L EnErgia EoLica 1 cos È L EnErgia EoLica?

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1 223 L Energia eolica 1 COS È L ENERGIA EOLICA? L energia eolica è l energia posseduta dal vento. L uomo usa la forza del vento da migliaia di anni. Basti pensare alla vela che fin dall antico Egitto muove le imbarcazioni, ha consentito commerci altrimenti impossibili e le scoperte di grandi continenti. Ma la forza del vento venne anche utilizzata per azionare le macine del grano o delle olive (mulini a vento) oppure per pompare acqua dai pozzi. L energia cinetica del vento (movimento) veniva trasformata in energia meccanica, attraverso il meccanismo dei mulini. Solo nel 1600 si ebbero significative migliorie specie sui profili delle pale, capaci di sfruttare meglio gli effetti della portanza. Ma l utilizzo rimase comunque relegato a fini meccanici, pompaggio, macina del grano, concerie, segherie,ecc.. Grazie all invenzione della dinamo, da parte del belga Gramme, nella metà del diciannovesimo secolo, si aprirono nuovi orizzonti all utilizzazione dell energia eolica, e nel 1887 venne costruito il primo aerogeneratore destinato alla produzione di energia elettrica. Lo sviluppo successivo degli aerogeneratori fu molto limitato, solo nel 1970 con la crisi petrolifera si riprese a parlare di energia eolica quale concorrenziale fonte rinnovabile.

2 224 L Energia eolica 1.1 Come si forma il vento? L aria della troposfera, che si estende per un altezza di circa 11 km, è più calda nelle zone equatoriali di quanto non lo sia nelle zone polari. Il riscaldamento dell aria provoca una diminuzione della sua densità e genera delle correnti ascensionali che la portano quasi al limite della troposfera e quindi a diffondersi verso i poli terrestri dove, per effetto del raffreddamento, ridiscende a livello del terreno. Se la terra non ruotasse avremmo una semplice circolazione d aria dall equatore ai poli e ritorno. La rotazione terrestre fa sì che la direzione dell aria di ritorno, al suo avvicinarsi alle zone più calde, sia deviata (forza di Coriolis) assumendo direzioni prevalenti in relazione alla latitudine considerata. Il fenomeno non si manifesta dappertutto allo stesso modo. La superficie marina, ad esempio, impiega più tempo a riscaldarsi rispetto alla superficie terreste. Nelle zone dove viene rilasciato meno calore (es. le superfici marine), ovvero le zone più fredde, la pressione tende ad aumentare. Nelle zone più calde, viceversa, la pressione tende a ridursi. L aria delle zone ad alta pressione tende a spostarsi verso le zone a bassa pressione, generando il vento. L aria più calda tende a muoversi verso l alto, lasciando dietro a sè una zona di bassa pressione. L aria calda, una volta in alto, si raffredderà per poi ricadere nelle zone fredde marine. Questo movimento verso il basso genera una spinta dell aria fredda marina verso le zone di bassa pressione terrestri. Vi sono poi condizioni geologiche locali che influenzano considerevolmente la direzione prevalente del vento; un buon esempio è rappresentato dalla catena appenninica del centro Italia dove, per effetto delle differenti temperature atmosferiche legate ai due bacini marini del Tirreno e dell Adriatico, si ha una ventosità particolarmente accentuata rispetto alla media del nostro territorio.

3 Come si misura il vento? Tutti abbiamo potuto sperimentare che il vento non è costante, cambia di forza e di direzione. Per classificare il vento in base alla sua direzione si usa definirlo col luogo da cui proviene. A volte si prende spunto dalla provenienza geografica. Alla nostra latitudine infatti - Greco, Libeccio se viene dalla Libia, Scirocco se viene dalla Siria, altre, come nella Rosa dei venti, viene indicato con riferimento ai punti cardinali: vento di Nord-Est, vento di Sud-Ovest -. La forza del vento può essere indicata o con la misura della sua velocità, e cioè in nodi, che corrispondono alle miglia orarie (1 nodo = 1 miglio orario = 1,85 chilometri orari), o attraverso la scala proposta dall ammiraglio inglese Francis Beaufort, vissuto nei primi anni dell ottocento Egli per classificare la forza del vento ideò una scala da zero a dodici, crescente a seconda della velocità del vento, dell altezza delle onde marine e degli effetti prodotti. Un vento di forza zero, viene definito da Beaufort Calma, e corrisponde alla descrizione di questi effetti: il vento non sposta il fumo che esce dai camini; mare calmo. Il vento di forza dodici, il massimo grado della scala, è invece chiamato Uragano e definito così: Provoca devastazioni gravissime; case seriamente danneggiate o distrutte;onde alte fino a 14 metri. La velocità del vento è influenzata, oltre che dai parametri atmosferici, anche dalla conformazione di un terreno (distinta in base alla sua rugosità). Per definire la conformazione di un terreno sono state individuate quattro classi di rugosità:

4 226 L Energia eolica Esempio di terreno corrispondente alla classe di rugosità 0: la classe comprende mari, laghi, fiordi [17] Esempio di terreno corrispondente alla classe di rugosità 1: aree aperte e pianeggianti senza ostacoli [17] Esempio di terreno corrispondente alla classe di rugosità 2: terreni ondulati con schiere frangivento distanziate ed edifici [17]

5 227 Esempio di terreno corrispondente alla classe di rugosità 3: aree urbane, foreste, terreni con molte schiere frangivento ravvicinate [17] Occorre notare inoltre, che la rugosità andrebbe considerata in funzione dei parametri climatici, in quanto mutevole con l alternarsi delle stagioni: basti pensare alla caduta delle foglie in autunno o ad un terreno innevato in inverno. Si potrebbe addirittura considerare la variabilità d intensità dei venti in quanto quelli più forti, piegando steli e rami della vegetazione, ne modificano la forma. Un fenomeno simile succede in mare aperto dato che sia la forma che l altezza delle onde dipendono dalla velocità del vento. Di sfianco si riporta l andamento della velocità del vento, espressa in m/s, in funzione del tipo di rugosità e dell altezza dal suolo. Gli strumenti per misurare il vento sono gli anemometri o anemografi (dal greco anemos = vento e metron = misura o grapho = scrittura). Gli anemometri vengono posizionati ad una certa altezza dal suolo, in modo che possano rilevare le condizioni di ventosità che successivamente verranno sfruttate dagli aerogeneratori.

