Gli Aerogeneratori
L'energia Eolica
L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento. L’uomo ha impiegato la sua forza sin dall’antichità, per navigare e per muovere le pale dei mulini utilizzati per macinare i cereali, per spremere olive o per pompare l’acqua. Solo da pochi decenni l’energia eolica viene impiegata per produrre elettricità.
I moderni mulini a vento sono chiamati aerogeneratori. Il principio di funzionamento degli aerogeneratori è lo stesso dei mulini a vento: il vento che spinge le pale. Ma nel caso degli aerogeneratori il movimento di rotazione delle pale viene trasmesso ad un generatore che produce elettricità.
Un aerogeneratore ad asse orizzontale è composto da:
1. Rotore, 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. 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. Sono stati messi a punto 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.
2. Il sistema frenante, 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.
3. La torre e le fondamenta. La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma tubolare o a traliccio. In genere è costruita in legno, in cemento armato, in acciaio o con fibre sintetiche. La struttura dell’aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediante fondamenta. Le fondamenta molto spesso sono completamente interrate e costruite con cemento armato.
4. Il moltiplicatore di giri, che serve per trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il generatore di elettricità.
5. Il generatore, che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica. La potenza del generatore viene indicata in chilowatt (kW).
6. Il sistema di controllo, che gestisce il funzionamento dell'aerogeneratore svolgendo 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.
7. La navicella e il sistema di imbardata. La 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.
Le wind-farm
Più aerogeneratori collegati insieme formano le wind-farm, “fattorie del vento”, che sono delle vere e proprie centrali elettriche. Nelle wind-farm la distanza tra gli aerogeneratori non è casuale, ma viene calcolata per evitare interferenze reciproche che potrebbero causare cadute di produzione. Di regola gli aerogeneratori vengono situati ad una distanza di almeno cinque-dieci volte il diametro delle pale. Nel caso di un aerogeneratore medio, con pale lunghe circa 20 metri, questo significa istallarne uno ogni 200 metri circa.
Una fattoria del vento, ad esempio, costituita da 30 aerogeneratori da 300 kW l’uno in una zona con venti dalla velocità media di 25 chilometri orari, può produrre 20 milioni di kWh all’anno. Vale a dire quanto basterebbe a soddisfare le esigenze di circa 7.000 famiglie. Per raggiungere lo stesso risultato con una centrale a carbone si libererebbero nell’aria ben 22 mila tonnellate di anidride carbonica, 125 tonnellate di anidride solforosa e 43 tonnellate di ossido di azoto.
Gli impianti off-shore
Sono le wind-farm costruite in mare. Rappresentano un’utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte impegno del territorio che si trovano vicino al mare. La tecnologia degli aerogeneratori da utilizzare in siti offshore è in pieno sviluppo: a livello commerciale esistono macchine da 1 MW ed esistono prototipi da circa 3 MW.
Secondo alcune stime, gli impianti eolici nei mari europei protrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri. Attualmente in Europa sono operative 5 centrali costruite in Olanda, Svezia e Danimarca con una potenza totale di 30 MW. In Italia non esiste ancora alcun impianto offshore, ma è stato calcolato un potenziale sfruttabile di 3.000 MW, pari a quello sulla terraferma, in grado di soddisfare il 4% degli attuali consumi di elettricità.
Dove installare un impianto eolico
Per produrre energia elettrica in quantità sufficiente è necessario che il luogo dove si installa l’aerogeneratore sia molto ventoso. Per determinare l’energia eolica potenzialmente sfruttabile in una data zona bisogna conoscere la conformazione del terreno e l’andamento nel tempo della direzione e della velocità del vento.
Come si forma il vento
La terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene ceduto più calore, l’aria diventa calda e la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di alta pressione e aree di bassa pressione, influenzate anche dalla rotazione della terra.
Quando diverse masse d’aria vengono a contatto, la zona dove la pressione è maggiore tende a trasferire aria dove la pressione è minore. Succede la stessa cosa quando lasciamo sgonfiare un palloncino. L’alta pressione all’interno del palloncino tende a trasferire l’aria verso l’esterno, dove la pressione è più bassa, dando luogo a un piccolo flusso.
Il vento è dunque lo spostamento d’aria, più o meno veloce, tra zone di diversa pressione. E tanto più alta è la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria, tanto più forte sarà il vento. Come tale, il vento non è costante, cambia di forza e di direzione.
