IMPIANTI EOLICI

Pressione atmosferica

L'energia del vento è legata al movimento di masse d'aria che si spostano al suolo da aree ad alta pressione atmosferica verso aree adiacenti di bassa pressione, con velocità proporzionale al gradiente di pressione.

Vento

I venti sono fondamentalmente dovuti al riscaldamento disuniforme della superficie terrestre da parte del sole. Nel corso del giorno, le masse d'aria sovrastanti gli oceani, i mari e gli specchi lacustri restano fredde in rapporto a quelle situate al di sopra delle masse continentali, poiché gran parte dell'energia radiante proveniente dal sole viene consumata per far evaporare l'acqua o è assorbita dall'acqua stessa. Invece i continenti assorbono una minore quantità di luce solare e ugualmente in essi l'evaporazione è minore, per cui l'aria al di sopra delle terre emerse si espande, diviene più leggera e si solleva. Conseguentemente l'aria più fredda e più pesante che proviene dai mari e dagli oceani si mette in movimento per prendere il suo posto.

Anemometro

Il metodo più immediato per quantizzare un vento consiste nel misurarne la velocità.

A tale scopo sono stati costruiti degli strumenti, chiamati anemometri, che realizzano tale misura basandosi su principi fisici diversi.

Fra i più usati, il più semplice è il cosiddetto anemometro a coppe con contagiri; oltre a questo tipo esistono anemometri ad ultrasuoni ed anemometri laser, questi ultimi hanno il vantaggio di non risentire degli effetti negativi della formazione di ghiaccio.

L'Anemometro a coppe

Nell'anemometro a coppe, il vento, soffiando sulle coppe, le pone in rotazione attorno ad un asse delle vere e proprie centrali elettriche. Gli aerogeneratori sono disposti secondo geometrie precise, per non creare ostacoli tra le macchine e per permettere la migliore esposizione verso le direzioni dei venti. In genere, aerogeneratori medi, con le pale lunghe circa 20 metri, vengono installati a una distanza di 200 metri uno dall'altro. Oltre ai grandi impianti esistono anche le piccole applicazioni per i privati e le piccole industrie; in questo caso è presente un solo piccolo generatore e l'impianto si dice 'mini-wind'.

Gli impianti off-shore

Una possibilità produttiva da non sottovalutare è quella fornita dall'eolico off-shore, cioè degli impianti eolici costruiti e posizionati sul mare ad alcuni chilometri dalla costa. I vantaggi sono

evidenti: il vento molto più uniforme e non risente dell'attrito terrestre, non ci sono problemi legati all'occupazione del territorio e vincoli di tipo paesaggistico per la maggioranza delle coste. Gli svantaggi invece sono riferibili a costi d'impianto e di manutenzione più alti e da difficoltà maggiori di collegamento alla rete elettrica; per cui potrebbe rendersi necessario qualche cambiamento tecnologico per sfruttare questo enorme potenziale. Sono un'utile soluzione per tutti i paesi densamente popolati e con scarsa disponibilità di terreno. Secondo alcune stime, gli impianti eolici nei mari europei potrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri. Il primo impianto off shore (11 macchine per un totale di 5 MW) è stato realizzato nel mar Baltico allargo di Vindeby in Danimarca agli inizi degli anni '90. Attualmente in Europa sono operative 5 centrali off-shore installate in Olanda, Svezia e Danimarca. In Italia non esiste ancora nessun impianto off­shore anche se si pensa alla creazione di strutture di modernissima concezione, lontane dalla costa, eliminando così l'impatto visivo da terra.

Le emissioni risparmiate con l'eolica

Una fattoria del vento capace di generare energia che soddisfi le necessità di circa 7.000 famiglie, risparmia all'atmosfera 22.000 tonnellate di anidride carbonica, 125 di anidride solforosa e 43 di ossido di azoto (quelle che emette invece una fonte energetica tradizionale). Ogni anno, grazie alla produzione di circa 4 milioni di megawattora viene risparmiata l'immissione in atmosfera di circa 17 milioni di tonnellate di anidride carbonica, 45.600 di ossidi di azoto e 33.600 di anidride solforosa.

Dove si installa un impianto eolico

Per produrre energia elettrica in quantità sufficiente è necessario che il luogo dove si installa l'aerogeneratore sia molto ventoso. Per calcolare l'energia eolica potenzialmente sfruttabile in una determinata zona bisogna tenere conto di alcuni fattori: la conformazione del terreno e l'andamento nel tempo della direzione e della velocità del vento. In genere, la posizione ideale per un aerogeneratore è in un terreno piano e vasto, con una pendenza compresa tra i 6 e i 16 gradi. Il vento deve poi superare la velocità di almeno 5,5 metri al secondo e deve soffiare in modo costante per gran parte dell' anno. I migliori siti eolici off-shore, invece, sono quelli con venti che superano la velocità di 7-8 metri al secondo, che hanno bassi fondali (da 5 a 40 metri) e che sono situati a oltre 3 chilometri dalla costa.

Caratteristiche costruttive di un Aerogeneratori

La macchina e costituita da tre elementi base che sono:

Navicella

Torre di sostegno

Sistema di controllo.

Navicella

Al suo interno sono installati tutti i meccanismi e le apparecchiature necessarie al funzionamento, in particolare il generatore, l'eventuale moltiplicatore e le apparecchiature elettriche ed elettroniche di controllo e potenza. La navicella e provvista di un dispositivo di rotazione attorno al suo asse verticale per potersi orientare in funzione della direzione del vento che può essere in coda sottovento, vento proveniente dal lato opposto a quello del rotore o sopravento, di direzione opposta.