6 228 L Energia eolica Gli anemometri più diffusi sono: A coppe A pale Il primo può avere due o tre coppe, la rotazione del mulinello viene attivata dalla diversa resistenza che il vento incontra sui due lati delle coppe, l uno concavo e l altro convesso. La velocità di rotazione è direttamente proporzionale alla intensità del vento. Invece, l elemento sensibile per la direzione è costituito da una banderuola che si orienta secondo la provenienza del vento. L anemometro a pale è simile al precedente, salvo che il mulinello porta sei o otto palette orizzontali. In entrambi li strumenti un contatore, elettrico o meccanico, misura il numero di giri del mulinello in un certo intervallo di tempo. Mediante opportune tabelle di taratura è possibile risalire alla velocità del vento. Esistono anche anemometri che sfruttano la tecnologia ad ultrasuoni, per la misura del vento, decisamente più costosi, senza parti in movimento, adatti soprattutto ad operare in severe condizioni ambientali, anche marine. Anemometro installato Anemometro a ultrasuoni Da rilevare inoltre la tecnologia laser di grande ausilio quando si opera in condizioni ambientali difficili, grazie alla assoluta indipendenza di funzionamento rispetto a fattori fondamentali di disturbo, quali temperatura, pressione, umidità, densi-

7 229 tà, che normalmente possono vanificare i tentativi di misura precisa Gli anemometri possono essere posizionati a diverse altezze m, in una torre di misura anemometrica, per valutare come varia l intensità del vento alle diverse quote dal terreno. L analisi statistica dei dati raccolti, consente di effettuare, attraverso lo studio delle serie storiche, valutazioni razionali in ordine alla produttività di aerogeneratori di varia taglia. Questo genere di studi è fondamentale al fine di dimensionare e posizionare i parchi eolici e ottimizzarne la loro complessiva produzione di energia. 2 I SISTEMI PER LO SFRUTTAMENTO ENERGETICO DEL VENTO Le principali applicazioni dell energia eolica riguardano: la produzione di energia elettrica da immettere nella rete; la fornitura di energia elettrica ad utenze isolate; la ricarica di batterie; il sollevamento di acqua dai pozzi. Il principale vantaggio dello sfruttamento dell energia eolica è la disponibilità pressoché infinita e totalmente gratuita della fonte energetica ed un impatto ambientale sostanzialmente limitato al fattore visivo. Il limite di un aerogeneratore sta nella ridotta densità dell aria, che genera potenze limitate relativamente alle dimensioni dell aerogeneratore eolico. Per avere un idea dei rapporti in gioco basti considerare che la densità dell aria, pari a circa 1,225 kg/m 3, è in rapporto 1/816 rispetto a quella media dell acqua. Accade così che una potenza di 1 MW rappresenti più o meno il limite inferiore per

8 230 L Energia eolica quanto riguarda l applicabilità di una turbina idraulica, ma sia una potenza di tutto rispetto per un aerogeneratore. Se si osserva un generatore eolico, specialmente in fotografia, dove si perde l effetto imponente della torre di sostegno e delle gigantesche pale in rotazione, si ha la sensazione di trovarsi di fronte ad una macchina abbastanza banale, una variante dei mulini a vento che sopravvivono nel mondo con finalità puramente turistiche. In realtà la tecnologia utilizzata per progettare e costruire un generatore eolico è molto sofisticata e direttamente mutuata dall ingegneria aeronautica. Dal punto di vista delle tipologie di impiego, gli aerogeneratori possono attualmente essere raggruppati in due grandi categorie: le macchine destinate alla realizzazione delle centrali eoliche (aerogeneratori propriamente detti) e quelle che vengono definite macchine minieoliche. La differenza sostanziale tra le due tipologie di macchine riguarda la potenza elettrica e la dimensione delle stesse. Fanno parte della prima categoria gli aerogeneratori per la produzione di energia elettrica da immettere in rete e per l alimentazione di grandi utenze isolate. Essi hanno una potenza elettrica che varia da kw fino a circa 3.5 MW, pur se iniziano ad affacciarsi sul mercato macchine ancora più potenti, es. 5 MW per impianti off shore. Il loro impiego in gruppi costituiti da più macchine (in genere in Italia) collegate alla rete di media-alta tensione costituiscono una centrale eolica. Si definiscono minieoliche le macchine eoliche che generano potenze fino a 20 kw destinate all autoconsumo di energia ma anche le macchine da 20 a 100 kw, che sono considerate di uso industriale e la cui energia elettrica prodotta può essere immessa in rete, possono far parte di questa definizione. Tecnicamente gli aerogeneratori di piccola taglia presentano le stesse caratteristiche degli apparecchi di taglia superiore, ma la diffusione ancora limitata ne determina un più elevato costo medio

9 231 riferito alla potenza nominale installata, valutabile in circa /kw, contro un costo compreso fra 800 e /kw per gli aerogeneratori di taglia medio-grande, a seconda delle caratteristiche morfologiche del sito prescelto. Un punto di forza del minieolico va ricercato nelle dimensioni contenute dell aerogeneratore, nella buona capacità produttiva degli apparecchi e nella praticità d installazione, su torri di altezza contenuta fra 3 e 20 metri che non presentano alcun carattere di invasività nel territorio circostante. Vengono usate tipicamente per le utenze isolate, unitamente ad un sistema di batterie per l accumulo dell energia prodotta, possono essere allacciate direttamente in rete, possono alimentare piccole reti, sistemi di pompaggio e recinzioni elettrificate. Questi sistemi garantiscono alta affidabilità di funzionamento ed allo stesso tempo non richiedono significativi interventi di manutenzione. 3 LE CENTRALI EOLICHE Una centrale eolica è una vera e propria centrale elettrica, ma l elettricità prodotta ha una caratteristica unica che la differenzia da quella prodotta da tutte le altre tipologie di centrale elettrica tradizionale: è assolutamente pulita, ottenuta senza inquinamento, senza emissione di gas-serra o di radiazioni elettromagnetiche di qualsiasi tipo e con il minimo impatto ambientale sull ecosistema. Una centrale eolica è costituita da una serie di aerogeneratori disposti secondo geometrie ben predeterminate al fine di non creare ostacoli reciproci tra le macchine e di consentire la migliore esposizione verso le direzioni predominanti dei venti. 3.1 Principi di funzionamento di un aerogeneratore Il principio di funzionamento di un aerogeneratore è semplice: la spinta del vento è raccolta dalle pale che grazie al loro profilo aerodinamico la trasformano in movimento rotatorio.

