Sono noti i mulini a vento cretesi (mulini detti
“a vela” perché dotati di pale di stoffa), quelli olandesi che da
questi derivano, a quattro pale, e quelli a multipala che hanno
caratterizzato, nella seconda metà dell’ottocento, il paesaggio del
West americano. Tutte queste macchine (ad asse orizzontale) hanno
alta solidità (= rapporto tra superficie delle pale e quella dei
cerchi in cui sono inscritte), una bassa velocità di rotazione ed un
basso coefficiente Cp (variabile tra 0,15 e 0,3), tuttavia
presentano una buona affidabilità ed una coppia massima già alle
basse velocità (meglio: ai bassi valori del rapporto tra la velocità
periferica delle pale e quella del vento = u/v). Sono ancora poco
impiegate macchine ad asse di rotazione verticale (con rotore
Savonius o rotore Darrieus).
Nella stragrande maggioranza dei casi si usano attualmente
aerogeneratori ad elica a due o tre pale che lavorano ad alta
velocità di rotazione.
Il coefficiente Cp può raggiungere valori prossimi a 0,5 per un
rapporto velocità periferica della girante/velocità del vento u/v,
attorno a 6 - 10.
La potenza, come si vede nei grafici di figg. 2 e 3, aumenta a
partire da un valore di soglia della velocità del vento, sotto il
quale non vi è produzione di energia, in ragione cubica con la
stessa velocità e raggiunto il valore massimo, resta costante sino a
che la macchina per non essere danneggiata dalle sollecitazioni
dovute ai venti più forti, non viene posta una situazione di stallo
e cessa di funzionare. La situazione di stallo è ottenuta mediante
una rotazione delle pale attorno al loro asse longitudinale (con
detta operazione si attua il controllo di passo che serve anche per
ottimizzare il rendimento al variare delle condizioni di
funzionamento), oppure da un opportuno disegno aerodinamico delle
stesse pale che fa sì che la portanza si annulli a partire da un
certo valore della velocità .
In fig. 1 è riportato uno schema di principio del rotore e della
struttura, detta navicella, che contiene i meccanismi di
moltiplicazione della velocità di rotazione ed il generatore
elettrico.
Fig. 1 - Schema di principio di un aerogeneratore
Fig. 2 - Curva tipo di potenza di una macchina ad
elica di produzione francese con potenza nominale = 500
kW. Velocità del vento alla potenza nominale vn = 14 m/s
Fig. 3 - Rendimento relativo rispetto a quello
teorico (legge di Betz) posto = a 100, della macchina di
fig. 2, in funzione della velocità del vento (m/s)
Fig. 4 - Curve di potenza di due macchine commercializzate in
Italia
Nelle figg. 2 e 3 sono riportate le curve della
potenza e del rendimento relativo (rispetto a quello teorico) di
una tipica macchina da 500 kW nominali adatta alle coste atlantiche,
con una velocità del vento alla potenza nominale = 14 m/s.
Ancora nella fig. 4 sono riportate le curve di potenza di 2 macchine
commercializzate in Italia, con potenze nominali di 660 e 750 kW.
Un parametro importante per valutare la
convenienza di installare un aerogeneratore in un determinato sito è
il rapporto tra i kWh producibili e la potenza installata ovvero le
ore equivalenti di funzionamento della macchina a potenza nominale,
durante l’anno. Per un sito con velocità media del vento ad altezza
dell’asse del rotore di 7 m/s ed una macchina da 600 kW, tale
rapporto, espresso in ore è pari a circa 2500.
La disponibilità di una moderna macchina (intesa
come percentuale dell’anno durante la quale la macchina non è guasta
od è in manutenzione, ed è pronta a funzionare) è notevole: pari a
circa il 98%. Il tempo di funzionamento previsto è di almeno 20
anni.
Fig. 5 - Aerogeneratori a tre pale
Elementi economici
Fig. 6 - Capacità di produzione energia eolica nel mondo in
MW
I costi del kWh eolico vanno costantemente
diminuendo.
A fine 2002 variavano (tenuto conto anche
dell’ammortamento su 20 anni) tra 5 e 15 centesimi di euro, in
funzione delle caratteristiche aereologiche del sito e della potenza
installata. L’Unione Europea ha fissato un obiettivo di 4
centesimi/kWh, costo già ora ottenibile con le migliori macchine, in
siti adeguati.
