generatori eolici ad asse verticale, indipendenti dalla direzione di provenienza del vento;
  • Generatori eolici ad asse orizzontale, in cui il rotore va orientato (attivamente o passivamente) perpendicolarmente alla direzione di provenienza del vento.

Generatotori eolici

I generatori eolici a partire dal 1985 hanno migliorato drasticamente il rendimento, dimensioni e costi. Tali generatori sono riusciti a passare da una produzione di pochi kilowatt di potenza a punte di 3 megawatt per i più efficienti e una produzione tipica del mercato di 1,5 MW, con una velocità del vento minima di 3-4 m/s. Un generatore sia ad asse verticale che orizzontale richiede una velocità minima del vento (cut-in) di 3-5 m/s ed eroga la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 m/s. Ad elevate velocità (20-25 m/s, velocità di cut-off) l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza. Il bloccaggio può avvenire con freni che bloccano il rotore o con metodi che si basano sul fenomeno dello stallo e "nascondono le pale al vento". Esistono anche generatori a pale mobili che seguono l'inclinazione del vento, mantenendo costante la quantità di elettricità prodotta dall'aerogeneratore, e a doppia elica, per raddoppiare la potenza elettrica prodotta. I generatori eolici possono essere silenziosi; il problema principale è la dimensione delle pale e la mancanza di generatori a micropale non visibili a occhio nudo che risolverebbero l'impatto negativo sul paesaggio. I giri al minuto dell'aerogeneratore sono molto variabili, come lo è la velocità del vento; ma la frequenza di rete deve essere costante a 50 hertz, perciò i rotori vengono collegati a una serie di inverter prima di immettere l'energia in rete. La cinematica del generatore eolico è caratterizzata da bassi attriti, assenza di surriscaldamento e di un sistema di refrigeranti (olio ed acqua) e un costo di manutenzione pressoché nullo. I principali produttori mondiali di aerogeneratori sono aziende tedesche e danesi: Vestas, Enercon, Siemens, Gamesa Eolica, GE Wind, Nordex, NedWind, Enron Wind. Sono circa 26 le aziende che producono gli aerogeneratori.


Generatore ad asse verticale

generatore ad asse verticaleUn generatore eolico ad asse verticale (VAWT, in inglese Vertical Axis Wind Turbines) è un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantità di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente. È una macchina molto versatile, adatta all'uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine di gigawatt (una sola turbina soddisfa il fabbisogno elettrico mediamente di circa 1000 case). Gli aerogeneratori tradizionali hanno, quasi senza eccezioni, l'asse di rotazione orizzontale. Questa caratteristica è il limite principale alla realizzazione di macchine molto più grandi di quelle attualmente prodotte: i requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentono di ipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di 180 metri. Queste dimensioni riguardano macchine per esclusiva installazione off-shore. Le macchine on-shore più grandi hanno diametri di rotore di 70 metri e altezze di torre di 130 metri. In una macchina così costruita il raggio della base supera i 20 metri. La velocità del vento cresce con la distanza dal suolo; questa è la principale ragione per la quale i costruttori di aerogeneratori tradizionali spingono le torri a quote così elevate. La crescita dell'altezza, insieme al diametro del rotore che essa rende possibile, sono la causa delle complicazioni statiche dell'intera macchina, che impone fondazioni complesse e costose e strategie sofisticate di ricovero in caso di improvvise raffiche di vento troppo forte. Macchine eoliche ad asse verticale sono state concepite e realizzate fin dal 1920. La sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (30%) ne ha di fatto confinato l'impiego nei laboratori. L'unica installazione industriale oggi esistente è quella di Altamont Pass in California, realizzata dalla FloWind nel 1997. L'installazione è in fase di smantellamento, a causa delle difficoltà economiche del costruttore, che è in bancarotta. Si è cercato di ottimizzare molto queste macchine, rendendole molto competitive; gli ultimi prototipi, funzionando in molte più ore l'anno rispetto a quelle ad asse orizzontale, hanno un rendimento complessivo maggiore. La turbina a vento di Savonius


Minieolico e microeolico

Sono piccoli impianti adatti ad un uso domestico o per integrare il consumo elettrico di piccole attività economiche. Solitamente per minieolico si intendono impianti con una potenza nominale fra 20 kW e 200 kW, mentre per microeolico si intendono impianti con potenze nominali inferiori ai 20kW. Per questi impianti di piccole dimensioni il prezzo di installazione risulta più elevato, attestandosi attorno ai 1500-3000 euro al kW, in quanto il mercato di questo tipo di impianti è ancora poco sviluppato; tra le cause, le normative che, a differenza degli impianti fotovoltaici, in quasi tutta Europa non ne sostengono la diffusione, a causa dei problemi di impatto paesaggistico delle turbine eoliche. Questi impianti possono sfruttare le specifiche condizioni del sito in cui si realizza l'installazione. Sono impianti adattabili, che riescono a sfruttare sia venti deboli che forti e che riescono ad intercettare le raffiche improvvise tipiche dell'Appennino. I generatori microelettrico hanno un impianto paesaggistico poco diverso da quello di un lampione dell'illuminazione pubblica oppure di un ripetitore della telefonia cellulare. Teoricamente, se si installassero 1000000 di aerogeneratori da 15 kW (come i Proven 35 oppure i Quietrevolution), con una densità di 20 turbine per km2 (reciproca distanza media di 200 metri), coprendo 50000 km2 (1/6 della superficie dell'Italia), soprattutto in isole, su colli, su crinali, gole, passi e valli di montagna, in zone agricole a meno di 30 km dal mare, si potrebbero generare mediamente 15 Gigawatt (circa il 20-30% dei consumi elettrici italiani), pari a quelli prodotti da 10 reattori nucleari EPR, ad un costo paragonabile, di circa 50000 milioni di euro. La costruzione in grande scala con catene di montaggio da parte di industrie efficienti (come quella automobilistica) potrebbe portare a riduzione dei costi unitari anche del 50%.