10 232 L Energia eolica Questa rotazione aziona un generatore di corrente, situato alla sommità della torre, che produce energia elettrica. Un aerogeneratore della potenza di 1 MW ha un rotore di circa 55 metri ed è collocato su una torre di sostegno di altezza pari al diametro del rotore. Generalmente la vita media di queste macchine è di anni per un funzionamento di ore. Fonte ENEA [1] In via esemplificativa un aerogeneratore è composto da [1]: Fondazioni servono per ancorare la struttura che deve resistere alle sollecitazioni e alle vibrazioni causate dal vento; Torre di sostegno sostiene la navicella e il rotore, e può essere in metallo (tubolare o a traliccio), in cemento armato e con fibre sintetiche; Rotore è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale. Le pale più utilizzate sono realizzate in fibra di vetro. I rotori a due pale sono meno costosi e girano a velocità più elevate.

11 233 Sono però più rumorosi e vibrano di più di quelli a tre pale. Tra i due la resa energetica è quasi equivalente. Sono stati realizzati anche rotori con una sola pala, equilibrata da un contrappeso. A parità di condizioni, questi rotori sono ancor più veloci dei bipala, ma hanno rese energetiche leggermente inferiori. Ci sono anche rotori con numerose pale, di solito 24, che vengono impiegati per l azionamento diretto di macchine, come le pompe per il sollevamento dell acqua. Sono stati messi a punto anche dei rotori con pale mobili : variando l inclinazione delle pale al variare della velocità del vento è possibile mantenere costante la quantità di elettricità prodotta dall aerogeneratore. Navicella è una cabina in cui sono ubicati tutti i componenti di un aerogeneratore, ad eccezione, naturalmente, del rotore e del mozzo. La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare di 180 sul proprio asse. Per assicurare sempre il massimo rendimento dell aerogeneratore è importante mantenere un allineamento più continuo possibile tra l asse del rotore e la direzione del vento. Negli aerogeneratori di media e grossa taglia, l allineamento è garantito da un servomeccanismo, detto sistema di imbardata, mentre nei piccoli aerogeneratori è sufficiente l impiego di una pinna direzionale. Nel sistema di imbardata un sensore, la banderuola, indica lo scostamento dell asse della direzione del vento e aziona un motore che riallinea la navicella Freno è costituito da due sistemi indipendenti di arresto delle pale: un sistema di frenaggio aerodinamico e uno meccanico. Il primo viene utilizzato per controllare la potenza dell aerogeneratore, come freno di emergenza in caso si sovravelocità del vento e per arrestare il rotore. Il secondo viene utilizzato per completare l arresto del rotore e come freno di stazionamento. Generatore trasforma l energia meccanica in energia elettrica;

12 234 L Energia eolica Sistema di imbardata, tiene allineato l asse del rotore con la direzione del vento; Moltiplicatore di giri, serve per aumentare il numero di giri compiuti dal rotore in modo da migliorare il rendimento del generatore di elettricità; Sistema di controllo Il funzionamento di un aerogeneratore è gestito da un sistema di controllo che svolge due diverse funzioni. Gestisce, automaticamente e non, l aerogeneratore nelle diverse operazioni di lavoro e aziona il dispositivo di sicurezza che blocca il funzionamento dell aerogeneratore in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento. Le rimanenti opere edili dell impianto si riferiscono a: Scavi per cavidotti, viabilità necessaria per lo spostamento delle gru e i componenti dei generatori, eventuali edifici di servizio per la sottostazione; componenti elettromeccaniche: box con quadri elettrici e trasformatore da bassa a media tensione, apparecchiature per il controllo a distanza, cablaggi interrati per il collegamento elettrico delle macchine; collegamento alla rete: cavidotto aereo o interrato per il collegamento alla rete di trasmissione in media tensione. La produzione di energia elettrica di un aerogeneratore dipende dalla velocità del vento, al variare della quale si produrrà una diversa potenza di energia elettrica.

13 235 Curva di potenza dell aerogeneratore Vestas V27 L avviamento dell aerogeneratore avviene in presenza di un vento di velocità sufficiente (detta velocità di cut-in), solitamente dell ordine dei 3 4 m/s per macchine di media taglia da qualche centinaio di kw di potenza. La fermata della macchina, avviene quando vi è un vento di velocità superiore a quella massima per la quale la macchina è stata progettata (detta velocità di cut-off) intorno ai 25 m/s. 3.2 Quanta energia elettrica produce un aerogeneratore eolico? L energia prodotta annualmente da un aerogeneratore, dipende sia dalle condizioni di vento come si evince dalla curva di potenza appena descritta, sia dalle caratteristiche costruttive della macchina. Si supponga di considerare una macchina di 1500 kw di potenza, questa eroga la piena potenza elettrica (1500 kw) per velocità del vento comprese tra 12 e 25 metri al secondo. Per calcolare la produzione teorica di energia elettrica dell aerogeneratore andrà rilevata la velocità media del vento della zona in cui sarà posizionato l aerogeneratore.