La navicella e a sua volta composta da quattro elementi principali:

Rotore

Moltiplicatore

Generatore

Meccanismo di rotazione

Rotore

Il rotore è composto da un mozzo sul quale sono montate le pale, in maniera fissa o con cuscinetti per la rotazione di ognuna di esse attorno al proprio asse longitudinale, per consentire la regolazione come spiegato successivamente. All'interno del mozzo sono spesso installati i meccanismi elettrici e le altre apparecchiature necessarie al funzionamento per questa regolazione. Il mozzo può essere rigido o oscillante, il primo compie solo la rotazione insieme alle pale, il secondo consente al rotore di oscillare di alcuni gradi perpendicolarmente al piano di rotazione, riducendo gli sforzi al piede della pala dovuti alle raffiche, allo strato limite e all'effetto di schermatura della torre (spiegati successivamente).

Il mozzo è collegato, con opportuna flangia, all'albero principale della trasmissione (moltiplicatore), costituito di albero lento e albero veloce, o direttamente al generatore; l'asse di rotazione può essere orizzontale o leggermente inclinato (rispetto all'orizzontale).

Come descritto precedentemente l'installazione del rotore può essere sopravento e sottovento rispetto alla torre. Il funzionamento sottovento rende la navicella automaticamente parallela rispetto alla direzione del vento ed in teoria consentirebbe di eliminare il meccanismo di rotazione, possibilità più teorica che

pratica, come vedremo in seguito.                                     

Un significativo vantaggio è invece rappresentato dal fatto che la flessibilità delle pale non genera problemi di interferenza con la struttura della torre di sostegno, consentendo di realizzare macchine più leggere ed efficienti. L'unico svantaggio di questa soluzione è l'effetto di schermatura costituito dalla torre che si frappone tra il vento e le pale, causando carichi pulsanti (folate di vento non costanti, variabili) che generano fenomeni di fatica strutturale sulla torre stessa e disuniformità della velocità di rotazione.

Il funzionamento sopravento ha vantaggi e svantaggi quasi speculari a quelli sopra descritti e richiede quindi maggior rigidità delle pale unita ad una maggiore distanza delle stesse dalla torre.

L'effetto di schermatura della torre è comunque presente con un disturbo sul moto del vento in uscita dalle pale ma di entità inferiore e saranno quindi meno cospicui i carichi pulsanti ed i disturbi che ne derivano. L'intensità del vento che investe le parti più alte del rotore è maggiore di quella che investe le parti più basse,questo fenomeno è chiamato strato limite.

Attualmente sono previste tre configurazioni di rotore, relativamente alle pale:

Tri-pala: Il più diffuso, ha velocità di rotazione relativamente bassa, circa 30 rpm, grazie alla elevata coppia specifica generata e una resa energetica leggermente superiore agli altri tipi. Normalmente risulta essere più costoso dei tipi bi-pala e mono-pala di seguito descritti sia per quanto riguarda la realizzazione che per il trasporto ma garantisce il miglior rapporto dimensione/potenza.

Bi-pala: Ha caratteristiche intermedie tra il tri-pala ed il mono-pala. Ha velocità di rotazione più elevate, circa40 rpm, rispetto al tri-pala ed è generalmente più economico, in particolare per quanto concerne il trasporto. Risulta essere più sensibile all'effetto torre ed alla inevitabile variabilità della velocità del vento il cui valore tende a diminuire in modo significativo in prossimità del suolo, inconveniente a cui si pone rimedio, nelle esecuzioni più recenti, con l'adozione di un mozzo oscillante attorno ad un asse normale a quello di rotazione che consente al rotore di auto-equilibrarsi sotto l'azione combinata dell'effetto giroscopio generato dalla rotazione e della spinta del vento.

Mono-pala: E l'evoluzione più recente, ha velocità ancora più elevate, circa 60 rpm, e risulta essere il più economico in assoluto. La configurazione ad una sola pala richiede l'applicazione di un contrappeso che bilanci la massa della pala stessa. In questa esecuzione è obbligatoria l'oscillazione del rotore prima descritta per il tipo bi-pala dato il notevole sbilanciamento derivato dal carico del vento che agisce sull'unica pala. La facilità di trasporto di questo tipo di aerogeneratore rende possibile la sua installazione nelle località più impervie. In Italia sono numerosi gli aerogeneratori di questo tipo. L'elemento fondamentale del rotore è la pala che rappresenta, assieme al sistema di regolazione, il nocciolo duro della progettazione di un aerogeneratore. Le pale dell'aerogeneratore sono attualmente realizzate, nella maggior parte dei casi, in materiali compositi rinforzati con fibre di vetro che rappresentano il miglior compromesso tra costi e prestazioni. Nei modelli più innovativi, particolarmente per il tipo mono-pala, si è fatto ricorso alle . fibre di carbonio che, a fronte di costi superiori, possono fornire migliori prestazioni come insegna la tecnologia applicata nella realizzazione delle vettura da competizione.

Classificazione rotori degli aerogeneratori

I rotori possono essere raggruppati in tre famiglie principali: Rotori ad asse verticale

Il rotore gira con un asse perpendicolare alla direzione del vento, mentre le pale si muovono nella stessa direzione. Tipici esempi sono i rotori Savonius, i più semplici di questi tipi di rotore. La caratteristica di queste macchine è la loro bassa velocità di rotazione, il momento motore elevato e il modesto rendimento. Sono adatti per utilizzazioni meccaniche come le pompe per l'acqua. L'uso dei rotori ad asse verticale è ormai limitato ad ambienti rurali anche se negli ultimi anni questi rotori stanno risvegliando l'interesse di alcune aziende. Hanno il notevole vantaggio di non doversi orientare secondo la direzione del vento.