La scala “Beaufort”
Francis Beaufort fu un ammiraglio inglese 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 conformazione del terreno
La conformazione di un terreno influenza la velocità del vento. Infatti, il suo valore dipende, oltre che dai parametri atmosferici, anche dalla conformazione del terreno. Più un terreno è rugoso, cioè presenta variazioni brusche di pendenza, boschi, edifici e montagne, più il vento incontrerà ostacoli che ridurranno la sua velocità.
In generale la posizione ideale di un aerogeneratore è in un terreno appartenente ad una bassa classe di rugosità e che presenta una pendenza compresa tra i 6 e i 16 gradi. Il vento deve superare la velocità di almeno 5,5 metri al secondo e deve soffiare in modo costante per gran parte dell’anno. Mentre i migliori siti eolici offshore 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 ad oltre 3 chilometri dalla costa.
Per definire la conformazione di un terreno sono state individuate quattro classi di rugosità:
- Classe di rugosità 0: suolo piatto come il mare, la spiaggia e le distese nevose.
- Classe di rugosità 1: suolo aperto come terreni non coltivati con vegetazione bassa e aeroporti.
- Classe di rugosità 2: aree agricole con rari edifici e pochi alberi.
- Classe di rugosità 3: suolo rugoso in cui vi sono molte variazioni di pendenza del terreno, boschi e paesi.
Le wind-farm e l'ambiente
L’energia eolica è una fonte rinnovabile e pulita. I possibili effetti indesiderati degli impianti hanno luogo solo su scala locale e sono: l’occupazione del territorio, l’impatto visivo, il rumore, gli effetti sulla flora e la fauna e le interferenze sulle telecomunicazioni.
Occupazione del territorio. Gli aerogeneratori e le opere a supporto (cabine elettriche, strade) occupano solamente il 2-3% del territorio necessario per la costruzione di un impianto. È importante notare che nelle windfarm, a differenza delle centrali elettriche convenzionali, la parte del territorio non occupata dalle macchine può essere impiegata per l’agricoltura e la pastorizia.
Impatto visivo. Gli aerogeneratori per la loro configurazione sono visibili in ogni contesto ove vengono inseriti. Ma una scelta accurata della forma e del colore dei componenti, per evitare che le parti metalliche riflettano i raggi solari, consente di armonizzare la presenza degli impianti eolici nel paesaggio.
Rumore. Il rumore che emette un aerogeneratore viene causato dall’attrito delle pale con l’aria e dal moltiplicatore di giri. Questo rumore può essere smorzato migliorando l’inclinazione delle pale e la loro conformazione, e la struttura e l’isolamento acustico della navicella. Il rumore proveniente da un aerogeneratore deve essere inferiore ai 45 decibel in prossimità delle vicine abitazioni. Tale valore corrisponde ad una conversazione a bassa voce. I moderni aerogeneratori soddisfano questa richiesta a partire da distanze di 150/180 metri.
Effetti su flora e fauna. I soli effetti riscontrati riguardano il possibile impatto degli uccelli con il rotore delle macchine. Il numero di uccelli che muoiono è comunque inferiore a quello dovuto al traffico automobilistico, ai pali della luce o del telefono.
Interferenze sulle telecomunicazioni ed effetti elettromagnetici. Per evitare possibili interferenze sulle telecomunicazioni e la formazione di campi elettromagnetici basta stabilire e mantenere la distanza minima fra l’aerogeneratore e, ad esempio, stazioni terminali di ponti radio, apparati di assistenza alla navigazione aerea e televisori.
