EOLICA, ENERGIA
EOLICA, ENERGIA
(v. motore, XXIII, p. 976; aeromotore, App. II, I, p. 33; elettrica, energia, App. II, I, p. 829; e in questa Appendice)
L'e. e., cioè l'energia contenuta nelle masse d'aria che si muovono in senso orizzontale nella bassa atmosfera per effetto del diverso riscaldamento della terra e dell'atmosfera in funzione della latitudine e della quota e per effetto della rotazione della terra, è una forma di energia rinnovabile a bassa densità e molto variabile nel tempo e nello spazio; essa è, tra tutte le energie rinnovabili, quella attualmente con maggiori prospettive di competitività.
Volendo utilizzare questo tipo di energia, occorre tener conto di alcune caratteristiche fondamentali del vento:
a) l'aria è un fluido di bassa densità, e pertanto le dimensioni dei dispositivi atti a convertire l'energia cinetica del vento in altre forme direttamente utilizzabili di energia sono inevitabilmente rilevanti;
b) intensità e direzione del vento sono abbastanza casuali, e gli unici dati sufficientemente ripetibili sono i valori medi annuali; la distribuzione di frequenza della velocità del vento in un determinato periodo può essere rappresentata con sufficiente accuratezza con una funzione di Weibull;
c) l'intensità del vento cresce con l'altezza dal suolo, e in prossimità del suolo è fortemente influenzata dall'orografia del terreno;
d) la potenza disponibile nella vena fluida è direttamente proporzionale al cubo della velocità del vento, il che significa che la velocità media annua del vento è un elemento estremamente critico nella scelta del sito per un impianto di utilizzazione dell'e. e.; non è inoltre possibile estrarre dalla vena fluida tutta l'energia disponibile, e il limite teorico (limite di Betz) è pari al 59% circa dell'energia disponibile.
L'e. e. costituì, prima dell'avvento della macchina a vapore e, successivamente, del motore a scoppio ed elettrico, una delle principali fonti di propulsione per il trasporto (navigazione a vela) e per l'azionamento, mediante i mulini a vento, di macchine per i più diversi impieghi (macinazione, follatura, drenaggio, lavorazione di legno e metalli, ecc.; v. anche elica, XIII, p. 801; molino, XXIII, p. 571; vela, XXXV, p. 15). Macchine eoliche di piccole dimensioni e di buona affidabilità, destinate soprattutto a scopi irrigui, furono prodotte a partire dalla metà del 19° secolo; all'inizio del 20° prese avvio, soprattutto in Danimarca, la produzione di aerogeneratori di potenza da alcuni kW a 80 kW. Il più grande fu realizzato negli USA a Grandpa's Knob (1250 kW).
Il crescente processo dell'elettrificazione urbana e rurale e il prevalente impiego del petrolio come materia prima, seguito alla seconda guerra mondiale, arrestarono la diffusione delle macchine eoliche, anche se continuarono in alcuni paesi attività di ricerca e sviluppo a livello di prototipi.
L'interesse per l'e. e. rinacque dopo la prima crisi del petrolio (1973) e il rincaro del costo dell'energia, e iniziò lo sviluppo intensivo, spesso sovvenzionato da finanziamenti pubblici, di generatori eolici per la produzione di energia elettrica. La tecnologia eolica attuale ha pertanto non più di una quindicina di anni, e ciò spiega perché essa non ha ancora raggiunto in pieno la maturità industriale, in particolare per le macchine di grande taglia.
I generatori eolici moderni. − Le macchine costruite per convertire l'energia del vento in forme di energia direttamente utilizzabili dall'uomo (oggi essenzialmente energia elettrica, a causa della sua facilità di utilizzazione) si possono differenziare in diverse categorie, a seconda della loro configurazione geometrica, della velocità di rotazione, della dimensione, ecc.
