Energia rinnovabile: Energia Eolica – Generatori 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 generatori 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 variabili in base alla 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 quasi 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 eolico ad asse verticale

Un generatore eolico ad asse verticale (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 (una sola turbina soddisfa il fabbisogno elettrico mediamente di circa 1000 case).

Gli aerogeneratori tradizionali hanno, 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 linitato l’impiego nei laboratori. L’unica installazione industriale oggi esistente è quella di Altamont Pass in California, realizzata dalla FloWind nel 1997.

Si è cercato di ottimizzare 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 è un tipo di turbina a vento ad asse verticale, utilizzata per la conversione di coppia dell’energia del vento su un albero rotante. Inventata dall’ingegnere finlandese Sigurd J. Savonius nel 1922 e brevettata nel 1929, è una delle turbine più semplici.

Generatore eolico ad asse orizzontale

Un generatore eolico ad asse orizzontale (in inglese Horizontal Axis Wind Turbines) è formato da una torre in acciaio di altezze 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. Esso genera una potenza variabile, tipicamente 600 chilowatt, che equivale al fabbisogno elettrico giornaliero di 500 famiglie o di 1.000 case.

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 m/s ed erogano la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 m/s. Ad elevate velocità (20/25 m/s) l’aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.

Tipologie di generatori eolici

Minieolico e microeolico

Sono piccoli impianti adatti ad un uso domestico o per integrare il consumo elettrico di piccole attività economiche.
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 1.500-3.000 euro al kW, in quanto il mercato di questo tipo di impianti è ancora poco sviluppato; un atra le principali cause sono 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 o di un ripetitore della telefonia cellulare.

Teoricamente, se si installassero 1.000.000 di aerogeneratori da 15 kW, con una densità di 20 turbine per km2 (reciproca distanza media di 200 metri), coprendo 50.000 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 elettroci italiani), pari a quelli prodotti da 10 reattori nucleari EPR, ad un costo paragonabile, di circa 50.000 milioni di euro.

La costruzione in grande scala con catene di montaggio da parte di industrie efficienti potrebbe portare a riduzione dei costi unitari anche del 50%.

Eolico off-shore

Con “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 ideali all’installazione di centrali. 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 successivamente 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

Proposte innovative prevedono la realizzazione del cosiddetto eolico d’alta quota, che sfrutta i venti di alta quota.

Tra i progetti attualmente in 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 ottenibile dagli aerogeneratori tradizionali. Il problema di “catturare” il vento è risolto dall’idea di impiegare profili alari di potenza 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, 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 in 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.