Rotori ad asse orizzontale

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L'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento e ruota su un piano perpendicolare alla direzione. L'elica è l'esempio tipico e più diffuso. Le caratteristiche peculiari sono: alta velocità di rotazione, che permette di accoppiare dei generatori di elettricità, direttamente o con degli

…ingranaggi molto modesti, evitando che la gran parte della potenza estratta sia dissipata in trasmissioni complicate, area frontale utilizzata totalmente, elevato coefficiente di portanza e quindi elevata potenza e rendimento. Sono utilizzati principalmente per produrre elettricità. Gli svantaggi sono: difficoltà di realizzazione, grandi ripercussioni negative sulla macchina per minimi errori progettuali.

Rotori ibridi

Costituiscono la famigli più recente e derivano dal tentativo di riunire in un'unica soluzione i vantaggi dei due tipi precedenti. Esempi tipici sono il rotore Darrenius e la Cycloturbina.

Con questo tipo di rotori è possibile ottenere elevate velocità di rotazione senza le difficoltà costruttive e i costi di un'elica, non devono essere orientati nel vento, hanno coefficienti di potenza vicini al valore

teorico.

Regolazione del pitch

Una importante caratteristica delle pale è la possibilità di variare l'angolo di 'calettamento' (pitch) della pala attorno al proprio asse longitudinale, ottenendo di conseguenza una variazione dell'angolo della pala rispetto alla direzione relativa del vento.

Questa funzione consente di ottenere un moto rotatorio il più possibile uniforme e permette di controllare in modo efficace le operazioni di avvio e fermata dell'aerogeneratore.

Il controllo del pitch viene realizzato o per mezzo di servomeccanismi simili a quelli che sono instal1ati sui rotori degli elicotteri, tipicamente un sistema di bielle che trasformano la traslazione di un attuatore lineare contenuto nella navicella in un moto rotatorio attorno all'asse della pala o, più recentemente, con motoriduttori elettrici o oleodinamici montati direttamente nel mozzo. Il meccanismo di attuazione del pitch deve essere progettato con estrema cura.

Considerando che, a seconda dei tipi di aerogeneratore, potremmo avere regolazioni del pitch aventi frequenza pari al regime di rotazione, possiamo facilmente dedurre che questo dispositivo deve poter sopportare un numero così elevato di carichi pulsanti da richiedere un dimensionamento a fatica a cicli infiniti.

Il dispositivo di controllo del pitch deve infine essere in grado di portare la pala in 'parcheggio' ogni volta che le condizioni operative e eventuali malfunzionamenti lo richiedano tipicamente sono previsti sistemi con logica passiva e 'backup' elettrico o oleodinamico (in mancanza di input il sistema porta automaticamente la pala in condizione di 'parcheggio').

Moltiplicatore

L'accoppiamento del rotore, la cui velocità di rotazione varia, come abbiamo visto, tra i 30 rpm ed i 60 rpm, con un generatore di corrente che tipicamente, per una configurazione a 4 poli, ha velocità di regime di circa 1500 rpm per poter produrre corrente a 50 Hz, richiede solitamente l'uso di un opportuno moltiplicatore.

Allo scopo vengono utilizzati moltiplicatori che possono essere di tipo epicicloidale o ad assi paralleli. Grande cura deve essere usata nella progettazione di questi dispositivi, che dovranno soddisfare al meglio i seguenti requisiti:

Ingombro limitato e massa ridotta

Massima durata ed affidabilità

Silenziosità.

Chiunque si sia cimentato nella progettazione di un riduttore comprende come questi requisiti siano di non facile realizzazione. A corredo del sistema di accoppiamento tra turbina eolica e generatore (albero veloce) sono previsti dei freni di stazionamento, di solito del tipo a disco, che provvedono al bloccaggio del rotore in parcheggio per poter eseguire lavori di manutenzione in sicurezza.

Generatore

Supponiamo di realizzare un sistema costituito da tre nuclei di ferro disposti a 120°.

Attorno ad ognuno dei nuclei avvolgiamo a spirale un conduttore elettrico che sarà collegato ad una delle tre fasi di alimentazione, realizzando un cosiddetto elettromagnete (la corrente elettrica che percorre le spirali genera un campo magnetico avente direzione legata al verso della corrente che interessa (magnetizza) il nucleo contenuto ed invertendo il verso della corrente che percorre la spirale avremo una inversione dei poli magnetici del nucleo).

Poniamo, al centro geometrico di questo sistema tripolare, un magnete permanente che abbia la possibilità di ruotare attorno ad un asse normale al piano in cui abbiamo disposto i tre poli.

Se alimentiamo i conduttori con una corrente trifase otterremo che ciascun nucleo venga ciclicamente polarizzato nei due versi realizzando, in pratica, un campo magnetico rotante.

La velocità di rotazione del campo magnetico sarà legata alla frequenza della corrente alternata di alimentazione ed al numero dei poli dello statore e del rotore.

Per esempio una corrente alternata avente una frequenza di 50 Hz produrrà un campo magnetico rotante ad una velocità di 50 giri al secondo nell'esempio ora descritto.

Osserviamo infine come, aumentando il numero dei nuclei statorici (poli) e proporzionalmente quello dei poli rotorici, avremo una proporzionale riduzione della velocità di rotazione del campo magnetico.