Parte importante del costo è quella dovuta
all’installazione (comprendente il costo delle macchine e della
realizzazione delle infrastrutture ), stimata attorno ai 1000 – 1500
euro/kW per grandi complessi di aerogeneratori (“wind farm”),
significativamente maggiori per gli impianti singoli. Ridotti sono i
costi di manutenzione e di gestione. Nulli ovviamente i costi della
materia prima.
Per i produttori di energia eolica esiste
un’incentivazione notevole: oltre a poter cedere con priorità
l’energia prodotta al Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale (GRTN)
ai prezzi di mercato, essi diventano titolari dei così detti
certificati verdi (CV) , un titolo CV ogni 100 MWh prodotti, che
possono essere venduti a produttori elettrici che non sono in grado
o non vogliono rispettare il vincolo, imposto dalla Comunità
Europea, direttive 96/92/CE e 2001/77/CE, che almeno il 2%
(aumentato di un 0,35% annuo a partire dal 2005) dell’ energia da
essi prodotta provenga da fonti rinnovabili, CV venduti a prezzi
stabiliti in un’apposita borsa gestita dallo stesso GRTN.
Alla fine del 2008 la potenza installata in
Italia superava i 3700 MW con una produzione di circa 8000 MWh.
Eolico offshore
Notevoli vantaggi ambientali presenta la
realizzazione di parchi di aerogeneratori in mare aperto. E se i
costi di installazione sono più elevati, il rendimento delle
macchine è maggiore date le caratteristiche aerologiche dei siti.
Numerosi impianti sono stati già costruiti e ancor più sono in
progetto nel Mare del Nord.
Immenso è il potenziale teorico “offshore”
dell’Europa, stimato in ca. 3000 TWh/anno di cui 150 in Italia.
Problemi ambientali e turistici altezza dei fondali, rendono
tuttavia poco probabile da noi un sfruttamento intensivo di tale
risorsa.
Impatti e rischi
ambientali
L’eolico non produce ovviamente effetto serra.
Altre però sono le problematiche ambientali che si evidenziano,
legate in particolare a:
occupazione del suolo
impatto paesaggistico
rumore
impatto sull’avifauna
interferenze elettromagnetiche
Occupazione del
suolo
Le vie d’accesso, le linee elettriche, le
piazzole di fondazione possono deturpare l’ambiente magari di pregio
od incontaminato ovvero protetto (parco o riserva naturale).
Impatto
paesaggistico
Le strutture per produrre energia eolica
significativa sono molto voluminose. Ad esempio un impianto da 600
kW comporta un rotore di ca. 40 m di diametro ed una torre di
sostegno alta al mozzo almeno 40 m, con un ingombro totale di almeno
60 m. Un impianto da 1,5 MW presenta un’altezza totale di ca. 90 m.
Tali strutture specie se raggruppate in “parchi” e poste come spesso
succede in posizioni elevate segnano, talora deturpano profondamente
e definitivamente il paesaggio, anche in prospettiva molto lontana.
Esempio molto negativo è il sito di Altamont Pass in California dove
sono state concentrate con pessimo risultato estetico -
paesaggistico 7300 macchine per una potenza installata di 800 MW su
un’area di 140 Km2 .
Rumore
I primi aerogeneratori ad elica erano alquanto
rumorosi.
Ora la loro rumorosità è molto diminuita. Per macchine da 200 - 400
kW alla potenza nominale si sono misurati livelli di rumore di 60 -
62 dB a 100 m di distanza. Comunque per le “wind farm”si indicano
distanze minime da rispettare di 300- 400 m dalle case isolate, 400
- 500 m dalle zone residenziali, 1000 m dalle zone turistiche. Per
l’impianto singolo si indica una zona di rispetto avente un raggio
maggiore di 300 m e non inferiore a 7 volte il diametro della
girante
Impatto sulla fauna
Il solo effetto significativo a questo riguardo è
l’impatto dei volatili contro il rotore della macchina. Data la sua
alta velocità di rotazione esso non è visibile. E’ stato un problema
rilevato nella località già citata di Altamont Pass, in California.
Anche se altri manufatti dell’uomo provocano maggiori effetti
sull’avifauna (linee ad alta tensione, strade ed autostrade ecc.) si
dovrebbero evitare i siti soggetti a passo migratorio o sede di
specie protette. Sono comunque allo studio sistemi per evitare tali
impatti.
Interferenze
elettromagnetiche
I rotori provocavano significativi disturbi alle
trasmissioni elettromagnetiche. Ora tali problemi sono ridotti da
quando le pale non sono più realizzate in materiali metallici (
fibra di vetro o di carbonio).
Fig. 7 - Aerogeneratori al Passo della Cappelletta (Varese Ligure)
Foto: Massimo Riso
