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L'energia eolica. Scheda informativa Stampa E-mail
Tecnologie
di Martina Glover   
 

Il potere di Eolo al servizio delle Rinnovabili

 

L'energia solare assorbita dalla Terra induce moti ascendenti e di espansione dell'aria che originano zone di alta e bassa pressione, creando delle correnti d'aria (venti) che possono essere sfruttate per la produzione di energia, detta “eolica” da Eolo, il mitologico dio greco dei venti.

 

Circa il 2% dell'energia solare che raggiunge la Terra si trasforma in energia eolica. Una percentuale apparentemente modesta, che però rappresenta oltre 100 volte il totale degli attuali consumi energetici mondiali.

 

Non tutta questa potenzialità è ovviamente sfruttabile dall'uomo, che può al massimo catturare una frazione dell'energia eolica contenuta nei primi 200 metri di atmosfera e con venti di velocità in genere compresa tra i 4 e i 25 metri/secondo. Pur con queste limitazioni, tuttavia, l'energia eolica resta teoricamente in grado di soddisfare l'intero fabbisogno energetico.

Come per le altre forme di energia solare, però, sussistono notevoli
limitazioni: bassa intensità energetica, discontinuità, aleatorietà e distribuzione non uniforme sul territorio.

Ciò non toglie che da almeno 4.000 anni l'uomo abbia imparato ad utilizzare vantaggiosamente l'energia dei venti: prima per navigare, poi per irrigare e per ottenere forme di energia meccanica, utile alla lavorazione di vari prodotti.

Peraltro,
anche nell’ultimo secolo lo sviluppo dell’energia eolica è stato maggiore di quanto non si creda. Negli Stati Uniti, ad esempio, nell'ambito del Rural Electrification Program degli anni '30, l'uso di piccoli aerogeneratori per la produzione elettrica si diffuse notevolmente, tanto che queste macchine, costruite in qualche milione di esemplari (alcuni stimano 6 milioni) divennero parte integrale del paesaggio rurale ove la rete elettrica non giungeva. Parallelamente venne installato un numero quasi equivalente di giranti eoliche a molte pale per il sollevamento dell’acqua. Come del resto in Europa, dove nella prima metà del ‘900 sono state realizzate decine di migliaia di pompe eoliche per l’acqua, i cui tralicci, sormontati dai tipici giranti multi-pala, sono rimasti una visione frequente nelle campagne fino ad anni recenti.

Dopo la seconda guerra mondiale, i programmi di sviluppo della fonte eolica, anche per usi agricoli, hanno subito la concorrenza dei bassi prezzi del petrolio e sono stati ovunque praticamente abbandonati. Per lo meno fino alla prima grande crisi energetica (1973), allorché l'impennata dei prezzi petroliferi e considerazioni di ordine ambientale ne hanno rinnovato l'interesse.

Oggi, in ragione dei progressi sostanziali nella tecnologia e nei materiali,
quella eolica è una tecnologia da considerare matura e prossima a raggiungere la piena competitività economica.

Non meno importanti sono poi ragioni di tipo politico e ambientale, legate in particolare all’esigenza di coprire quote crescenti della domanda energetica con fonti a zero emissioni di CO2, che ne stanno favorendo lo sviluppo in quasi tutti i Paesi del mondo.

 

La generazione elettrica del vento

 

In effetti lo sviluppo dell’energia eolica per la generazione elettrica sta progredendo in modo molto accelerato. Al 2012, la potenza globalmente installata ammonta a quasi 280.000 MW (il doppio di quella 2008), pari all’1,5% della domanda elettrica mondiale e sufficiente a soddisfare il fabbisogno basilare di 450 milioni di persone.

Circa il 99% della generazione eolica è assicurata da impianti a terra, anche se la capacità in mare (off-shore) è attesa crescere rapidamente nei prossimi anni rispetto ai 4.600 MW installati in dodici Paesi a metà 2012.


Fonte: Global Wind Energt Council (GWEC)


A
livello di singoli Paesi, la Top Ten della potenza eolica installata è guidata prepotentemente dalla Cina (67.774 MW), con 17.600MW installati nel 2012, pari a quasi il 44% del mercato mondiale nell’anno. Il mercato cinese si conferma quindi come il principale mercato dell’energia eolica mondiale, nonostante unl notevole calo mostrato rispetto al 2010.


Fonte: World Wind Energy Association, Half-year report 2012

 


Seguono gli
USA (49.802 MW) che nel 2011 hanno installato 6.800 MW, scalzando così la Germania (30.016 MW) che passa in terza posizione. Quarta la Spagna (22.087 MW), seguita dalIndia (9.645), Italia (3.736), Francia (3.404 MW) e Gran Bretagna (3.241 MW).