Le macchine che fino a oggi hanno avuto il massimo sviluppo sono quelle ad asse orizzontale, costituite essenzialmente da una struttura di sostegno (palo o traliccio) che porta alla sua sommità un rotore (elica), collegato tramite un sistema di ingranaggi a un generatore di energia elettrica (dinamo o alternatore). La struttura di sostegno è in genere realizzata in acciaio, mentre le pale del rotore possono essere costruite con i materiali più disparati: acciaio, alluminio e sue leghe, legno laminato, e, più di recente, soprattutto resine rinforzate con fibre di vetro. Il generatore può essere a sua volta inserito, insieme al moltiplicatore di giri, in un involucro (gondola) alla sommità della struttura di sostegno, o, più raramente, può essere posto al livello del suolo, collegato all'elica da un albero rotante verticale.
I sistemi ad asse verticale hanno avuto finora una diffusione limitata, più che altro di carattere sperimentale, anche se hanno il grande vantaggio di poter sfruttare venti provenienti da diverse direzioni senza doversi orientare verso di essi. In particolare il rotore di Darrieus è stato ampiamente sperimentato dai Sandia Laboratories negli USA, e una macchina da 3,8 MW basata su questo principio è stata realizzata in Canada (progetto EOLE).
Nel campo delle macchine ad asse orizzontale occorre poi distinguere tra quelle con rotore sopravvento o sottovento, e tra quelle a molte pale (a bassa velocità di rotazione e quindi adatte, per es., al pompaggio dell'acqua) e quelle a poche pale (ad alta velocità di rotazione, e quindi più adatte alla produzione di energia elettrica).
Per quanto riguarda la dimensione delle macchine, si tende oggi a dividerle in tre categorie:
a) macchine di piccola taglia (potenza inferiore a 50 kW), adatte soprattutto a usi irrigui o all'alimentazione elettrica di utenze isolate (abitazioni rurali, fari, ripetitori radio-TV, ecc.); la loro tecnologia è decisamente matura e sono in fase di commercializzazione avanzata;
b) macchine di media taglia (da 50 a 500 kW), adatte a produrre energia elettrica per alimentare piccole reti locali nelle isole minori e nei paesi in via di sviluppo, oppure a immettere energia nella rete nazionale, soprattutto quando siano riunite in gruppi di più macchine (wind farms); la tecnologia relativa è quasi matura, e per queste macchine è iniziata la fase di commercializzazione;
c) macchine di grande taglia (oltre 500 kW), adatte unicamente alla produzione di energia elettrica da immettere in rete; si trovano ancora allo stato di prototipo.
La regolazione della potenza prodotta dalle macchine in funzione della velocità del vento viene effettuata in genere variando il passo delle pale. Al crescere della velocità del vento si distinguono diverse modalità di funzionamento (a titolo di esempio sono indicati i valori numerici relativi al progetto di una grande macchina adatta alle condizioni anemologiche italiane): quando il vento raggiunge la velocità di avviamento (4 m/s), il rotore inizia a ruotare senza produrre energia; alla velocità d'inserimento (6,5 m/s) il sistema può iniziare a produrre energia e viene collegato alla rete. La potenza resa aumenta al crescere della velocità del vento fino alla velocità nominale (14 m/s), quando la potenza raggiunge il valore di progetto; aumentando ulteriormente la velocità del vento, interviene il sistema di regolazione che, variando il passo delle pale o l'angolo di orientamento al vento (''angolo d'imbardata''), mantiene costante la potenza erogata, fino a quando il vento raggiunge la velocità di stacco (20 m/s), in corrispondenza della quale il sistema viene staccato dalla rete elettrica, le pale vengono messe in bandiera e il rotore arrestato tramite appositi freni. La macchina deve peraltro sopportare dal punto di vista strutturale venti molto più intensi, fino alla massima velocità statisticamente ipotizzabile nel sito prescelto. In genere il costruttore definisce una velocità del vento massima di sopravvivenza, in base alla quale è progettata la macchina (nell'esempio considerato 66 m/s).