Tornando al magnete permanente posto al centro dei poli, osserveremo come la rotazione del campo magnetico produrrà la rotazione del magnete; avremo così realizzato un motore elettrico sincrono. Se a questo punto applichiamo una coppia rotante al magnete centrale vedremo come, all'aumentare del suo valore, non avremo un corrispondente aumento della velocità di rotazione come potrebbe accadere per una qualsiasi massa rotante, per esempio un volano.

Ne consegue che il campo magnetico rotante dello statore cerca di mantenere il rotore correttamente orientato rispetto al verso delle sue polarità.

Il principio di conservazione dell'energia ci suggerisce che la coppia in ingresso viene in qualche modo trasformata e dissipata per poter mantenere costante la velocità di rotazione; il risultato di questo processo è la produzione di energia elettrica che, per mezzo di opportuni dispositivi, viene ceduta alla rete.

Lo statore risulta costituito da una serie di avvolgimenti posti in cave ricavate nel diametro interno della cassa e nel rotore i magneti permanenti vengono rimpiazzati da elettromagneti alimentati dalla corrente di rete opportunamente trasformata e trasmessa da collettori rotanti ma, a grandi linee, questo è il principio funzionale.

Nei generatori eolici vengono poi spesso utilizzati generatori asincroni, derivazione dei comuni motori elettrici asincroni, essenzialmente diversi per quanto riguarda il rotore che risulta costituito, nell'esecuzione detta a gabbia di scoiattolo, da una serie di barre conduttrici collegate alle loro estremità a due anelli e da un nucleo.

In questo caso il campo magnetico statorico genera nel rotore correnti indotte che producono a loro volta un campo magnetico indotto.

Il generatore asincrono, a differenza di quello sincrono, deve girare ad una velocità leggermente superiore (circa 1 % a piena potenza) a quella del campo magnetico rotante per poter produrre energia.

Il rapporto tra la velocità sincrona e quella di funzionamento è detto scorrimento e ha, in funzione della coppia applicata, piccole variazioni. Questa caratteristica rende il generatore asincrono particolarmente adatto a funzionare con una coppia fluttuante quale è quella prodotta dal rotore eolico.

In alternativa alla soluzione che prevede l'inserimento di un moltiplicatore tra il rotore ed il generatore è possibile realizzare un accoppiamento diretto tra questi due elementi.

Quest' ultima soluzione semplifica di molto la parte meccanica della macchina e consente una notevole riduzione della dimensione e della massa della navicella ma ha lo svantaggio di richiedere un generatore provvisto di un numero di poli idoneo a consentire la generazione di corrente alla frequenza richiesta.

Ricordando che, per produrre corrente a 50 Hz, un generatore a 4 poli deve girare a 1500 rpm ne consegue che, per una velocità di rotazione del rotore di 30 rpm, sarà richiesto un generatore provvisto di 200 poli.

Un numero limitato di costruttori ha puntato su questa seconda opzione innovativa riuscendo in effetti ad ottenere aerogeneratori di costruzione più semplice ma la maggioranza si è affidata alla prima configurazione.

Rotazione della navicella

Ne sono provvisti tutti gli aerogeneratori di un certo livello.

La rotazione della navicella consente l'opportuno orientamento della turbina eolica rispetto alla direzione del vento che, per definizione, è variabile.

Il meccanismo di rotazione della navicella è comunemente realizzato per mezzo di una ralla dentata su cui si impegnano uno o più pignoni azionati dai relativi motoriduttori poiché tra navicella e torre deve esistere un cavo elettrico di collegamento per portare a terra l'energia elettrica prodotta dal generatore, la rotazione che la navicella può effettuare attorno all'asse della torre è limitata dalla possibilità di avvolgimento del cavo su se stesso.

Un apposito sistema di feed-back, tipicamente un encoder impegnato con la ralla dentata, controlla la rotazione e, se viene raggiunto il punto di fine corsa a seguito di una successione di correzioni di verso concorde, rovvede alla eventuale fermata della macchina ed al ripristino della condizione di partenza.

Torre di sostegno

Ha funzione di sostegno della navicella. Alla base della torre sono necessarie, come per tutte le strutture civili o industriali, delle fondazioni, cioè delle strutture che trasferiscono a terra i carichi che agiscono sulla !macchina eolica: peso proprio, spinta del vento. Nelle versioni più semplici la torre di sostegno è costituita da un traliccio simile a quelli utilizzati per il sostegno dei cavi degli elettrodotti. Questa soluzione ha lo svantaggio di essere strutturalmente molto rigida e di trasmettere quindi alle fondazioni tutti i carichi generati dalla navicella, particolarmente elevati in certe condizioni transitorie.

La tendenza attuale è quella di realizzare torri di sostegno molto elastiche che riescono a 'tagliare', con la loro deformazione, carichi pulsanti o istantanei, con notevoli vantaggi nella realizzazione delle fondazioni. Da un punto di vista costruttivo la torre viene realizzata con elementi componibili di forma tronco-conica, collegati con flange o ad incastro. All'interno della torre corrono i cavi di collegamento con la navicella ed è installata una scala che permette la salita alla navicella. Alla base della torre di sostegno possono essere installate le apparecchiature di controllo e collegamento alla rete.

Sistema di controllo

Si articola in due sistemi principali:

Sistema di controllo della funzionalità

Viene comunemente realizzato da due PLC (controllori), uno installato a bordo della navicella e l'altro alla base della torre di sostegno, che sovrintendono a tutte le funzionalità della macchina. La logica funzionale della gestione e del controllo dei parametri operativi, che sono normalmente dell'ordine delle centinaia, è fattore determinante per quanto riguarda l'efficienza e l'affidabilità della macchina e viene quindi normalmente prevista di tipo ridondante (funzioni duplicate).

l vari azionamenti vengono di solito realizzati per mezzo di una centralina idraulica unitamente ad eventuali motoriduttori elettrici, di solito impiegati per la rotazione della navicella.

