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Fonte: Eolico

L'energia eolica è l'energia elettrica prodotta dall'energia cinetica dell'aria (vento) tramite opportune macchine (aerogeneratori).


Storia / scoperta

Fin dall'antichità il vento è stato utilizzato, sia per muovere le navi sia dai mulini a vento per macinare il grano. Solo dopo la scoperta dell'energia elettrica si è cominciato ad utilizzarli per generarla.

Pro

  1. E' una fonte rinnovabile e sostenibile a basso impatto ambientale (in futuro potrebbero essere smontati, ripristinando i luoghi allo stato precedente);
  2. Non inquina;
  3. i parchi eolici sono facilmente scalabili (ingrandibili);
  4. prezzi stabili indipendenti dalle altre fonti energetiche;
  5. prevedibili e facili da calcolare i costi di ammortamento (da 6 a 10 anni);
  6. costi di manutenzione bassi (quasi nulli con gli aerogeneratori magnetici);
  7. costi di smantellamento bassi e molti componenti riciclabili;
  8. si prevede un abbassamento dei costi e un aumento dell'efficienza;
  9. fonte di reddito per chi ha terreni che rendono poco;
  10. I Luoghi dove è più conveniente installarla sono nel Nord Europa;

Contro

  • Intermittenza: produce energia solo quando c'è il vento. Le reti elettriche non possono sopportare sbalzi di fornitura di corrente superiore al 10%, bisogna riprogettarle tramite le Smart grid capaci di smaltire i flussi di energia intermittenti. Si è pensato anche di accumulare l'energia producendo idrogeno dall'acqua da utilizzare successivamente con delle pile a combustibile, però la resa è molto bassa (25 %).
  • Grandissime superfici impegnate rispetto ad altre tecnologie che utilizzano combustibili fossili/nucleare (superficie 200 volte di più grande).
  • I luoghi più ventosi sono: le cime, i crinali delle colline , montagne e coste, tutte zone visibili anche da lontano; quindi il paesaggio ne viene compromesso. Anche colorarle di verde attenua solo in minima parte il problema, visto le grandi altezze che raggiungono (lo sfondo diventa il cielo). Tuttavia le installazioni eoliche sono totalmente reversibili (bassi costi di smantellamento e ripristino delle condizioni ambientali) cosa che difficilmente avviene con altre fonti.
  • Esiste un basso rischio di mortalità da impatto per gli uccelli. Gli impianti più grandi, girando le pale meno velocemente, sono meno pericolosi.  E' stato comunque osservato che la mortalità é molto inferiore a quella causata da finestre e automobili.
  • Il rumore delle turbine eoliche causa nei residenti di abitazioni nelle immediate vicinanze la cosiddetta sindrome da pala eolica che è un insieme di disturbi neurologici.
  • Gli impianti possono interferire con l'attività dei radar del controllo aereo o meteo.
  • Speculazione sull'installazione eolica, anche in zone poco ventose, grazie agli incentivi statali alle rinnovabili.

Costi

Il costo per kWh è equivalente a quello del carbone però, senza i problemi d'inquinamento di quest'ultimo.

L'energia eolica è quella ottenuta dal vento ovvero, il prodotto della conversione dell'energia cinetica, ottenuta dalle correnti d'aria, in altre forme di energia; meccanica in passato, elettrica oggi.

I costi dei parchi eolici vanno onshore da 1 a 2 M$ per MW, offshore da 2 a 5 M$ a MW. 

Possiamo fare un confronto della superficie richiesta per produrre la stessa quantità di energia di una centrale nucleare EPR da 1600 MW:  

Tipo di centrale Superficie
impegnata
Superficie
occupata
Rapporto
sup. occupata
Centrale nucleare EPR 0,2 Km2 0,2 Km2 1
Campo eolico 40,0 Km2 4,2 Km2 21

In genere si considera una potenza di 10 W/m2. Si può vedere che la superficie impegnata è 200 volte maggiore, e quella occupata 21 volte superiore.


Impianti di produzione d'energia: parchi eolici

Le centrali che producono energia sono i parchi eolici, composti da aerogeneratori che possono essere ad asse:

  1. orizzontale : orientati in base alla direzione del vento (tipo mulini). Sono quelli più utilizzati.
  2. verticale : indipendente dalla direzione del vento. Sono meno efficienti del 30% e quindi sono solo a livello di prototipi. Ci sono progetti per enormi aerogeneratori magnetici ad asse verticale con potenza anche di 1 GW, ma praticamente ancora non si è realizzato niente.