14 236 L Energia eolica Ipotizzando un funzionamento annuale di 2000 ore( valore consono alle condizioni di ventosità del nostro Paese) si possono ottenere le seguenti produzioni di energia: Per velocità medie del vento di 7.5 m/s l aerogeneratore produrrà circa 0.8 GWh l anno. Per velocità medie del vento di 10 m/s l aerogeneratore produrrà circa 2.2 GWh l anno. Per velocità medie del vento di 15 m/s l aerogeneratore produrrà circa 3 GWh l anno. Lo sfruttamento dell energia eolica presuppone innanzitutto una conoscenza approfondita dei meccanismi fisici che provocano e regolano il vento terrestre. L individuazione di siti aventi caratteristiche ottimali per quanto riguarda lo sfruttamento dell energia eolica è il primo fondamentale passo e grande cura deve essere spesa in questa attività. Vengono eseguite campagne di misurazione del vento per un periodo di tempo sufficientemente lungo (almeno un anno) al fine di garantire poi una buona resa dell impianto. Nel caso dei grandi impianti eolici, tale durata è di due - tre anni, un limite minimo necessario a garanzia della qualità e costanza dei venti. Parametri importanti sono: Percentuale di tempo in cui il vento ha velocità idonea ad un corretto funzionamento del generatore eolico. Qualità del vento che deve essere il più possibile uniforme. Direzione prevalente del vento che risulta fondamentale relativamente alla locazione dell aerogeneratore, in particolare nel caso di installazione multiple (wind-farm). La valutazione delle caratteristiche del vento (principalmente direzione prevalente e intensità media) sono determinanti per una corretta progettazione del siting degli aerogeneratori e del loro congruente dimensionamento. Gli errori derivanti da una non corretta analisi sui dati di derivazione anemometrica possono determinare un parco eolico non efficiente, con gli aerogeneratori che non

15 237 sono in grado di sfruttare la stessa dinamica del vento. Sbagliate ipotesi sulla ventosità del sito, possono pregiudicare di conseguenza il ritorno economico previsto, alterando lo studio di fattibilità dell impianto effettuato nella fase preliminare della realizzazione del parco eolico. Assume un importanza fondamentale lo studio statistico, basato sui dati storici riferiti ad un arco temporale minimo di un anno nei casi più semplici e che può è deve essere esteso a diversi anni nei restante casi, questo affinché si possano evitare discrasie tra la potenzialità del sito individuato e una corretta valutazione delle caratteristiche della struttura produttiva. In tal senso, appare ancor più evidente l importanza di una corretta scelta del sito al fine di assicurare all impianto un numero di ore annue di funzionamento sufficiente a ripagare l investimento iniziale. 3.3 Principali tecnologie presenti sul mercato,caratteristiche e applicazioni. Gli aerogeneratori sono classificati in due grandi categorie in base alla disposizione dell asse del rotore rispetto alla direzione del vento [4]: ad asse orizzontale (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine); ad asse verticale (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine); Aerogeneratore ad asse orizzontale [3] La differenza sostanziale deriva dal loro diverso comportamento nei riguardi della direzione del vento: i primi hanno bisogno di orientarsi in modo da ricevere il vento ortogonalmente al rotore, i secondi sono sfruttano il vento in qualsiasi direzione.

16 238 L Energia eolica A causa dei rendimenti più elevati, a parità di costi, quasi tutte le installazioni eoliche adottano rotori con asse orizzontale. Nei rotori ad asse verticale le pale si muovono nella direzione del flusso d aria. In questo tipo di rotore non serve un sistema di orientamento delle pale, tuttavia non tutta la superficie è esposta al vento visto che mentre una pala raccoglie il flusso d aria e viene spinta, l altra gira in senso contrario opponendosi con la conseguente riduzione del rendimento. Le caratteristiche principali di questa tipologia di rotore eolico sono: bassa velocità di rotazione; coppia meccanica elevata; modesto rendimento. Aerogeneratore ad asse verticale [3] Sono adatti per utilizzazioni meccaniche come le pompe per l acqua. In effetti il loro uso è limitato anche se vi sono studi e ricerche per migliorare quel tipo di tecnologia.attualmente gli aerogeneratori sono disponibili con potenze e dimensioni differenti [4]: di piccola taglia (diametro del rotore D <20 m e potenza P < 100 kw); vengono usualmente impiegati in applicazioni per utenze isolate sono caratterizzate da basse performance; di media taglia (diametro del rotore 25 <D < 60 m e potenza 100 <P < 850 kw); vengono usualmente impiegati nelle centrali eoliche; di grande taglia (diametro del rotore D> 55 m e potenza P> 1000 kw) (si hanno esempi di macchine da 3500 kw per impianti on-shore e di qualche macchina di 5000 kw per impianti off-shore); sono impiegati per ridurre il numero degli

17 239 apparecchi nelle centrali eoliche con vantaggi economici di scala a parità di potenza complessiva (legati ai costi di impianto es. fondazioni, strade, connessioni..) ed ambientali. (Fonte: GWEC) Gli aerogeneratori possono essere collocati sia sulla terra ferma (on shore), sia fuori costa (off-shore). Il parco eolico on - shore Wind farm L esempio tipico di parco eolico è costituito dalla windfarm, fattorie del vento, in cui gli aerogeneratori sono disposti sul territorio e collegati attraverso una unica linea alla rete locale e nazionale. Un parco eolico costituito da 30 aerogeneratori da 300 kw ciascuno, ubicato in una zona con venti dalla velocità media di 7 m/s, che consenta di raggiungere la potenza nominale degli aerogeneratori, può produrre per un funzionamento annuo di 2000 ore, 20 milioni di kwh all anno, riuscendo a coprire il fabbisogno di circa famiglie. Il parco eolico off-shore Gli impianti offshore non sono altro che wind-farm costruite in mare. Rispetto alle wind-farm presentano maggiori costi di