Emissioni vietate. L’utilizzo dell’energia eolica consente di evitare l’immissione nell’atmosfera delle sostanze inquinanti e dei gas serra prodotti dalle centrali convenzionali. Facciamo il conto delle emissioni evitate per kWh prodotto:
Una centrale elettrica convenzionale emette mediamente
1.000 g/kWh di CO2 (anidride carbonica)
1,4 g/kWh di SO2 (anidride solforosa)
1,9 g/kWh di NOX (ossidi di azoto)
Prendiamo ora in considerazione i 700 MW di impianti eolici, che dovranno essere realizzati in Italia nei prossimi anni. Nell’ipotesi che l’energia annua prodotta sia pari a 1,4 TWh, pari a poco più dello 0,5% del fabbisogno elettrico nazionale, le emissioni annue evitate sono del seguente ordine:
1,4 milioni di tonnellate di CO2
1.960 tonnellate di SO2
2.660 tonnellate di NOX
Energia eolica nel Mondo
In Italia le prime macchine eoliche sono state installate nel 1990 ma solo dal 1996 si è avuto un significativo numero di impianti collegati alla rete di distribuzione elettrica. Il primo prototipo di aerogeneratore fu installato nel 1989 ad Alta Nurra in Sardegna, dove è stata condotta una campagna sperimentale. Oggi a distanza di oltre 20 anni esistono delle vere centrali eoliche, alcune delle quali sono costituite da più di 50 aerogeneratori di media taglia (600 kW l’uno).
La posizione geografica dell’Italia, unita alla presenza di catene montuose e di masse d’acqua, determina un diverso andamento dei venti sia nel corso dell’anno che da regione a regione. L’Italia può comunque contare, specie nelle zone mediterranee meridionali e nelle isole, su venti di buona intensità, quali il maestrale, la tramontana, lo scirocco e il libeccio.
I risultati di un’indagine, cui anche l’ENEA ha partecipato, hanno evidenziato che i siti più idonei allo sfruttamento dell’eolico si trovano lungo il crinale appenninico, al di sopra dei 600 m slm e, in misura minore, nelle zone costiere. Le regioni più interessanti sono quelle del Sud, in particolare Campania, Puglia, Molise, Sicilia e Sardegna, e il territorio compreso tra le province di Trapani, Foggia, Benevento, Avellino e Potenza è il principale polo eolico nazionale.
fonte: enea.it
Per approfondire ulteriormente l'argomento degli aerogeneratori, leggere "Tecnologia degli aerogeneratori", consultabile in formato .pdf CLICCANDO QUI
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Il generatore eolico ad asse verticale
I generatori eolici ad asse verticale (noti anche come VAWT, abbreviazione della definizione in inglese, Vertical Axis Wind Turbines) non sono efficienti come i più comuni generatori eolici ad asse orizzontale (paragonati a questi ultimi rendono circa il 30%), ma il loro utilizzo offre un beneficio nelle situazioni in cui il vento non è molto forte. Inoltre al contrario di quelli ad asse orizzontale sono facili da costruire, indipendenti dalla direzione del vento, cioè non hanno bisogno di essere orientati ogni volta che questa cambia, e possono essere montati anche in prossimità del suolo. Sono anche molto sicuri, perchè con una esigua quantità di parti mobili sono in grado di resistere anche davanti ad una forte e improvvisa turbolenza o raffica di vento.
Esistono aerogeneratori diversi per forma e dimensione. Le tipologie principali sono ad asse verticale e ad asse orrizontale.
Il generatore eolico ad asse orizzontale
I generatori eolici ad asse orizzontale sono largamente più diffusi di quelli ad asse verticale. La loro maggiore efficienza è un parametro che gli consente di essere la macchina eolica più diffusa. Questo tipo di macchina eolica, al contrario di quella ad asse verticale, per funzionare ha bisogno di essere orientata nella direzione del vento. In caso di velocità del vento troppo elevata, interviene il sistema frenante che blocca la macchina, per ragioni di sicurezza.
Un generatore eolico ad asse orizzontale (o HAWT, dall’inglese Horizontal Axis Wind Turbines) è formato da una torre alta da pochi metri fino ad anche 100 metri, sulla cui sommità è posto un generatore elettrico che viene azionato da un rotore a due o tre pale di varie lunghezze: quelli con pale lunghe 50 centimetri vengono utilizzati come caricabatterie, quelli con pale lunghe circa 30 metri, sono in grado di erogare una potenza di 1.500 kW, riuscendo a soddisfare il fabbisogno elettrico giornaliero di circa 1.000 famiglie.
Il tipo più diffuso è l’aerogeneratore di taglia media, alto oltre 50 metri, con due o tre pale lunghe circa 20 metri. Questo tipo di aerogeneratore è in grado di erogare una potenza di 500-600 kW e soddisfa il fabbisogno elettrico giornaliero di circa 500 famiglie.
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 - Greco, Libeccio se viene dalla Libia, Scirocco se viene dalla Siria -, altre, come nella “Rosa dei venti”, viene indicato con i 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 da Francis Beaufort.
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