 

Le tecnologie di Eolo


Le macchine eoliche possono essere classificate in due grandi famiglie:

 

  • ad asse orizzontale, quando l'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento e le pale ruotano perpendicolarmente ad esso;

  • ad asse verticale, quando il rotore è perpendicolare alla direzione del vento;

Sono ad asse orizzontale, per esempio, i classici mulini a vento olandesi o anche le girandole dei bambini. Tipico esempio di rotore ad asse verticale è invece costituito dal sistema a coppette utilizzato in meteorologia per misurare la velocità del vento.

Le macchine ad asse verticale sono maggiormente adatte a sfruttare venti di direzione variabile e richiedono sistemi di controllo meno complessi. Quelle ad asse orizzontale hanno invece bisogno di sistemi molto complicati di controllo su ogni variabile in gioco, ma hanno il grande vantaggio di un maggiore rendimento aerodinamico. Per questo motivo
gli attuali impianti eolici vengono realizzati quasi esclusivamente con macchine ad asse orizzontale.

Si tratta di
macchine molto sofisticate (ormai quasi solo a tre pale), realizzate con materiali idonei a resistere a sollecitazioni che in alcune occasioni sono confrontabili a quelle delle ali di aeroplani. Le estremità delle pale possono infatti raggiungere velocità superiori anche di cinque volte a quella del vento, cosa che, nel caso di venti particolarmente forti o di raffiche anomale, farebbe raggiungere alle punte velocità prossime a quelle supersoniche. Nessun aerogeneratore resisterebbe a tali sollecitazioni se non fosse munito di sofisticati dispositivi automatici di controllo, orientamento, frenatura o di messa in "panne". 

Dal punto di vista della potenza gli aerogeneratori offrono grande versatilità: piccole macchine da 1,5- kW fino a qualche decina di kW si prestano per l'alimentazione di utenze isolate o di attività varie, eventualmente con sistemi di accumulo dell’energia. Macchine con taglia maggiore possono essere collegate in serie a costituire centrali eoliche con potenze di decine o centinaia di MW.

Nelle zone con reti elettriche poco sviluppate o poco evolute di norma si utilizzano aerogeneratori da 600-800 kW.
Le moderne centrali vengono però preferibilmente realizzate con macchine da 2 MW circa.

Sono in servizio anche macchine di potenza molto maggiore. Nel 2012, il parco eolico off-shore di Thornton Bank (inaugurato in Belgio nel 2009), è stato ampliato con aerogeneratori di circa
7 MW (capacità nominale 6,15 MW): giganti con il pilone di sostegno alto 130 metri e con diametro del rotore di 126 metri.

Quelle da 7 MW sono fino ad ora le macchine di maggiore taglia, ma sono già in sviluppo turbine da 10 MW (destinate ad usi prevalentemente off-shore), i cui primi prototipi sono in fase di sperimentazione.

Le centrali off-shore
pongono problemi tecnologici del tutto particolari, per l’ambiente aggressivo, l’eventuale distanza dalle coste, le difficoltà di manutenzione, l’esigenza di realizzare solidi basamenti sul fondale marino nonché creare linee elettriche subacquee per il trasporto dell'elettricità sulla terraferma. Questi  ultimi due elementi, tra l’altro, fanno lievitare non poco i prezzi, potendo incidere fino al 50% sul costo totale degli impianti. Per tutti questi motivi gli impianti off-shore richiedono investimenti notevolmente superiori rispetto a quelli a terra, in alcuni casi anche del 200%, benché grazie alle condizioni favorevoli del vento in alto mare, forte e costante grazie all'assenza di ostacoli, abbiano poi una produzione media di circa il 50% superiore.

Da notare che l’esigenza di impiantare gli aerogeneratori sul fondale marino limita molto le possibilità di sviluppo della tecnologia. Gli attuali impianti off-shore possono infatti essere realizzati solo in aree marine con fondali di profondità non superiore ai 60-70 metri.

Oltre che ad accrescere la taglia degli impianti, la ricerca punta a migliorarne l’efficienza
tramite materiali più leggeri e nel contempo più resistenti, profili delle pale specializzati per diverse caratteristiche dei venti e semplificazione dei componenti. Riguardo quest’ultimo punto, di grande interesse sono alcuni prototipi di nuovi generatori che non prevedono il moltiplicatore di giri (l’apparato meccanico che converte la velocità di rotazione del rotore al numero di giri necessario al generatore), che è il componente più critico dal punto di vista della resistenza e quindi il più soggetto a rotture. L’innovazione, rispetto a esperienze passate, è che in questo caso il moltiplicatore viene eliminato senza rendere il generatore del tutto solidale all’asse del rotore. L’assenza del moltiplicatore implica peraltro un notevole alleggerimento di tutto l’impianto, e anche il minor peso vuol dire minori costi per una macchina che deve lavorare sorretta da un pilone a quasi 100 metri di altezza.

