Nozioni generali Generatori eolici Ricerca e sviluppo Quadro del settore Notizie sulla energia eolica
Nozioni generali
 L'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in elettrica. Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto costo/produzione è stata anche la prima fonte energetica rinnovabile usata dall'uomo.
Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso, è attuato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi ben distinti:
Generatori eolici ad asse verticale
Generatori eolici ad asse orizzontale
Essa è pensata tenendo presente sia una produzione centralizzata in impianti da porre in luoghi alti e ventilati, sia un eventuale decentramento energetico, per il quale ogni Comune ha impianti di piccola taglia, composti da un numero esiguo di pale (1-3 pale da 3-4 megawatt) con le quali genera in loco l'energia consumata dai suoi abitanti. Il tempo di installazione di un impianto è molto breve; fatti i rilievi sul campo per misurare la velocità del vento e la potenza elettrica producibile, si tratta di trasportare le pale eoliche e fermarle nel terreno. Il tempo di progettazione e costruzione di altre centrali (idroelettriche , termoelettriche,etc.) è superiore a 4 anni.
Nonostante le intenzioni siano le migliori, la mancanza di una legge quadro o di un testo unico sulle energie eoliche, diversamente dal solare, è considerata una delle cause della lenta diffusione della tecnologia rispetto all'estero. Benché l'eolico sia l'energia meno costosa, non è né massicciamente richiesto dai produttori elettrici che potrebbero rivenderlo al costo del kWh attuale con maggiori profitti, né è la prima quantità d'energia ad essere venduta nella Borsa elettrica che pur abbina domanda e offerta di energia in base al prezzo del kWh elettrico (l'eolico, avendo il prezzo per kWh più basso e conveniente, dovrebbe collocarsi subito).
 L'eolico è l'energia meno costosa attualmente disponibile. Un reattore nucleare da 1600 megawatt costa 2,5 mld di euro (dunque, 1.56 euro al watt). All'opposto una pala eolica da 3 megawatt costa 3 mln di euro: l'eolico costa in generale circa 1 euro/watt, circa il 50% in meno. Si calcola che diversi siti italiani potrebbero avere installate migliaia di pale eoliche come la centrale di Varese Ligure (nella foto) e generare una potenza elettrica di 3 gigawatt, come quella che può produrre una centrale nucleare a 4 reattori.
Oltre ad avere il costo d'istallazione più basso, ha anche il costo di esercizio (o costo di produzione) più basso: 3-4 centesimi di euro al kW contro i 4 del carbone , e i 6 o più del petrolio il cui prezzo al barile varia con continuità e rende difficile il calcolo. Tale costo d'esercizio è tipicamente basso -circa cioè 30.000 volte inferiore al costo d'acquisto- poiché la fonte energetica-vento è gratuita. Anche il nucleare non costa meno, considerando i costi di stoccaggio delle scorie e quelli di smantellamento del reattore. Il Dipartimento per l'energia per il mercato statunitense calcola un costo complessivo di produzione da nucleare superiore ai 6 centesimi di usd (circa 5 eurocent) al kWh.
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Generatori eolici
I generatori eolici nell'arco degli ultimi 20 anni hanno migliorato drasticamente rendimento, dimensioni e costi e continuano a farlo: ecco perché i numeri dati in seguito sono da ritenersi provvisori. Tali generatori sono riusciti a passare da una produzione di pochi chilowatt di potenza, a punte di 3 Megawatt per i più efficienti e una produzione tipica del mercato attuale di 1,5 MW, con una velocità del vento di 3-4 m/s. Considerando che la massima corrente erogata alle utenze domestiche è di 3 chilowatt, una pala è in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di circa 1000 utenze domestiche, corrispondenti 4000-4500 persone (considerando 4 abitanti medi per nucleo famigliare) e alle dimensioni medie di un comune italiano. Questi standard sono raggiunti sia da aerogeneratori orizzontali che verticali.
Un generatore sia ad asse verticale che orizzontale richiede una velocità minima del vento di 3-5 metri/sec ed eroga la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 metri/sec. Ad elevate velocità (20/25 metri al secondo) l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.