Stato attuale di sviluppo. − Si possono valutare in circa 100.000 le macchine eoliche (pompe e generatori di energia elettrica) funzionanti a fine 1992 nel mondo, di cui circa 15.000 connesse alla rete elettrica. La potenza elettrica installata complessiva è di circa 2000 MW, e l'energia elettrica prodotta dai generatori connessi alla rete ha raggiunto, nel 1991, circa 2000 GWh, corrispondenti a un risparmio di petrolio di circa 3,6 milioni di barili. L'installazione dei generatori eolici, iniziata su grande scala nel 1981, raggiunse il suo apice nel 1985 con 570 MW installati, grazie soprattutto agli incentivi fiscali, nello stato della California, dove si trova il 90% del totale mondiale di aerogeneratori. Dopo il 1985 questi incentivi fiscali vennero a cessare, e ciò comportò, insieme al calo del prezzo del petrolio, una certa riduzione dell'interesse economico dei generatori eolici; dal 1988 il mercato mondiale è sceso a circa 300 MW. Per quanto riguarda i fabbricanti di aerogeneratori, le principali ditte statunitensi coprono attualmente circa il 43% del mercato mondiale, mentre i principali costruttori danesi coprono circa il 38%. Altri costruttori di una certa importanza sono presenti in Gran Bretagna, Olanda e Danimarca.
Nel settore dei prototipi di macchine di grande taglia sono particolarmente attive le grandi industrie aeronautiche. Le realizzazioni più significative sono:
a) negli USA, la macchina WTS-4 da 4 MW installata nel 1980 a Medicine Bow (Wyoming), le 3 macchine Mod-2 da 2,5 MW costruite nel 1986, e la macchina Mod-5B da 3,2 MW installata nel 1987 nelle Hawaii;
b) in Danimarca, le 2 macchine da 630 kW installate negli anni 1979-80 a Nibe, le 5 macchine da 750 kW installate nel 1986 a Masnedo, e la macchina @s"
da 2 MW installata nel 1987 a Esbjerg;
c) in Germania, la macchina Growian da 3 MW installata nel 1987, le 3 macchine Monopteros 50 da 640 kW con rotore a una sola pala costruite nel 1988, e la macchina WKA-60 da 1,2 MW realizzata nella primavera 1989;
d) in Gran Bretagna, la macchina da 3 MW installata a fine 1987 a Burgar Hill (isole Orkney).
Aspetti economici. - Il costo di costruzione e d'installazione dei generatori eolici varia evidentemente con la taglia delle macchine, con il numero di macchine realizzate dallo stesso costruttore, con il numero di macchine installate in uno stesso sito, con il costo del terreno e con le sue caratteristiche. Per una wind-farm realizzata con macchine di media taglia prodotte in piccola serie si ha a fine 1991 un costo dell'ordine di 2÷2,5 milioni di lire per kW installato ''chiavi in mano''.
Il costo del kWh prodotto dipende dal costo d'installazione delle macchine, dalla ventosità del sito (velocità media del vento e fattore di utilizzazione annuo della potenza), dai costi di esercizio e manutenzione. Questi ultimi possono essere valutati mediamente in 9 lire/kWh sulla base dell'esperienza, sia pure per il momento limitata, delle wind-farm danesi.
Con fattori di utilizzazione del 30÷35% in siti con almeno 8÷9 m/s di velocità media annua del vento, e ipotizzando una durata di vita dell'impianto pari a 20 anni, l'esperienza attuale mostra che una wind-farm può produrre energia elettrica a un costo totale di circa 70 lire/kWh, che è competitivo rispetto all'energia elettrica prodotta in centrali termoelettriche convenzionali. In una valutazione complessiva del costo dell'energia occorre peraltro tenere conto dell'aleatorietà del vento, che costringe a tenere sempre disponibile una potenza installata convenzionale pari a quella degli impianti eolici, in grado d'intervenire in caso di assenza di vento; ciò fa salire notevolmente il costo reale dell'energia prodotta da fonte eolica. A seconda della quota di penetrazione dell'energia da fonte eolica nel sistema elettrico, il costo totale può variare da 90 a 180 lire/kWh, con costi tanto più elevati quanto più elevata è la quota di penetrazione.