La potenza massima del singolo aerogeneratore è di 6 MW.  In Europa la frequenza della corrente elettrica è di 50 Hz e l'aerogeneratore la deve immettere a tale frequenza in rete, indipendentemente dalla velocità delle pale. In genere il vento è più veloce in alta quota, per questo si tende a realizzare piloni il più alti possibili (120 m di altezza sulla terra ferma e 180 m in mare).

In base al tipo di aerogeneratore abbiamo:

  • aerogeneratore classico : la velocità del vento deve variare da un minimo di 4 m/s ad un massimo di 25 m/s; a velocità più elevate si rischia la rottura, quindi ci sono dei meccanismi frenanti o di stallo (nascondendo le pale al vento). L'attrito interno scalda il rotore che necessita di olio o acqua per refrigerarlo tramite radiatori. L'olio dopo un certo utilizzo va sostituito (manutenzione). L'attrito interno può causare dei guasti (manutenzione meccanica).
  • magnetoeolico : impiegano magneti permanenti e riducono l'attrito del rotore. Hanno range operativo molto più ampio rispetto a quelli classici (velocità del vento a partire da 1,5 m/s), ridotta manutenzione (non c'è olio da sostituire), sono soggetti a 1/4 dei guasti di quelli classici ed hanno un rendimento superiore.

Progettazione per l'installazione

Si compone dei seguenti passi:

  1. Studio di fattibilità: valutazione della ventosità del sito attraverso il monitoraggio di anemometri per un anno ;
  2. Pianificazione e dimensionamento: numero di aerogeneratori, ottimizzazione del loro posizionamento, altezza delle torri,  tipo di aerogeneratori, dimensioni del rotore ecc.
  3. Fase di realizzazione;
  4. Allaccio alla rete elettrica (cavi elettrici fino alla cabina elettrica) con relative opere civili ed eventuali sistemi di accumulo.

Tipologie

I grandi parchi eolici sono connessi alle reti elettriche, mentre le installazioni più piccole sono utilizzate per fornire elettricità a luoghi isolati.  Si possono avere i seguenti tipi d'installazione:

  1. onshore : aerogeneratori installati sulla terra ferma;
  2. offshore : aerogeneratori installati in mare in fondali non troppo profondi;
  3. alta quota : sono solo sperimentali (varie tecnologie, ma nessun prodotto commerciale disponibile).

Rendimento

In genere si considera una potenza di 10 W/m2 di terreno occupato. Il limite teorico, di energia estraibile dall'energia cinetica del vento, è di circa il 60%.


Abbondanza

Il vento è abbondante, rinnovabile, ampiamente distribuito, pulito e non produce inquinanti. La produzione è in continua crescita e nel 2015 è stata di 841 TWh sui 24 000 TWh totali di energia elettrica consumata nel mondo. Il primo produttore al mondo la Cina.

Dobbiamo però cercare di evitare di farci illudere con calcoli mirabolanti, qui facciamo un esempio:

La totalità dei gas nell'atmosfera è di 5 Milioni di Miliardi di tonnellate (5 M Gt = 5 *1018 kg); se si muovesse uniformemente a una velocità di 3 m/s, la sua Energia cinetica (Ec) sarebbe:

Ec = 1/2 * m * V2 = 1/2 * 5 *1018 kg * 3 m/s = 7.5 *10 18 J

considerando un rendimento del 60% (rend) e ipotizzando che il vento soffiasse costantemente per tutto l'anno (t = 8760 h), avremmo un'energia annuale (Ey):

Ey = Ec * t * rend = 142 000 ZJ (0.5 ZJ consumo energetico mondiale)

Visto che il consumo energetico mondiale è di 0.5 ZJ annuali, il valore ottenuto è 284 000 volte superiore.

Abbiamo risolto tutti i problemi energetici mondiali?

No!

Qualsiasi quantità d'aria (vento) che si muova a una velocità inferiore ai 4 m/s, non é utilizzabile dagli aerogeneratori classici, i quali hanno bisogno che il vento si muova ad almeno 4 m/s; quindi, di tutta quest'energia del vento (284 000 volte), quella che potremmo utilizzare è Zero!

Quest'esempio serve a farci capire che, prima di illudersi (illudere) di aver trovato la fonte energetica che risolverà il fabbisogno energetico mondiale per sempre, bisogna fare i conti con la realtà fattibile e non teorica.

N.B: chi pensa che sarebbe stato possibile utilizzare gli aerogeneratori magnetici, ricordo che tali macchine utilizzano magneti perenni costituiti da metalli rari, e quindi non abbastanza abbondanti per produrre tutti gli aerogeneratori necessari.

Dall'inizio del 2016, la potenza eolica installata nel mondo ha superato i 430 GW.