Eolico off-shore

eolico off-shoreCon l'espressione "eolico off-shore" si intendono gli impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi, per meglio utilizzare la forte esposizione alle correnti di queste zone. La Spagna ha effettuato uno studio di fattibilità della durata di un anno sull'intero territorio nazionale per determinare le aree maggiormente ventilate e con continuità, e quindi i siti candidati all'installazione di centrali di taglia medio-grande[5]. La Spagna ha esteso le misurazioni mediante centraline fisse e mobili anche a tutta la costa, oltre che a zone collinari e di montagna, preferendo l'eolico off-shore.
Dopo aver diffuso microimpianti nelle singole abitazioni, e un decentramento energetico, ora si realizzano pochi impianti centralizzati per la produzione di alcuni gigawatt per parco eolico. Ad Havsui, in Norvegia, sorgerà il più grande impianto eolico off-shore al mondo, che potrà fornire 1,5 gigawatt di potenza elettrica. Nel Regno Unito verrà realizzata un'estesa serie di generatori off-shore in grado entro il 2020 di produrre abbastanza corrente elettrica da alimentare le utenze domestiche. Il piano prevede impianti per 20 gigawatt che si aggiungeranno agli 8 gigawatt di impianti già deliberati. Nel 2008 il Fondo di inversioni della corona britannica, che possiede le aree marittine della Gran Bretagna, fino a circa 20 km dalla costa, con il programma Clipper's Britannia Project, ha deciso di investire in grandi aerogeneratori off-shore di potenza superiore ai 5 megawatt. Le turbine offshore flottanti potranno essere installate anche nei siti marini molto profondi. Imitando la tecnologia delle piattaforme petrolifere, le turbine eoliche galleggianti vengono installate in mare aperto e sfruttano i venti costieri. Il progetto usa un sistema di ancoraggio a tre punti (cavi in acciaio ancorati al fondale), simile a quello utilizzato nelle piattaforme petrolifere. La Hydro, società norvegese che opera nel settore energia, ha collocato un prototipo di questa turbina vicino Karmøy, isola a sud est della Norvegia ed eventualmente vicino ad una installazione petrolifera con l'obiettivo di rifornirla di energia rinnovabile.


Sistema ibrido eolico-idrogeno

L'energia eolica ha una natura intermittente, che ha condotto a numerosi metodi di immagazzinamento dell'energia, inclusa la produzione di idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua. L'idrogeno è susseguentemente usato a generare elettricità quando la domanda d'energia non può essere sostenuta solo dal vento. L'energia immagazzinata nell'idrogeno viene convertita in energia elettrica attraverso celle a combustibile o con un motore a combustione collegato a un generatore elettrico. In Danimarca, a maggio 2007 è stata costruita la prima centrale europea a eolico-idrogeno.

Eolico d'alta quota

eolico alta quotaProposte innovative prevedono la realizzazione del cosiddetto eolico d'alta quota, che sfrutta i venti di alta quota. Tra i progetti attualmente allo studio o in fase di realizzazione troviamo il Kite Wind Generator, il cui funzionamento si ispira a quello del kitesurfing. Questo sistema elimina i problemi statici e dinamici che impediscono l'aumento della potenza (cioè delle dimensioni) ottenibile dagli aerogeneratori tradizionali. Il problema di "catturare" il vento è risolto dall'idea di impiegare profili alari di potenza (Power Kites) solidali al perimetro della turbina. I profili alari di potenza volano secondo traiettorie prestabilite, che permettono di trasformare la forza esercitata sui cavi in una coppia complessiva concorde che mette in rotazione le braccia di una giostra ad asse verticale. In pratica, i profili alari di potenza sono le pale della turbina, che le consentono di ruotare intorno ad un asse verticale, semplificando enormemente i problemi di fondazione e di rigidezza. Nell'agosto 2006 è stato costruito un primo prototipo dal nome Mobilegen. La Twind Technology si basa sull'utilizzo di una coppia di palloni aerostatici che stazionano a quote superiori agli 800 metri e frenati a terra da cavi che fungono anche da elemento di trasmissione del moto. Quando un pallone viene trascinato orizzontalmente dalla forza del vento che spinge sulla superficie della sua vela aperta, l'altro pallone, a vela chiusa, viene riportato sulla verticale della piattaforma trainato dallo stesso cavo collegato al primo pallone. Al termine dello srotolamento del cavo, giunto a fine corsa, un meccanismo automatico opera la chiusura delle ali a vela del primo pallone e opera l'apertura delle ali a vela del secondo; in questo modo le funzioni dei due palloni si invertono replicando la stessa dinamica. Questa tecnologia permette di ottenere energia mediante il continuo movimento alternativo del cavo agganciato a due palloni aerostatici. Un altro progetto allo studio è lo Skymill, un generatore ad asse orizzontale la cui innovazione consiste nel posizionamento del generatore, e quindi della parte più pesante, direttamente a terra. Il rotore invece è in quota e viene collegato al generatore tramite un cavo speciale che trasmette la rotazione tra i due elementi. Il rotore, costruito con materiali molto leggeri, è sostenuto dal vento stesso tramite una vela insieme ad un pallone aerostatico che serve solo in totale assenza di vento o durante le operazioni di manutenzione per sollevare o portare a terra il sistema. Ciò consente di arrivare a quote più alte dei generatori orizzontali tradizionali e di conseguenza ad una producibilità maggiore.



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