Eolico

1. Quadro sintetico della tecnologia, degli impianti e delle macchine eoliche

La bassa densità energetica, dell'energia eolica per unità di area della superficie di territorio, comporta la necessità di procedere alla installazione di più macchine per lo sfruttamento della risorsa disponibile. Questo ovviamente non costituisce una preclusione agli impianti con macchina singola.
L'esempio più tipico di impianto eolico è costituito dalla wind farm (cluster di più aerogeneratori disposti variamente sul territorio, ma collegati ad una unica linea che li raccorda alla rete locale o nazionale).
La concezione della wind farm è legata allo sfruttamento della risorsa eolica e deve commisurarsi ad alcuni concetti base: risorsa accessibile, tecnicamente ed economicamente sfruttabile.
Ma soprattutto deve strutturarsi sulla base delle esigenze dell'utenza cui si riferisce.
Gli impianti possono essere sostanzialmente delle tipologie che seguono:

Isolati

a)       aerogeneratori a servizio di multiutenze (macchine alimentanti piccole comunità);

b)       aerogeneratori a servizio di una utenza isolata (anche aeropompa azionante un motore elettrico);

c)       aeromotori in servizio isolato (aeropompa in genere lenta)

- In Cluster (in genere collegati alla rete di potenza o ad una rete locale con sistemi diesel);

Combinati o Integrati

a) sistemi wind-diesel;

b) sistemi wind-hydro;

c) sistemi con accumulo elettrochimico.

Le macchine eoliche sono classificabili in diversa maniera e cioè in funzione della tipologia di energia sfruttata, della posizione dell'asse di rotazione, della taglia di potenza, del numero di pale etc.
Abbiamo così:

1)   aeromotori che effettuano la trasformazione dell'energia meccanica del vento in energia meccanica dell'asse di rotazione e tramite una catena puramente cinematica movimentano materiali (aeropompe), macinano e frantumano materiali (mulini) e azionano macchine operatrici in genere come motori primi eolici;

2)   aerogeneratori che effettuano la conversione dell'energia meccanica del vento in energia elettrica continua o alternata; sono le macchine eoliche per definizione ed, in genere, quelle più significative sono ad asse orizzontale oppure ad asse verticale, in genere, del tipo Darrieus (la versione Giromill deriva dal Darrieus); possono essere isolati o in cluster e ancora essere collegati ad utenze isolate, piccole reti locali (in genere in sistema integrato con motori diesel) o alle reti regionali e nazionali; possono alimentare direttamente macchine operatrici azionate da motori elettrici; 

b)     in funzione della posizione dell'asse di rotazione

                    1)  ad asse orizzontale (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine);

                              2)  ad asse verticale (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine);

c)    in funzione della taglia di potenza

1)     di piccola taglia (rotore di D<20 m e P< 100 KW);

2)     di media taglia (rotore di 20<D<50 m e 100<P< 800 KW);

3)     di taglia intermedia (rotore di D50 m (o poco più) e 800<P< 1000 KW);

                  4)     di grande taglia (rotore di D>50 m e P> 1000 KW) (si hanno esempi di macchine da 3000 KW);

d)       in funzione della velocità del rotore

1)      lento (multipala o mulino americano);

      2)      veloce (con poche pale, in genere fino a 4);

e)       in funzione del numero di pale

 

1) multipala (ad elevata solidità o mulino americano);

2) a bassa solidità (da 1 a 3-4 pale al massimo);

f)        in funzione della regolazione

 

1)      controllo di passo;

2)      controllo per stallo;

      3)      controllo di imbardata.