18 240 L Energia eolica realizzazione. Ricoprono un ruolo importante soprattutto nel nord Europa dove si hanno condizioni di vento che giustificano tali investimenti. Lo sfruttamento di questi impianti potrebbe portare alla produzione del 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri. Gli aerogeneratori che vengono utilizzati negli impianti off-shore hanno potenze che vanno da 1 MW a 3.5 MW e vi sono alcune macchine recentemente realizzate che hanno una potenza di 5 MW.Si stima che in Italia si potrebbe arrivare all installazione di MW, in grado di fornire il 4% dell attuale consumo di energia elettrica. Nel nostro Paese non è presente nessun impianto off-shore. 3.4 Sviluppi tecnologici Negli ultimi 10 anni gli aerogeneratori non hanno subito cambiamenti d ordine concettuale. I principali progressi sono stati fatti nell ottimizzazione delle strutture e del sistema di controllo, che hanno portato al miglioramento delle prestazioni in termini di affidabilità, di efficienza ed alla riduzione dei costi d investimento e di gestione. Possiamo dire che l evoluzione dell aerogeneratore è stata determinata principalmente dall evoluzione tecnologica degli strumenti per la progettazione e solo in misura minore da innovazioni costruttive. Il margine per migliorare le prestazioni delle macchine risulta però molto limitato, la ricerca tecnologica si sta indirizzando verso la realizzazione di macchine eoliche di potenza superiore ai 3,5 MW, l ottimizzazione del profilo alare e l aerodinamicità della pala, con lo scopo di incrementare il rapporto tra la potenza effettiva di uscita e la potenza massima estraibile dal vento, che ha già raggiunto livelli di efficienza, dell ordine del 60-70% (comprese le perdite aerodinamiche, meccaniche ed elettriche).

19 241 Le strategie per aumentare l energia prodotta e ridurre i costi possono riassumersi in: aumento della taglia degli aerogeneratori; riduzione dei componenti ; riduzione dei pesi utilizzando sempre di più strutture meno rigide; alberi a velocità variabile: si fa girare il rotore alla stessa velocità di quella del vento e così si aumenta la resa. 4. ASPETTI AMBIENTALI Il corretto inserimento degli impianti eolici nel paesaggio assume rilevanza, soprattutto nel nostro paese, considerato il ricco patrimonio culturale ed ambientale esistente. A questo fine sono stati introdotti dei criteri approvati dalla Conferenza Unificata Stato- Regioni volti a favorire lo sviluppo delle energie rinnovabili nel rispetto dell ambiente e del paesaggio, con l obiettivo di creare il minor impatto possibile sul sistema locale. Fra i criteri di carattere generale vanno richiamati: la buona progettazione degli impianti e l adesione ai sistemi di qualità ( ISO 9000 ) e ai sistemi di gestione ambientale ( ISO e EMAS ); il coinvolgimento, da parte delle Regioni, delle strutture periferiche del Ministero per i beni e le attività culturali, attraverso la costituzione di tavoli tecnici di concertazione, per favorire una più adeguata individuazione delle aree e dei siti nei quali gli interventi hanno maggiore impatto paesaggistico o difficilmente compatibile con le valenze culturali dei luoghi e delle strutture; il coinvolgimento delle diverse realtà locali sin dalle prime fasi della pianificazione dei progetti, la comunicazione e il confronto con queste realtà per valutarne l accettabilità, i possibili vantaggi, e realizzare la più ampia condivisione dei progetti da parte dei soggetti territoriali..

20 242 L Energia eolica Le centrali eoliche, che costituiscono una risorsa importante a livello mondiale per la produzione di energia da fonti rinnovabili, entrano a tutti gli effetti a far parte del paesaggio. Esse costituiscono una vera e propria infrastruttura che si configura per avere un basso impatto ambientale tanto più quanto alla loro realizzazione ha concorso l impegno multidisciplinare dei tecnici ( architetti,ingegneri, tecnici del paesaggio, economisti territoriali ), delle istituzioni e delle realtà locali. L energia eolica è una fonte rinnovabile di energia, la quale a differenza dei combustibili fossili e nucleari destinati ad esaurirsi, può essere considerata inesauribile e disponibile in molte zone del pianeta, non provoca emissioni dannose per l uomo e per l ambiente. Gli aerogeneratori non determinano alcun tipo di inquinamento atmosferico radioattivo o chimico, visto che i componenti usati per la loro costruzione sono materie plastiche e metalliche di facile riciclabilità anche a seguito di eventuali dismissioni. Una ulteriore valutazione che deve essere effettuata riguarda principalmente le forme di inquinamento evitato strutturando centrali eoliche in luogo di centrali elettriche tradizionali che immettono sostanze nocive nell atmosfera. Lo scenario di crescita occupazionale legato alle fonti rinnovabili e all eolico in particolare, è impressionante. In Germania, la quale detiene il primato europeo di potenza eolica installata, gli occupati nel settore delle rinnovabili nel 2005 hanno superato quota 150mila, e di questi oltre 70mila nel settore eolico. 4.1 Integrazione con l ambiente. L area interessata dall impianto. In base al rapporto tra la potenza degli impianti e il terreno complessivamente necessario (anche per la distanza delle macchine), la densità di potenza per unità di superficie è circa di 10 W/m 2 [18]. Tuttavia le macchine eoliche e le opere di supporto (cabine elettriche, strade) occupano solamente il 2-3% del territorio per la

21 243 costruzione di un impianto, quindi la densità di potenza ottenibile è da considerarsi nettamente superiore, dell ordine delle centinaia di W/m 2. Va inoltre ricordato che la parte del terreno non occupata dalle macchine può essere impiegata per altri scopi, come l agricoltura e la pastorizia, senza alcuna controindicazione. Impatto visivo Gli aerogeneratori per la loro configurazione sono visibili nel contesto in cui vengono inseriti, in modo più o meno evidente in relazione alla topografia e all antropizzazione del territorio. Un aerogeneratore da 500 kw di potenza ha un diametro del rotore e un altezza della torre di circa 40 metri, mentre uno da 1500 kw misura, per questi due valori, circa 60 m. L impatto nel paesaggio tra i due tipi di macchina è moderatamente diverso, per cui aumentare la taglia delle macchine potrebbe ridurre, a parità di potenza globale installata, l impatto visivo.l impatto visivo è anche un aspetto che riguarda l accettazione culturale degli impianti di energia rinnovabile nel territorio e la loro integrazione complessiva nel paesaggio; comunque è possibile ridurre al minimo l impatto visivo assicurando una debita distanza tra gli impianti e gli insediamenti abitativi. Sono state individuate, inoltre, soluzioni costruttive tali da ridurre tale impatto: impiego di torri tubolari o a traliccio a seconda del contesto, di colori neutri, adozione di configurazioni geometriche regolari con macchine ben distanziate. Impatto acustico Il rumore emesso da una centrale eolica non è percettibile dalle abitazioni, poiché una distanza di poche centinaia di metri è sufficiente a ridurre la bassa rumorosità dell impianto. In generale, la tecnologia attuale consente di ottenere, nei pressi di un aerogeneratore,