Nel caso delle macchine off-shore
la ricerca è prevalentemente orientata a trovare soluzioni alternative all’esigenza di impiantare gli aerogeneratori sul fondale, ovvero a far si che gli impianti possano essere realizzati praticamente in ogni mare (tenendo presente che più ci si allontana dal litorale, maggiori sono i costi del collegamento elettrico, tanto più per parchi composti anche da centinaia di aerogeneratori). Sono state proposte diverse soluzioni, di cui almeno due in sviluppo con prospettive allettanti.

Nel luglio 2009 Statoil Hydro ha installato a 10 km dalle coste norvegesi un prototipo di
aerogeneratore autonomamente galleggiante da 2,3 MW, denominato Hywind. Il galleggiamento è garantito dallo stesso pilone su cui è installata la pala eolica, che nella parte inferiore è cavo e si estende per circa 100 metri al di sotto della superficie del mare, sul cui fondale è ancorato con tre cavi di acciaio. In questo modo Hywind è praticamente utilizzabile in tutti i fondali con profondità compresa tra 120 e 700 metri, cosa che evidentemente moltiplica i possibili siti utilizzabili. Dal 2009 al 2012, il prototipo ha prodotto 23GWh e permesso di identificare le migliorie che saranno apportate nella futura versione dell’ Hywind.




Le seconda soluzione è denominata
Windfloat e rappresenta l’ultima frontiera nel settore dell’energia eolica in alto mare. Brevettata dall’azienda americana Principle Power, la nuova tecnologia prevede una particolare struttura flottante, composta da tre colonne galleggianti solidali tra di loro, in grado di ospitare turbine di qualsivoglia potenza. L’impianto può essere posizionato in qualsiasi sito marino, purché di profondità superiore ai 50 metri.

Premiata di recente con gli Renewable Energy Awards come
“Innovazione tecnologica dell’anno 2011”, la prima turbina da 2 MW, costata 23 milioni di euro, è stata installata a circa 350 chilometri al largo della costa del Portogallo ed è entrata in funzione, ancora in via sperimentale, nel dicembre 2012.

 


 

Prospettive di sviluppo del settore eolico


L’eolico è la “nuova” fonte di energia da cui è atteso il maggior contributo alla generazione rinnovabile nel medio termine. Quanto meno per i prossimi 15-20 anni, in attesa che raggiunga grandi numeri anche la generazione fotovoltaica ed eventualmente quella da solare termodinamico.

Benché gli impianti si moltiplichino e non manchi giorno che venga annunciato un nuovo grande progetto da centinaia di MW, in realtà, in un’ottica globale, la produzione eolica è ancora poco più che marginale (1,5%) rispetto alla domanda mondiale di energia elettrica.

Le previsioni di crescita sono però rilevantissime anche nel breve termine.

Per il futuro del settore eolico, il rapporto annuale 2012 dell’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA) prevede, nell’ambito di uno scenario di sviluppo moderato, una crescita della capacità eolica installata nel mondo al 2020 di 587.000 MW; un contributo nella copertura della domanda elettrica mondiale stimato intorno al 6%.

In base ad un altro rapporto, la
Technology Road Map: Wind Energy 2050, nel quale analizza tutte le possibili varianti (tecnologiche, economiche, sociali, burocratiche eccetera) che possono incidere nello sviluppo dell'eolico a livello mondiale , la IEA ritiene che l’industria eolica debba porsi l’obiettivo «ambizioso, ma non impossibile» di installare 2 milioni di MW al 2050, che equivarrebbe alla copertura del 12% della domanda elettrica attesa a quella data

A tal fine saranno necessari investimenti per 3.200 miliardi di dollari (un incremento medio annuo del 75% rispetto agli investimenti attuali) e la realizzazione di una media di 47.000 nuovi MW l'anno.

In questo scenario i nuovi impianti saranno localizzati soprattutto nei Paesi non industrializzati, ove l'IEA prevede che sarà prodotto il 17% della generazione eolica mondiale al 2030, e il 57% al 2050.


Fonte: IEA,  Energy Technology Perspectives 2012


Per quanto riguarda i costi, la maggiore diffusione, gli sviluppi tecnologici e le economie di scala consentiranno di ridurre l'ammontare degli investimenti del 23% per MW installato entro il 2050. La riduzione sarà maggiore (38%) nel caso degli impianti off-shore.

Affinché questo scenario possa realizzarsi secondo l’IEA è urgente la definizione di obiettivi di lungo termine, da sostenere grazie a meccanismi di incentivazione chiari e affidabili nel tempo. Inoltre dovrà essere fatto un forte sforzo per favorire l'accettazione sociale delle turbine eoliche da parte della popolazione. In particolare sensibilizzando i cittadini sui vantaggi dell'eolico, ovvero: riduzione delle emissioni, sicurezza degli approvvigionamenti energetici e possibilità di crescita economica.

 

I commenti dei visitatori

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