Altre variabili utili alla classificazione riguardano per esempio la tipologia della torre (metallica tubolare o a traliccio, in cemento) ed il tipo di progetto delle macchine soft o hard in funzione della rigidezza del rotore, ma riguardano in genere le macchine ad asse orizzontale. Esiste oggi una ulteriore classificazione in macchine a velocità variabile o a velocità fissa ed, inoltre, in funzione del tipo di generatore elettrico:
In questa ultima ripartizione esistono macchine che posseggono due generatori e macchine con generatori a numero di coppie polari variabili.
Ancora, esistono macchine dotate di inverters e macchine che ne sono prive.
Dal punto di vista della linea d'assi: con o senza moltiplicatore del numero di giri.
Gli impianti eolici di potenza sono sostanzialmente costituiti dalle wind farm con cluster più o meno densamente popolato.
Dall'esame di diversi esempi di parchi eolici, diversi per disposizione delle macchine e per densità di popolazione del cluster delle stesse, risulta un gran numero di tipologie possibili che, tuttavia possono raggrupparsi in un insieme discreto di cui quelle che seguono sono le principali componenti:

1. disposizione su reticolo quadrato o romboidale;
2. disposizione su una unica fila;
3. disposizione su file parallele;
4. disposizione su file incrociate (croce di S. Andrea);
5. disposizione risultante dalla combinazione e sovrapposizione delle precedenti tipologie;
6. apparentemente casuale;

la prima tipologia è caratteristica delle installazioni più vecchie (specie in USA), mentre l'ultima è caratterizzata da disposizioni in pianta secondo linee e figure molto articolate e si presta alle installazioni in ambiente "complex terrain" (cioè con orografia complessa).
Le file possono risultare con un minor numero di elementi in larghezza nella forma detta di "pine-tree array". La centrale di Alta Nurra (Sardegna) appartiene alla tipologia "E" ("C" con sovrapposizione di "D").
La interdistanza fra gli aerogeneratori può variare da (3-5)D a (5-7)D a seconda se si tratti della distanza entro la fila o tra file diverse.
Al fine di completare l'excursus sulle macchine eoliche, vale la pena di elencare, con un approccio da "teoria dei sistemi", le componenti dell'intero aerogeneratore, guardando ai sistemi e sottosistemi dello stesso.
Ne risulta l'elenco che segue:

- sistema della "Torre" e delle fondazioni o struttura di sostegno;

- sistema "Navicella" o struttura di alloggiamento o contenimento;

- sottosistema di orientamento;

- sottosistema di protezione esterna;

- sistema "Rotore";

        - sottosistemi del rotore:

        - il moltiplicatore di giri;

-         il generatore elettrico;

        - il sottosistema di regolazione;

        - il sistema di attuazione;

        - il freno;

- sistema di controllo macchina;

- sistema connessione alla rete o sistema di collegamento.

2. Stato dell'arte

La tab. 1 che segue riporta lo sviluppo attuale (aggiornato alla fine del 1999) degli impianti eolici installati nel Mondo con le previsioni per l'anno 2000.

Tabella 1

Fonti: IEA, EWEA ........

La tab. 2 successiva riporta i dati delle installazioni nei principali paesi che sfruttano le tecnologie eoliche.

Tabella 2

Nella tabella 3 figura una sintesi, sempre aggiornata al 1999, relativa agli impianti italiani.
Una doverosa precisazione si deve fare a proposito di quest'ultima tabella: essa prescinde dalle variazioni di denominazione eventualmente verificatesi a carico di alcuni degli Enti proprietari delle singole wind farm.
Tali variazioni, legate prevalentemente, alla evoluzione dei mercati finanziari e/o alla creazione di nuovi soggetti giuridici necessitano di verifiche.

Tabella 3

3. Applicazioni

Le principali applicazioni riguardano, nel caso delle piccole macchine, aerogeneratori o aeromotori installati come sistemi isolati a servizio di una utenza isolata (per esempio una aeropompa azionata da un motore elettrico, nel caso dell'aerogeneratore, o una aeropompa, propriamente detta, ed in genere lenta nel caso dell'aeromotore.
Nel caso delle macchine di media e grande taglia, l'applicazione tipica è in cluster (in genere collegati alla rete di potenza o ad una rete locale con sistemi diesel), ed è questo il caso delle grandi wind farm americane ed europee e, più di recente, italiane.
Le wind farm nel Nostro Paese, dopo qualche esempio realizzato in aree pianeggianti (Alta Nurra), si stanno sviluppando in aree appenniniche anche al di sopra di 1.000 m s.l.m. In un prossimo futuro potrebbero aversi anche centrali off-shore su fondali non oltre i 10 m e entro 1-2 km dalla linea della costa.