Una funzione estremamente importante delegata al sistema di controllo è l'autodiagnosi che verrà in seguito descritta. Nei modelli più recenti è prevista la possibilità di monitorare in modo remoto, via modem (quadri di controllo) , il funzionamento della macchina, funzione utile alla prevenzione di guasti importanti ed alla raccolta di dati utili alla progettazione di nuove macchine.

Sistema di controllo della generazione

Viene di solito posizionato alla base della torre o in un locale attiguo ad essa.

A seconda del tipo di generatore installato sono possibili soluzioni notevolmente diverse tra di loro. Riassumiamo i due principali sistemi.

Il sistema più semplice prevede la connessione diretta alla rete.

Il vantaggio risiede naturalmente nella semplicità e quindi nel costo relativamente basso del sistema mentre il principale svantaggio deriva dalla necessità di un sistema di controllo della velocità di rotazione della turbina eolica il più possibile uniforme.

Il secondo sistema consiste in una connessione indiretta alla rete. La corrente generata viene raddrizzata e successivamente ritrasformata in corrente alternata di frequenza corrispondente a quella della rete per mezzo di ponti di tristori combinati con un sistema di filtraggio costituito da induttanze e condensatori aventi funzione di rendere la corrente prodotta compatibile con i parametri della rete a cui la macchina è collegata.

Questo sistema risulta essere più costoso di quello a connessione diretta ma offre l'importante vantaggio di permettere ampie variazioni della velocità di rotazione che permettono di semplificare o addirittura di eliminare il controllo del pitch delle pale.

Trasformatore

Il trasformatore è quell' elemento che si interpone tra la centrale e la rete elettrica_ ha la funzione di variare la corrente dalla tensione d'uscita del generatore a quella (alta o media tensione),della linea elettrica. Il trasporto della corrente elettrica avviene infatti ad alta tensione per ridurre le perdite per effetto Joule lungo la linea.

Funzionamento

Particolarmente interessante è analizzare il modo completamente autonomo in cui un aerogeneratore funziona.

Per mezzo di anemometri installati sul tetto della navicella viene continuamente misurata direzione ed intensità del vento. Poiché il vento è per definizione mutevole ed incostante il primo problema da risolvere è definire i criteri secondo i quali risulta conveniente avviare la macchina.

Quando si realizzano le condizioni richieste per l'avviamento, rappresentate da permanenza di un vento di direzione abbastanza stabile e velocità superiore 3-5 m/s per un tempo sufficiente per ipotizzare una condizione relativamente stabile, viene iniziata la procedura di avviamento.

Per prima cosa la macchina esegue una procedura di autodiagnosi, durante la quale viene verificato il funzionamento di tutti i meccanismi.

La macchina si dispone in direzione ottimale rispetto alla direzione del vento e, agendo sulla regolazione del pitch delle pale, inizia a ruotare simulando l'inizio di una rampa di avviamento. Una volta verificato il corretto funzionamento di tutti i dispositivi la procedura di avviamento viene abortita e si porta la macchina in stand-by, completando così la verifica funzionale.

Ultimati i controlli inizia la procedura di avviamento reale che porta, attraverso una rampa controllata dell'incremento della velocità realizzata per mezzo della regolazione del pitch della pala, al raggiungimento della velocità di regime. Viene a questo punto realizzato il parallelo del generatore con la rete ed infine si effettua il collegamento con la rete; a questo punto il generatore inizia a produrre energia elettrica.

Durante il funzionamento a regime il sistema di controllo verifica in modo continuo i parametri relativi al vento ed automaticamente orienta la navicella e regola il pitch delle pale per garantire una velocità di rotazione il più possibile uniforme.

Se la velocità del vento scende al di sotto del valore minimo di avviamento precedentemente definito o raggiunge un valore troppo elevato, normalmente oltre i 25 m/s, viene attivata la procedura di shut-down che porta, attraverso una rampa controllata o in modo repentino, a seconda della condizione, alla fermata dell'apparecchio.

E' altresì prevista una manovra di shut-down di emergenza che porta rapidamente la macchina in fermata nel caso si verifichino anomalie gravi nel funzionamento e perdita del carico di rete.

Nei tipi mono-pala e bi-pala provvisti di oscillazione delle pale è normalmente previsto anche un dispositivo di bloccaggio dello stesso quando la velocità di rotazione scende al di sotto di un valore per il quale l'effetto stabilizzante della forza centrifuga sulle pale viene ad essere insufficiente a contenere le oscillazioni per effetto della disuniformità della spinta del vento e l'effetto di schermatura della torre.

Vantaggi e svantaggi

L'elettricità prodotta dal vento

I mulini a vento esistono da secoli, e in tempi remoti si sono rivelati indispensabili per fornire l'energia usata per pompare acqua o macinare grano. Oggi, mulini a vento di piccole dimensioni per la produzione di energia posso essere utili in zone remote, senza accesso alle reti pubbliche di distribuzione di elettricità. Seppur costosi, posso essere accettabili se i proprietari hanno bisogno di elettricità solamente quando soffia il vento, o se collegati ad un sistema di batterie per l'accumulo di elettricità da sfruttare nel momento del bisogno.