22 244 L Energia eolica livelli di rumore alquanto contenuti, tali da non modificare il rumore di fondo, che, a sua volta, è fortemente influenzato dal vento stesso, con il risultato di mascherare ancor più il contributo della macchina. Interferenze sulle comunicazioni Le interferenze sulle comunicazioni che possono essere un aerogeneratore sono analoghe a quelle che si possono verificare con un qualsiasi ostacolo. Una adeguata distanza degli aerogeneratori fa sì che l interferenza sia irrilevante. Per ciò che concerne le interferenze elettromagnetiche, queste vengono generate da parti metalliche in rotazione. Poiché le macchine dell attuale generazione hanno pale costruite con materiali non metallici il fenomeno non é particolarmente significativo. Flora e fauna L impatto sulla flora e sulla fauna è praticamente irrilevante, infatti il numero delle collisioni tra gli aerogeneratori e i volatili è estremamente basso, questo anche in relazione al numero delle collisioni causate dalle auto o dai tralicci della luce o del telefono. Si possono segnalare i risultati di una ricerca realizzate negli Stati Uniti (Erikson e altri, 2001) che stima la mortalità dell avifauna per collisione causata dagli impianti eolici pari allo 0,01-0,02% di tutte le morti per collisioni dei volatili. 4.2 Ricadute ambientali e valutazione delle emissioni evitate Gli impianti eolici, insieme agli impianti idroelettrici, sono in grado di sostituire quote significative di impianti basati su fonti fossili, per cui per ogni unità di energia elettrica prodotta da queste fonti, sono risparmiati significativi quantitativi di emissioni inquinanti, altrimenti prodotti da impianti a fonte fossile.la tabella seguente evidenzia le emissioni evitate grazie alle centrali eoliche attualmente

23 245 installate in Italia (1400 MW[ 5]) e il contributo di un aerogeneratore della potenza nominale installata di 1 MW ipotizzando un funzionamento di 2000 ore l anno. Fonte: MAP. Il Ministero delle Attività Produttive prevede per il 2010 una domanda elettrica pari a 370 TWh (con un aumento medio annuo del 2,3% rispetto ai dati del 2004). La tabella successiva contiene i dati della produzione di energia elettrica riferita alle diverse fonti energetiche, con la previsione del loro impiego nel fonte : MAP 2005 Maggio [6] Dai dati emerge che il governo punta a una forte riduzione del petrolio sfruttando l evoluzione delle energie rinnovabili. La sola proposta di un installazione eolica di MW, ipotizzando un funzionamento annuo di 2000 ore, contribuirebbe con una produzione di 20 TWh.

24 246 L Energia eolica 5 PARAMETRI DI DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA La scelta della localizzazione deve essere preceduta da un attenta analisi e misura dei dati relativi alla velocità e direzione del vento ovvero alla costruzione della mappa eolica del luogo. Mappa europea del vento on-shore. La Sardegna e il Meridione sono le aree italiane a più alto potenziale eolico. (Fonte: windatlas [7])

25 247 Trattandosi di valutazioni statistiche, affinché i dati abbiano reale significato, è necessario che le misure vengano condotte per un periodo continuativo di almeno 3-5 anni. Per il dimensionamento giocano un ruolo fondamentale i seguenti parametri: Parco eolico on-shore Wind farm ventosità caratterizzata da una media annua compresa tra 6,2 e 7,5 m/s ed intensità della turbolenza tra 12 e 16%; posizione ideale per un aerogeneratore è in un terreno piano e vasto, con una pendenza compresa tra i 6 e i 16 gradi. distanza dalla rete elettrica in alta tensione compresa tra 500 m e 2-3 km al massimo; esistenza di un buon collegamento con la rete viaria, la cui larghezza consenta il transito agli automezzi che trasportano le navicelle e le torri delle turbine. Parco eolico off-shore L applicazione off-shore della tecnologia eolica ha iniziato a svilupparsi da circa 15 anni. I siti eolici off-shore, generalmente, presentano una ventosità che supera la velocità di 7-8 metri al secondo ed sono ubicati in siti, con fondali poco profondi (da 5 a 40 metri), che distano da 1,5 e fino a 5-10 km dalla costa. L impatto ambientale è irrilevante ed il rapporto costi-benefici decisamente positivo. Gli impianti off-shore sono una carta da giocare nel prossimi futuri. Alcuni istituti e società di ricerca hanno realizzato delle mappe dei venti e indicato, anche in modo approfondito, le aree più utilizzabili ai fini energetici. Ci sono dunque aree importanti nel mediterraneo con grandi potenzialità e fra queste le aree del golfo del Leone, il versante ovest e sud-ovest di Corsica, Sardegna, Sicilia e le costa del basso adriatico e dello Ionio.