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. Non mancano generatori silenziosi; il problema principale resta la dimensione delle pale e la mancanza di generatori a "micropale" non visibili a occhio nudo che risolverebbero l'impatto negativo sul paesaggio.
Una notevole potenza elettrica viene dissipata nel rotore che deve avere una velocità di 3000 giri/minuto per erogare una corrente alla frequenza di rete di 50 hertz. 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. Ecco perché il rendimento elettrico di tale dispositivo può essere considerato simile all'efficienza del motore ad aria compressa, intorno al 70%. 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 tedeschi e danesi: Enercon, Vestas, Bonus, Bus, Nordex, NedWind, GE Wind, Enron Wind, Neg Micon: sono circa 26 le aziende che producono gli aerogeneratori. Sono tutte tedesche e danesi, a parte le divisioni "wind" d'alcune holding internazionali.
Generatori ad asse orizzontale
Un generatore eolico ad asse orizzontale (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbines) è formato da una torre in acciaio di altezze che si aggirano tra i 60 e i 100 metri sulla cui sommità si trova un involucro (gondola) che contiene un generatore elettrico azionato da un rotore a pale lunghe circa 20 metri (solitamente 2 o 3). Esso genera una potenza molto variabile: tipicamente 600 chilowatt che equivale al fabbisogno elettrico giornaliero di 500 famiglie.
Il mulino a vento è un esempio storico di generatore ad asse orizzontale. Come i generatori ad asse verticale anche quelli ad asse orizzontale richiedono una velocità minima di 3-5 metri/sec ed erogano la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 metri/sec. Ad elevate velocità (20/25 metri al secondo) l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.
 Le turbine ad elica hanno una elica. La pala dell'elica, come un'ala sottile offre una resistenza minima all'avanzamento, non crea turbolenze pericolose, ha una portanza elevata: tutto ciò si traduce in un alto coefficiente di potenza e in velocità di rotazione molto alte (alcuni rotori hanno eliche con velocità periferiche vicine a quelle del suono).
In conseguenza dell'alta velocità di rotazione tipica di queste macchine è possibile accoppiare dei generatori di elettricità, direttamente o con ingranaggi molto modesti, evitando che la gran parte della potenza estratta sia dissipata in trasmissioni complicate caratterizzate da elevati rapporti di trasmissione.
L'elica , per poter avere un rendimento costante ed elevato, deve sempre potersi orientare nel vento. I metodi utilizzati sono due: con un timone di opportune dimensioni che orienta tutto il complesso (elica controvento o up-wind ), oppure , ponendo l'elica posteriormente al complesso generatore-perno di rotazione e utilizzando la coppia giroscopica del motore stesso per orientare il mulino (elica sottovento o down-wind).
L'elica ha un profilo aerodinamico facilmente ricavabile da libri e pubblicazioni molto diffuse; in pratica per applicazioni modeste vengono impiegati profili standard.
 Le turbine multiple hanno un rotore è costituito da un alto numero di pale in lamiera metallica, generalmente 18 o più, disposte a raggiera su un mozzo e ad angolo rispetto al piano di rotazione, come una grande ventola. Il diametro medio è di circa 1.5-3 metri. La rotazione dell'asse viene trasformata in moto alternativo per mezzo di un albero a gomito, oppure rinviata alla base del traliccio tramite una coppia di ingranaggi conici. Questo tipo di mulini viene utilizzata nella grande maggioranza dei casi per pompare acqua dai pozzi. Il rotore è rigido e la sua superficie ed inclinazione non possono essere variate al variare della forza del vento; infatti oltre ad una certa velocità deve essere fermato manualmente oppure piegato in modo da disporre il rotore parallelo alla direzione del vento. Il grande numero di pale comporta una solidity elevata, per cui si ha una coppia molto alta anche a basso numero di giri; è sufficiente un vento debole per far lavorare il rotore in condizioni ottimali. Le pale sono leggermente incurvate e con angolo di calettamento variabile dal mozzo all'estremità. Per micro-generatori si possono utilizzare un numero inferiore di pale sagomate.