4. Potenzialità

Per valutare le potenzialità di sfruttamento della fonte eolica non è fuori luogo mostrare un raffronto con altre tecnologie basate sulle fonti rinnovabili: è quanto viene fatto nella tab. 4 che segue.

Tabella 4

Scenario per sviluppo dei settori-chiave (1999-2003)

Così come la tab. 5 mostra alcune possibili evoluzioni stimate in termini di potenza installata.

Tabella 5

5. Aspetti economici

Attualmente, in Italia, il costo di installazione, ipotizzando l'impiego di aerogeneratori da almeno 600 kW di potenza nominale, si può ritenere compreso fra un minimo di 800,00 ed un massimo di 1.200,00 €/kW andando da siti pianeggianti a siti caratterizzati da orografia complessa. Il costo della macchina può ritenersi, prudenzialmente, compreso fra 2/3 e 3/4 del costo totale di installazione in funzione delle caratteristiche orografiche del sito. Quando saranno disponibili rilevazioni di mercato ufficiali anche in Italia sarà possibile fornire indicazioni più precise. Attualmente, in linea di principio, può dirsi che una centrale da circa 10 MW, allacciata quindi alla rete elettrica in AT, potrebbe avere un costo di realizzazione compreso fra gli 8 ed i 12 milioni di euro, in funzione dell'orografia del sito. Applicazioni sempre in rete ma allacciate a quella di MT (impianti con potenza di circa 2-3 MW) potrebbero avere un costo di realizzazione compreso tra 900.000 ed il 1.000.000 di euro per MW installato. Il costo di produzione varia in funzione della taglia delle macchine e della ventosità del sito. Dopo essere stato, nel corso degli ultimi anni, a livelli di 0,030 - 0,070 €/kWh, stime più recenti lo indicherebbero in un range compreso fra 0,025 e 0,035 £/kWh. Presto il costo del kWhe da fonte eolica, potrebbe raggiungere anche le 0,026 €/kWh divenendo così confrontabile 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 e deve basarsi su una corretta campagna anemologica.
Oggi, sulla base di valutazioni economiche e tecniche, si comincia a parlare di "valore" dell'energia elettrica da fonte eolica, in contrapposizione ai "costi", per meglio specificare il ruolo degli impianti eolici nel sistema energetico d'un paese.
Alcuni degli elementi costitutivi del valore si possono evincere nel paragrafo 6.

 6. Impatto ambientale degli impianti eolici

Gli impianti eolici producono un impatto sull'ambiente estremamente limitato e fondato sui seguenti fattori di impatto:

-    occupazione del territorio;

-    variazione al paesaggio;

-    emissioni acustiche;

-    interferenze elettromagnetiche;

-    disturbo all'avifauna stanziale e migratoria;

-    produzione di energia da immettere direttamente sulla rete locale (impatto positivo);

-    disponibilità di potenza direttamente vicino ai centri di carico locali (impatto positivo);

-    emissioni inquinanti evitate dalla sostituzione di una quota parte del parco termoelettrico (impatto positivo).

Di questi fattori solo i primi due possono in qualche modo considerarsi particolarmente significativi e provati.
Tuttavia il fattore rappresentato dall'occupazione del suolo di fatto non esclude gli altri usi del territorio in quanto solo l'1-2% del territorio occupato dalla wind farm è materialmente indisponibile per l'esistenza stessa delle macchine.
Gli impianti eolici, insieme agli impianti idraulici (anche di piccola taglia), sono gli unici in grado di sostituire quote significative di impianti basati su fonti fossili, per cui per ogni unità di energia elettrica prodotta verrebbero risparmiati notevoli quantitativi di emissioni.