26 248 L Energia eolica Mappa europea del vento off-shore (Fonte: windatlas [7]) 6 INDICAZIONI ECONOMICHE L energia eolica è tra le fonti rinnovabili quella tecnologicamente più matura e più vicina alla competitività economica. I costi per l installazione di una centrale eolica (on shore) si aggirano mediamente attorno a 0,8/1 Meuro per MW installato. Tali costi comprendono tutte le fasi necessarie allo sviluppo di una centrale: la fase iniziale (individuazione del sito, studio della ventosità del sito)

27 249 iter autorizzativi, accordi con i proprietari dei terreni, ecc.; la progettazione esecutiva della centrale; la realizzazione della centrale. Fonte: EWEA [8] (European Wind Energy Associaton) Il costo dell unità di energia (kwh) prodotta da impianti eolici è frutto di un calcolo piuttosto complesso. La sua valutazione deve tenere conto di diversi fattori: in primo luogo, l investimento iniziale dell impianto, sul quale si è visto incide per circa l 80% il costo delle macchine; inoltre, occorre considerare la vita utile dell impianto e il relativo ammortamento, i tassi di finanziamento, i costi di esercizio e di manutenzione (1-3% dell investimento), l energia globale prodotta su base annua. Fonte ENEA [1]

28 250 L Energia eolica Il tempo di ritorno dell investimento per l operatore varia in funzione del costo dell elettricità pagato dall utente finale o dalle aziende acquirenti. I produttori che, in Italia, intendono immettere nella rete di media o alta tensione elettricità generata da macchine eoliche possono valorizzarla attraverso due meccanismi. cessione alla rete dei kwh prodotti; vendita dei certificati verdi, associato alla produzione di una quantità pari o multipla di kwh. Naturalmente, occorre effettuare una stima della quantità di energia prodotta dal sito eolico. Di seguito si riportano i ricavi ottenibili considerando due impianti, uno da 1 MW e l altro da MW di potenza installata e funzionanti per 2000 ore all anno. Il calcolo è stato effettuato considerando il prezzo dei Certificati Verdi stabilito dal GRTN nel 2004 pari a / MWh [9], mentre quello riferito alla vendita dell energia elettrica prodotta, al Marzo del 2005 è di 0,0682 /kwh. 7 I PICCOLI IMPIANTI EOLICI ( MINIEOLICO) Le macchine micro-eoliche, pur essendo simili agli aerogeneratori più grandi, costituiscono un settore tecnologicamente distinto da quello delle macchine di media e grande taglia: il micro-eolico è rivolto a specifici mercati di nicchia, con applicazioni che richiedono soluzioni tecniche semplificate e concepite ad hoc. Generalmente, gli impianti al di sotto di kw servono a produrre energia elettrica per autoconsumo, mentre in quelli di taglia maggiore fino a

29 kw, una parte dell energia prodotta è destinata alla vendita [12]. Le procedure autorizzative per questo tipo di impianti sono estremamente semplificate. 7.1 Principi di funzionamento di una turbina mini-eolica Le turbine eoliche denominate aerogeneratori utilizzano l energia cinetica posseduta da un flusso d aria che attraversa il rotore (costituito da pale e mozzo) dell aerogeneratore riducendo la sua velocità dal valore indisturbato di fronte al rotore, ad un valore inferiore dopo il passaggio attraverso le pale. Rappresentazione schematica di un aerogeneratore [13] Le pale della macchina (comunemente tre) sono fissate su un mozzo e nell insieme costituiscono il rotore che normalmente si posiziona controvento. Il mozzo, a sua volta, è collegato a un albero sul quale è posizionato un freno a valle del quale si trova il generatore elettrico da cui dipartono i cavi elettrici diretti alle utenze da alimentare o alla rete. Tutti questi elementi sono ubicati in una cabina detta navicella o gondola la quale a sua volta è posizionata su di un supporto-cuscinetto, orientabile in base alla direzione del vento. La navicella viene completata da un sistema di controllo di potenza,

30 252 L Energia eolica che interrompe il funzionamento della macchina in caso di vento eccessivo. Un timone posto in coda garantisce la migliore posizione della navicella in relazione alla direzione del vento. L intera navicella è poi posizionata su di una torre che può essere a traliccio, tubolare o ad aste strallate. Per l alimentazione di utenze isolate occorrono: Batterie di Accumulo; Inverter DC/AC (corrente continua/corrente alternata); Per il collegamento alla rete elettrica deve essere provvista di: Quadro elettrico completo di dispositivo di interfaccia alla rete elettrica di bassa tensione; Sistema di controllo del parallelo alla rete elettrica di bassa tensione; Inverter AC/DC/AC. Principali tecnologie presenti sul mercato, caratteristiche e applicazioni Così come gli aerogeneratori di grande taglia, le turbine minieoliche, sono classificati in due grandi categorie [12]: ad asse orizzontale; ad asse verticale; Aerogeneratore multipala La maggioranza dei microgeneratori eolici è del tipo tripala ad asse orizzontale. Le pale di norma vengono realizzate in poliestere di vetro rinforzato, dotate di timone direzionale per orientare il rotore

31 253 in direzione del vento, con alternatori a magnete permanente, semplici e robusti. Le dimensioni ridotte non consentono l alloggio dei motori di imbardata di cui sono dotate le turbine di taglia maggiore. Fra le turbine ad asse verticale, la macchina Savonius è impiegata soprattutto per il pompaggio dell acqua, ed in qualche caso anche per la produzione di energia elettrica. Macchina Darrius Il regime di rotazione è molto elevato, mentre la coppia di spunto è molto bassa e non permette a questa macchina di avviarsi spontaneamente. Aerogeneratore tripala Si tratta di una macchina molto robusta e semplice dal punto di vista costruttivo e di funzionamento. Il grande vantaggio è una elevata coppia di spunto, che gli consente di avviarsi anche con vento debole, mentre è poco adatta ai venti forti. Un altra turbina ad asse verticale è la Darrieus: fornita di pale di tipo aerodinamico, è caratterizzata da grande semplicità di costruzione e da alto rendimento. La tabella seguente riporta le caratteristiche di alcuni modelli di aerogeneratori di piccola taglia, fra quelli più diffusi sul mercato. Macchina Savonius

32 254 L Energia eolica (Fonte: Southwest Windpower, USA) Gli impianti micro-eolici di potenza inferiore a 20 kw, per le loro caratteristiche di adattabilità, semplicità tecnologica e costi contenuti, trovano applicazione soprattutto per l alimentazione di utenze isolate dal punto di vista elettrico, dove non è economicamente conveniente il collegamento alla rete. In queste situazioni si possono usare aerogeneratori di piccola taglia in combinazione con pannelli fotovoltaici e generatori diesel (sistemi ibridi), dotati di sistemi di accumulo (batterie). Altre applicazioni sono legate all alimentazione di sistemi di telecomunicazione (ripetitori, antenne di telefonia mobile installate a distanza dalla rete elettrica), sistemi di pompaggio e drenaggio di siti da bonificare, utenze di illuminazione pubblica distanti dalla rete elettrica (strade, viadotti, gallerie, fari, piattaforme, impianti semaforici, etc.). In questi casi l energia prodotta e non consumata viene immagazzinata in un sistema di accumulo formato, nella maggior parte dei casi, da batterie. Per ciò che concerne le ore annuali di funzionamento, queste dipendono dal sito di installazione, da valutare dopo esami anemometrici così come accade per le wind farm, anche se spesso, purtroppo, nel caso di impianti minieolici ci si deve basare su dati empirici basati sulla memoria umana.