 Generatori ad asse verticale
Un generatore eolico ad asse verticale 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. Č una macchina molto versatile, adatta all'uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine di Gigawatt.
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, per altro, 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 siffatta 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.
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Ricerca e sviluppo
 Negli ultimi tempi si è cercato di ottimizzare queste macchine, rendendole molto competitive: taluni asseriscono che gli ultimi prototipi, funzionando in molte più ore l'anno rispetto a quelle ad asse orizzontale, hanno un rendimento complessivo maggiore.
Esiste infatti in Italia un progetto radicalmente innovativo (il prototipo è ancora in fase di costruzione) che consiste proprio in una centrale eolica ad asse di rotazione verticale. Si tratta del Kite Wind generator (http://www.kitewindgenerator.com). Questo elimina tutti 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 la turbina 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 rigidità. Sei profili alari di potenza controllati automaticamente sono in grado di tenere in rotazione una turbina di 1.600 metri di diametro alla velocità di 15 giri all’ora, il che permette di generare la potenza di 1 GigaWatt, l'equivalente di una centrale nucleare di media potenza a un costo 40 volte inferiore (80 milioni di euro contro i 2,5 miliardi per la costruzione e 0,5 miliardi per lo smantellamento di una centrale nucleare, oltre al costo di stoccaggio/smaltimento delle scorie radioattive).
 L’ulteriore vantaggio dei profili alari di potenza risiede nel fatto che la lunghezza del cavo può permettere loro di raggiungere altezze di 500 o 600 metri, dove il vento può essere due o tre volte più veloce, senza introdurre criticità strutturali. Infatti l’altezza della sommità del corpo centrale è irrilevante ai fini della produzione di energia. Si considera opportuno che sia di almeno 30 metri, per consentire attività sull’area sottostante (agricoltura, pascolo o navigazione, nel caso di installazioni off-shore). In ogni caso si pensa che la tecnologia dei generatori ad asse verticale, quando matura, soppianterà quella ad asse orizzontale, come del resto sta già in parte accadendo.
Un'altro progetto interessante è stato sviluppato da Fred Ferguson (www.magenn.com). Si chiama Magenn Power Air Rotor System (MARS) e rappresenta una specie di grande pallone gonfiato con elio che si alza in alto (altezze da 150 a 600 m) e girando produce l'energia elettrica. Oltre all'elio il pallone sarà tenuto in aria dall'effetto Magnus quando girando le pale producono una spinta verso l'alto.
Si stima che già nel 2006 ci saranno in commercio sistemi di questo tipo con potenze 4kW. Si prevede che il sistema da 4 kW produrrà l'elettricità al costo di circa 9 eurocents al kWh.
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Quadro del settore
 I sistemi eolici sono, tra le fonti di energia rinnovabile, quelli che hanno avuto il maggior sviluppo negli ultimi anni e sono sempre meno, anche tra gli ambientalisti, gli oppositori a tali sistemi mentre sono sempre maggiori gli studi che mettono in evidenza quale enorme potenziale è offerto dall'energia cinetica del vento. In uno studio per quantificare le risorse d'energia eolica mondiali, titolato" Wind Force 12", la European Wind Energy Association e Greenpeace concludono che il potenziale mondiale d'energia generabile dal vento sarebbe addirittura il doppio della domanda d'elettricità mondiale prevista per il 2020. Il vento è abbondante, economico, inesauribile, ampiamente distribuito, non danneggia il clima ed è pulito. Anche i costi sono scesi, e ora sono ben più favorevoli.
Nel 1991 un inventario nazionale per la risorsa eolica presentato dal dipartimento statunitense dell'energia meravigliò il mondo dichiarando che i tre Stati più ricchi di tale risorsa (Nord Dakota, Kansas e Texas) avevano abbastanza energia eolica da soddisfare i bisogni energetici nazionali. Ora un nuovo studio condotto da un team d'ingegneri dell'Università di Stanford sostiene che l'energia eolica potenziale è notevolmente maggiore di quella stimata nel 1991.