Del tutto diversi sono i 'mulini a vento' a larga scala industriale, che i difensori dell'eolico sostengono come mezzo di produzione di elettricità in grado di alimentare la rete elettrica per rifornire attività commerciali, industrie, e la popolazione in generale. Queste centrali eoliche consistono in grandi aerogeneratori montati su alte torri (alte 200 o più piedi), alimentati da lunghe pale (con un raggio di 150 o più piedi) con una altezza complessiva che può andare dai 300 ai 465 piedi.

Tali torri devono essere impiantate in aree con notevole quantità di vento. A seconda del modello, le turbine iniziano a produrre una piccola quantità di energia nel momento in cui la velocità del vento raggiunge circa 9 miglia orarie, raggiungono la capacità massima di produzione intorno alle 33 miglia orarie, e si bloccano quando la velocità del vento raggiunge le 56 miglia orarie (velocità del vento maggiori possono danneggiare le macchine). Quando la velocità del vento non rientra nei suddetti limiti le turbine non producono elettricità. L'elettricità prodotta viene trasmessa attraverso cavi che scorrono al di sotto delle torri, collegati alle grandi linee della rete per trasportare l'energia elettrica lì dove serve.

1 miglio = 1,61 chilometri

1 piede = 0.3048 metri

I costi dell'elettricità prodotta dal vento

L'industria eolica che comprende chi fabbrica le turbine, le torri, le pale e le altre apparecchiature, chi possiede le centrali eoliche e chi le gestisce - ha esaltato i vantaggi dell' energia prodotta dal vento. Tuttavia, con le sempre crescenti richieste di costruzione di centrali eoliche, le affermazioni dell' industria eolica e degli altri suoi difensori sono sempre più sottoposte a stringenti verifiche, come spiegherò di seguito. Il sistema di incentivi sta incontrando una crescente e forte opposizione da parte di molte, diverse, impreviste realtà sociali ed economiche.

- Con impianti di grande dimensione viene prodotta poca elettricità.

Il DOE (Dipartimento dell'energia degli U.S.A.) e l'industria eolica hanno affermato che, entro 'il 2020, si potrebbe ricavare dal vento il 5% dell'energia elettrica nazionale. Tuttavia, una valutazione più obiettiva effettuata dall'U.S. Energy Information Administration (Amministrazione sull'Informazione Energetica degli Stati Uniti) indica che il vento può provvedere soltanto allo 0,61 % della nostra elettricità entro il 2020.

In contrasto con le loro enormi dimensioni, le torri eoliche su scala industriale producono pochissima elettricità e soltanto quando il vento soffia entro specifiche velocità. Alla fine del 2002, negli Stati Uniti erano presenti circa 15.000 torri eoliche su scala industriale, disseminate su migliaia di ettari in 27 stati. Il novanta per cento della capacità in 6 stati: California, Texas, Iowa, Minnesota, Washington e Oregon. Tutte queste torri messe insieme producono meno elettricità di un impianto nucleare, un grande impianto a carbone o due moderni impianti a gas.

Poiché la turbina eolica produce solo quando il vento soffia entro specifiche velocità, il rendimento è intermittente, altamente variabile, e largamente imprevedibile. Dunque, l'elettricità ha un valore minore dell'energia elettrica fornita da impianti in grado di produrre in ogni momento.

Chi è favorevole all'energia eolica afferma che il costo dell'elettricità prodotta dal vento è stato ridotto nettamente, ma richiede ancora incentivi governativi. Di fatto, il costo reale dell'elettricità prodotta dal vento è molto più alto di quanto ammesso dai difensori dell' eolico, che tralasciano

elementi determinanti quali: ;

1. La spesa per rifornire 'energia di emergenza' nei casi di non produzione o di intermittenza e variabilità degli aerogeneratori, dovuti alla assenza di vento o a venti non utilizzabili - per evitare appunto che i vasti sistemi elettrici vadano in black-out, e possano mantenersi in equilibrio produttivo.
2. costi extra per la gestione della trasmissione e della rete elettrica eolica sempre a causa dell'intermittenza, della variabilità e della limitata previsione di rendimento e dell'uso inefficiente della capacità di trasmissione.
3. Incentivi e aiuti che ricadono sui contribuenti e sui consumatori di energia elettrica, con solo beneficio dei proprietari delle centrali eoliche. A causa degli elevati costi di trasporto non sono adatti, per l'installazione di una centrale, zone lontane dai luoghi d'utilizzo.

Inquinamento acustico

La questione del rumore, tanto per iniziare da un dato effettivo, è in primo piano nei progetti di nuove macchine e appare, nel frattempo, assai meno problematica se la confrontiamo non con l'assoluto (e mai tale, in realtà) silenzio della campagna, ma con altri rumori assai più insistenti cono sufficiente ad cui conviviamo ogni giorno. A meno che non si voglia metter su casa entro un raggio di trecento metri da una wind farm, scopriamo che il ronzio degli aerogeneratori è ben al di sotto, in termini di decibel, del chiasso di un ufficio pubblico o del rumore che sentiamo stando in automobile o in mezzo al traffico, senza mai arrivare a quello di molte industrie attive nelle periferie delle città. Lo stesso vento che soffia, di per se, certe notti fa più rumore di una wind farm.

Inquinamento elettromagnetico

La macchina eolica può influenzare le caratteristiche delle telecomunicazioni, la qualità del collegamento in termini di segnale-disturbo e la forma del segnale ricevuto con possibile alterazione dell' informazione.