La situazione in Italia. - L'Italia non è particolarmente favorita dal punto di vista della disponibilità di e. e.; uno studio della CEE, pubblicato nel 1986, stima che su 39.450 km2 del territorio italiano si abbia una velocità media annua del vento a 10 m di altezza pari a 4÷5 m/s, su 2725 km2 5÷6 m/s, su 1150 km2 6÷7 m/s. A questi valori di ventosità corrisponde una producibilità energetica per unità di superficie (MWh/anno × km2) quale risulta dalla seguente tabella:
La minore velocità del vento rispetto ai siti più favoriti (Nord Europa, California, ecc.) comporta anche un costo dell'energia notevolmente più elevato, che può oggi essere stimato in 300÷400 lire/kWh e che ci si prefigge di ridurre fino all'ordine di 200 lire/kWh con macchine prodotte in grande serie.
Le prime azioni dirette a sviluppare in Italia l'utilizzazione dell'e. e. per la produzione di energia elettrica sono state sviluppate dall'ENEL nell'ambito del progetto VELE (VEnto per L'Elettricità) e sono consistite in campagne di misure anemologiche e nella realizzazione di una stazione di prova di aerogeneratori a Santa Caterina (Cagliari). Successivamente l'ENEA è intervenuto a sostegno dell'industria nazionale con finanziamenti per lo sviluppo di prototipi di generatori. Per quanto riguarda le realizzazioni già effettuate o in corso in Italia, si tratta di alcune decine di macchine, tra le quali quelle di dimensioni più rilevanti sono:
a) macchine di piccola taglia:
− macchina tripala FIAT da 68 kW massimi, sperimentata dall'ENEL nella propria stazione di prova di Santa Caterina (Cagliari);
− centrale eolica da 500 kW costituita da 10 macchine ENEL-FIAT da 50 kW ciascuna nell'impianto sperimentale ENEL dell'Alta Nurra (Sassari);
− macchina TEMA (gruppo ENI) ad asse verticale da 38 kW a Porto Torres (Sassari);
b) macchine di media taglia:
− AIT-02, denominata MEDIT, macchina da 225 kW con rotore del diametro di 32 m, situata nell'impianto ENEL dell'Alta Nurra e realizzata dall'Aeritalia; da questo prototipo è poi derivata una produzione di serie di macchine denominate MK3 e installate in alcune parti d'Italia;
− M30, macchina monopala da 200 kW con rotore del diametro di 33 m, realizzata dalla Riva Calzoni;
− due wind-farms da 10 MW, basate su macchine da 200÷250 kW, che l'ENEL sta realizzando una in Sardegna e l'altra nell'Appennino centrale;
c) macchine di grande taglia:
− GAMMA 60, macchina da 1,5 MW con rotore del diametro di 60 m, il cui primo prototipo è stato realizzato dall'Aeritalia. Particolari interessanti di questa macchina sono il funzionamento a velocità variabile ad ampio spettro (15÷44 giri/min) e il sistema di regolazione della potenza, basato non sulla variazione del passo delle pale, ma sulla variazione dell'angolo d'imbardata.
Il Piano Energetico Nazionale (PEN) dell'agosto 1988 prevede contributi energetici da fonte eolica a partire dalla seconda metà degli anni Novanta e in misura significativa immediatamente dopo il 2000. A tale data il PEN ritiene possibile l'installazione di circa 300÷600 MW per una produzione di circa 1÷2 TWh/anno, pari a 0,2÷0,4 Mtep (milioni di t equivalenti di petrolio). Vedi tav. f.t.
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