I progressi nel disegno delle turbine eoliche degli ultimi 10 anni permettono a queste di operare anche a velocità del vento inferiori, imbrigliando una quantità maggiore di energia e raccogliendola ad altezze maggiori, aumentando la quantità di energia eolica sfruttabile. Moltissimi territori potrebbero essere utilizzati per generare energia eolica in aree scarsamente popolate, regioni ventose come le grandi pianure del Nord America, il nordovest della Cina, la Siberia Orientale e le regioni argentine della Patagonia, oltre all'enorme potenziale degli impianti offshore.
La capacità eolica nel mondo ha superato a fine 2004 i 47 GW installati; ma la crescita
rilevata negli ultimi dieci anni, con un aumento totale nel periodo del 30% circa, ha fatto
segnare per la prima volta nel 2004 una flessione (intorno al 5%) rispetto alla potenza
installata nell’anno precedente. In Europa, invece, sono stati installati nel 2004 impianti per
una potenza di oltre il 20% superiore a quella installata nel 2003. Con una nuova capacità installata nel 2004 di 357 MW di impianti connessi alla rete elettrica,
il parco eolico italiano arriva, alla fine del 2004, a 1.265 MW, con 1.880 aerogeneratori
connessi alla rete e collocandosi in Europa dopo Germania, Spagna e Danimarca e poco prima
dell’Olanda. La significativa ripresa delle installazioni si è concentrata negli ultimi mesi del
2004 contribuendo ad una produzione complessiva di elettricità da fonte eolica di poco
superiore a 1,8 TWh, con una crescita del 25% circa rispetto al 2003.
Tale ripresa sembra proseguire nel primo semestre 2005, che ha visto la realizzazione di nuovi
impianti per 225 MW.
 Il contributo dell’eolico alla produzione nazionale di energia elettrica da fonti rinnovabili non solo è in costante crescita, ma è anzi quello che ha registrato il maggiore incremento nell’ultimo decennio. In particolare, nello scenario nazionale che vede un forte sviluppo di campi eolici nelle Regioni meridionali, Enel - che con l’impianto sperimentale dell’Alta Nurra, in provincia di Sassari, ha dato vita nel 1984 al primo campo eolico italiano - sta perseguendo con tenacia il proprio programma di sviluppo dell’energia eolica (in modo particolare in Sicilia e Sardegna), nell’ambito di una strategia che assegna alle fonti rinnovabili un ruolo crescente nel mix di generazione di energia elettrica.
Uno studio condotto dal CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), assieme ad ENEA (Ente per le nuove tecnologie, l'energia e l'ambiente) e Università degli Studi di Roma "La Sapienza" CIRPS (Centro interuniversitario di ricerca per lo sviluppo sostenibile) ha reso noto che la potenza installabile di centrali eoliche in Italia è di circa 15.000 MW, senza dover creare impatto ambientale eccessivo. Questo studio si basa sulle "fattorie del vento" o "campi eolici" con aerogeneratori dai 0,5 a 1,5 MW di potenza, non prende in considerazione la potenzialità dei microgeneratori da pochi kW, che attualmente non sono sviluppati ed incentivati, e non prende in considerazione possibili evoluzioni dei sistemi eolici più innovativi che potrebbero dare rendimenti maggiori fino al 50%.
Il costo dell'energia generata in siti con buona ventosità è già competitivo rispetto a quello dell'elettricità prodotta con impianti tradizionali che utilizzano combustibili fossili, anche senza tenere conto dei costi evitati, legati all'assenza di emissioni nocive. Le risorse disponibili ed utilizzabili nel mondo sono valutate in grado di fornire una producibilità circa quattro volte superiore ai totali consumi elettrici mondiali del 1998. Questo potenziale potrebbe essere ulteriormente accresciuto dallo sviluppo di installazioni off shore, collocate al largo delle coste. In un'ottica di sfruttamento su larga scala dell'energia eolica, l'installazione di aerogeneratori in siti marini presenta infatti indubbi vantaggi, riconducibili ad una maggiore disponibilità di spazi e ad una migliore qualità del vento.
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Fonti: www.enea.it, www.enel.it, www.energoclub.it, www.greencrossitalia.it
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