33 255 L entità dell investimento infatti non sempre giustifica costose analisi anemometriche su lunghi periodi di tempo. 8 PUNTI DI FORZA E PREVEDIBILI SVILUPPI TECNOLOGICI I benefici riconducibili alla adozione di impianti minieolici sono notevoli: basti pensare alla soluzione di problemi inerenti la connessione alla rete difficilmente attuabili e comunque con costi elevatissimi. In breve si può affermare che i benefici di applicazioni di microeolico sono: servizio a zone altrimenti isolate o raggiungibili mediante opere di maggior impatto; attuazione di una politica di regionalizzazione della produzione elettrica; contributo alla diversificazione delle fonti; riduzione della dipendenza energetica da fonti convenzionali della zona interessata dal progetto; infine si evita completamente l emissione di sostanze inquinanti. Per quanto riguarda l impatto ambientale, il micro-eolico, presentando dimensioni estremamente ridotte rispetto a quelle degli aerogeneratori dei grandi impianti, presenta problematiche di integrazione rispetto al territorio altrettanto limitate. L utilizzo di aerogeneratori micro-eolici tuttavia deve essere ponderato nel contesto di uno studio di fattibilità che tenga in considerazione un posizionamento degli stessi in grado di limitare comunque gli effetti derivanti dallo stesso movimento della turbina.

34 256 L Energia eolica Sviluppi tecnologici La tecnologia dell eolico di piccola taglia si è orientata principalmente molto verso la configurazione di turbina tripala: infatti questa, rispetto al bipala, produce un minor impatto visivo in virtù di una maggior simmetria quando le pale sono ferme e di una rassicurante velocità di rotazione quando sono in movimento, creando minori vibrazioni. Valutazioni delle emissioni evitate La produzione di energia elettrica attraverso generatori eolici esclude l utilizzo di qualsiasi combustibile, quindi azzera le emissioni in atmosfera di gas a effetto serra e di altri inquinanti. Le stime effettuate fanno riferimento ad una velocità media del vento di 5,4 m/s. Parametri di dimensionamento di massima Il dimensionamento di un impianto domestico (max 20 kw destinato all autoconsumo) è funzione di: ventosità del sito; area disponibile per la macchina eolica; energia utilizzabile dalle utenze; capitale disponibile di chi fa l investimento. Anche se la ventosità del sito e lo spazio a disposizione consentono di installare potenze elevate, bisogna tenere in considerazione

35 257 l effettivo fabbisogno energetico dell utenza che si intende servire, poiché l energia elettrica prodotta e non consumata non può essere immessa in rete e quindi va sprecata. I rotori più piccoli adatti a minime applicazioni domestiche, si attestano attorno a una potenza di 500W a cui corrisponde un diametro minimo del rotore pari a poco più di un metro, fino ad arrivare a 8 metri per taglie da 15 a 20 kw. Il dimensionamento degli impianti di potenza nominale superiore ai 20 kw viene fatto per sfruttare al massimo il vento e lo spazio a disposizione e quindi per massimizzare la quantità di energia prodotta e immessa in rete. Gli aerogeneratori fino a 100 kw di potenza sono dotati di rotori di diametro fino a 20 metri e le torri possono raggiungere 20 metri di altezza. 9 INDICAZIONI ECONOMICHE Tecnicamente gli aerogeneratori di piccola taglia presentano le stesse caratteristiche degli apparecchi di taglia superiore, ma la diffusione ancora limitata ne determina un più elevato costo medio valutabile in circa /kw di potenza nominale installata, contro un costo compreso fra 800 e /kw per gli aerogeneratori di taglia medio-grande, a seconda delle caratteristiche morfologiche del sito prescelto. Come si evince dalla seguente tabella, la percentuale del costo della turbina incide per il 46-50% dell investimento totale.

36 258 L Energia eolica Costi di un impianto eolico per uso domestico (5-10 kw) [15] Un impianto allacciato a rete costa almeno il 10% in meno di uno con batterie. 9.1 Valutazione dei risparmi energetici ed economici. Per una trattazione immediata, ai fini dei risparmi energetici, di seguito viene riportato un raffronto fra i costi di allaccio di un utenza elettrica rurale da 3 kw di potenza per uso domestico e i costi di realizzazione di un impianto eolico stand alone da 400 W di potenza nominale, per la produzione di 38 kwh mensili con vento a 5,4 m/s di media. Come si evince dalla tabella, l installazione di un impianto minieolico di servizio ad un utenza rurale che utilizzi servizi di base quotidianamente o stagionalmente, non risulta molto più onerosa dell allaccio di un contatore elettrico tradizionale. Il divario si riduce ulteriormente con l applicazione dell aliquota IVA, che nel caso dell impianto minieolico è del 10% in regime agevolato, contro il 20% dell allaccio del contatore elettrico. Da considerare inoltre i costi relativi alla fornitura di energia elettrica, che nel caso di un consumo di 38 kwh mensili ammontano a circa 176,00 iva compresa all anno, fra costi fissi e variabili. Ad ulteriore vantaggio della scelta di un impianto minieolico, va detto infine che talvolta i tempi di attesa per un allaccio alla rete elettrica superano 360 giorni.

37 I materiali utilizzati per la realizzazione del suddetto impianto presentano determinate peculiarità in termini di scelta di alcune apparecchiature (vedi Inverter) e pertanto si discostano di alcuni punti percentuali le ripartizioni presentate nella tabella di costi standard di cui al precedente paragrafo. 259

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