Estetica

A chi protesta per la presenza di macchine a vento che turbano il paesaggio, per esempio, possono essere ricordate le vicende della torre Eiffel e di molte altre architetture industriali, o comunque innovative, che per anni e anni sono state criticate e denigrate, per poi essere pienamente integrate e accettate nel 'paesaggio' naturale e culturale in cui erano immerse. Certamente le wind farm, per funzionare bene, devono sorgere in posizioni esposte, su altipiani, sulle coste o comunque su terreni aperti, così da rendere massima la resa elettrica. Dovranno 'vedersi', in sostanza, ma non è detto che non possano competere 'in simpatia' con i vecchi mulini a vento, di cui sono le discendenti e le attuali testimoni di una nuova' estetica ecologica'. Ciò non toglie che il fattore estetico debba far parte delle precauzioni da osservare al momento di costruire un impianto soprattutto per quanto riguarda: il terreno su cui va costruito e le sue caratteristiche, il numero e il formato degli aerogeneratori, il design e i colori delle macchine, la disposizione e l'allineamento, il profilo del paesaggio in cui l'impianto deve inserirsi. Oggi si preferiscono macchine disposte su una sola fila e colori neutri (come il bianco) per le macchine.

Rapporto con gli ecosistemi

Gli animali non sembrano affatto risentire della presenza delle nuove macchine a vento. Sembra proprio, alla luce di quanto già sperimentato, che ai piedi degli aerogeneratori la campagna possa continuare tranquillamente la sua vita e i suoi ritmi. Non a caso le distanze tra le macchine permettono la coltivazione del terreno e il pascolo del bestiame.

Per gli uccelli c'è stato qualche pericolo in più, specialmente in passato, quando le macchine eoliche avevano tutt'altra tecnologia. Studi specifici, a questo riguardo, sono stati condotti dal Rin (Research lnstitute for Nature Management) che ha potuto constatare come le perdite siano praticamente irrilevanti e comunque molto inferiori a quelle dovute al traffico di auto e agli stessi pali della luce e del telefono; questi animali, spesso dotati di ottima vista, non hanno problemi nell'individuare in volo queste grosse macchine (alte fino a 80-1O0m e con pale larghe anche 2m). E' comunque una nota raccomandazione e cura di ogni buon costruttore di wind farm quella di tenere in considerazione le rotte degli uccelli migratori. Rispettando tutte queste accortezze, insomma, si può ben dire che, tra tutte le industrie produttrici di energia, quella eolica è certo tra le più pulite e sicure. Non solo durante il funzionamento, ma anche per il fatto che, il 'giorno dopo' lo smantellamento, tutto può ritornare come prima, senza lasciar traccia ne danni all'ambiente ne alle persone. Gli aerogeneratori non hanno alcun tipo di impatto radioattivo o chimico: i componenti usati per la loro costruzione sono materie plastiche e metalliche.

Costi dell'energia eolica,prezzi dei generatori eolica

L'energia eolica è diventata l'energia rinnovabile meno costosa, abbassando negli ultimi 15 anni il suo costo di circa l' 85%. Poiché la potenza sviluppabile da un aerogeneratore varia col cubo della velocità del vento, l'economia eolica dipende molto dalla ventosità del sito in cui viene ubicata. Si è stimato che in Europa il costo di un KWh di energia elettrica da fonte eolica, è lo stesso di un KWh ottenuto in un moderno impianto a carbone, vale a dire 0.04€/KWh. Negli USA il costo è quasi uguale a quello europeo.

Attualmente, in Italia, il costo di installazione, ipotizzando l'impiego di aerogeneratori da almeno 600KW di potenza nominale, si può ritenere compreso tra un minimo di 900€ e un massimo di 1300€/KW andando da siti pianeggianti a siti caratterizzati da una struttura montuosa complessa. Il costo della macchina può ritenersi prudenzialmente, compreso fra 2/3 e 3/4 del costo totale di installazione in funzione delle caratteristiche del territorio in cui è installata,basta pensare che il costo annuo di esercizio e manutenzione è in genere pari al 3%.

Alcuni esempi di costo dei campi eolici: una centrale da circa 10MW allacciata quindi alla rete elettrica in alta tensione, potrebbe avere un costo di realizzazione fra i 8 e i 12.7 milioni di € in funzione della montuosità del sito. Applicazioni sempre in rete ma allacciate a quella di MT (impianti con potenze di circa 2-3MW)potrebbero avere un costo di realizzazione compreso tra 0.9 e 1.1 milioni di € per MW installato. Il costo di produzione varia in funzione della taglia delle macchine(più grande è la taglia minori sono i costi) e della ventosità del sito. Un aerogeneratore ha il vantaggio che una volta costruito produce elettricità per 20 anni senza altre spese oltre a quelle di manutenzione.

Il KWh prodotto è stato, nel corso degli ultimi anni, a livelli di 0.045 - 0.075 €. Presto il costo del KWh da fonte eolica, potrebbe raggiungere anche 0.03 €/KWh divenendo così confrontabili con quello proveniente dagli impianti turbogas. Bisogna ricordare che l'energia prodotta varia con il cubo della velocità del vento, il costo del KWh prodotto dipende fortemente dalla ventosità del sito e quindi la sua scelta è fondamentale. Gli impianti di piccola taglia costano nell'ordine di 1500-2500 € al KW di potenza nominale, questo anche perché, a differenza degli aerogeneratori di grossa taglia non hanno ancora un mercato sviluppato anche per i ritardi nene normative che permettono l'allacciamento alla rete elettrica di tali sistemi. Comunque sembra che entro la fine del 2005 sia possibile l'allacciamento alla rete elettrica di sistemi eolici di taglia 20KW di potenza nominale.

La situazione de mercato europeo

L'energia eolica è senza dubbio la più matura e commercialmente competitiva delle nuove fonti rinnovabili e rappresenta il segmento di mercato con il più elevato tasso di crescita dell'intero settore energetico (circa il 40% per anno negli ultimi anni).

Lo sviluppo maggiore si è riscontrato in Danimarca, dove l'eolico ha raggiunto quasi 1.500 MW di potenza installata (con un contributo di circa il 10% al soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica in questo paese).

La Germania, riuscì a portare la potenza eolica installata in breve tempo da pochi MW a circa 1.600 MW per poi arrivare qualche anno dopo fino ad una potenza di 4.443 MW, con una tendenza continua verso una forte crescita.

Anche l'Olanda, la Svezia, l'Italia e soprattutto la Spagna, hanno notevolmente incrementato la potenza eolica installata, attraverso la realizzazione di diverse centrali e con l'avvio di importanti programmi di diffusione. Alle iniziative dei singoli paesi va aggiunto il sostegno dell'Unione Europea, che svolge un ruolo rilevante nello sviluppo del settore. Attualmente, a livello di ricerca e sviluppo, viene data molta attenzione agli aerogeneratori di grande taglia (> 1 MW), che sembrano possedere i requisiti migliori, in termini di costo, affidabilità e prestazioni, per raggiungere la piena competitività. L'affermazione dell'eolico in Europa è stata resa possibile, in molti Stati, per alcuni fattori. Una pianificazione territoriale, intesa come individuazione di aree idonee allo sfruttamento dell'energia dal vento; un sostegno al mercato, con interventi mirati da parte governativa, soprattutto mediante strumenti legislativi adeguati, ma non tali da rendere il mercato puramente assistito;la certificazione, a livello nazionale, degli aerogeneratori, al fine di assicurare utenti, imprenditori ed opinione pubblica sulla sicurezza, le prestazioni, l'affidabilità. La combinazione di tali fattori ha prodotto una 'realtà' eolica europea che, in pochi anni, ha superato quella degli USA, pionieri in questo settore.

La situazione del mercato in Italia

In Italia, geograficamente, la potenza è installata prevalentemente al sud ed in Sardegna(San Benedetto, in Emilia Romagna, è l'unica centrale nel Nord Italia); mentre in Sicilia le aziende come Enel Greenpower si stanno attivando per aprire nuovi impianti tali da utilizzare una risorsa presente in maniera molto evidente sul territorio. 158 impianti installati alla fine del 2000 fanno capo a varie aziende e a consorzi creati appositamente che operano sul territorio italiano e sono caratterizzati da potenze variabili; si va dai più piccoli potenti qualche centinaio di 'kW fino ai più grandi con potenze oltre i 20000 kW.

L'energia prodotta nel corso del 2000 ammonta a 563 GWh, valore interessante anche se ancora al di sotto delle altre fonti rinnovabili (escluso il fotovoltaico).

In Italia l'eolico ha avuto una diffusione modesta, se confrontata con la crescita di altri paesi europei. Le cause possono essere che i siti idonei sono ubicati, per lo più, in zone appenniniche marginali, caratterizzati da difficoltà di accesso e inadeguatezza della rete elettrica. La situazione oggi è certamente molto migliorata.

Storia

L'energia eolica è stata largamente utilizzata sin dall'antichità in svariate applicazioni quali la navigazione a vela, la ventilazione dei cereali e l'essiccazione dei prodotti dell'agricoltura e della pesca. L'uso della vela per lo spostamento di imbarcazioni appare già in primitive raffigurazioni egizie del 2500 A.C. e costituisce il primo esempio di utilizzazione delle energie naturali come forza motrice. I primi mulini a vento comparvero nelle aree considerate la culla della civiltà: Mesopotamia, Cina, Egitto. Bisogna arrivare all'anno 630 d.C. per avere la certezza storicamente valida che il mulino a vento era una macchina di uso corrente. In Europa i mulini a vento apparvero in ritardo, nel Medioevo; essi erano concezione del tutto diversa, con ruota ad asse orizzontale e di dimensioni maggiori, tecnologicamente più complessi e di maggior rendimento. I mulini furono usati nel corso dei secoli in tutta Europa per i più svariati usi, come la macinazione dei cereali, la spremitura delle olive, il pompaggio dell'acqua, l'azionamento di segherie, cartiere, tintorie, industrie del tabacco. Ricordiamo in particolare i classici mulini che gli olandesi utilizzarono a partire dal 1350 per il drenaggio delle paludi; a metà del 1800 se ne contavano ancora 9.000 in funzione. Nel secolo scorso cominciarono a diffondersi aeropompe con giranti multi pala di piccolo diametro, utilizzate poi in un grandissimo numero di esemplari nelle fattorie dei territori di nuova colonizzazione. Solo negli Stati Uniti d'America, tra il 1880 e il 1930, ne furono installati milioni di esemplari per usi agricoli e domestici; molte di queste macchine esistono ancora e parecchie sono tuttora in uso.T primi generatori di energia elettrica azionati dal vento risalgono agli inizi del '900 e nel 1914 erano già in funzione diverse centinaia di macchine di potenza compresa tra 3 e 30 kW. Nel periodo tra le due Guerre Mondiali fu compiuta una rapida evoluzione sul piano tecnologico, con la costruzione di aerogeneratori di potenze crescenti da 40-80 kW fino ai 1250 kW; in alcuni paesi, come la Danimarca, si arrivò a soddisfare una consistente parte del fabbisogno di energia elettrica nazionale con generatori a vento di media potenza ubicati in prossimità di fattorie e villaggi. L'utilizzazione su grande scala dei combustibili fossili, che nel secondo dopoguerra forniva energia a costi bassissimi, portò a un quasi completo abbandono delle ricerche e della produzione di aerogeneratori.