Cos’è l’eolico, l’energia per tutti!

Inesauribile, pulito, sicuro e dall'impatto ambientale

Erika Facciolla22 Settembre 2019

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L’energia eolica? Inesauribile – giurano gli esperti – e di sicuro sufficiente a provvedere al fabbisogno energetico dell’intero pianeta.

Sommario

Cos’è l’energia eolica
Come funziona il sistema eolico
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell’eolico

Cos’è l’energia eolica

Questa in pratica è l’energia cinetica del vento, convertita in energia elettrica tramite aerogeneratori (comunemente chiamati pale eoliche o turbine eoliche). Il vento fa ruotare le pale, che a loro volta azionano un generatore elettrico.

Come funziona il sistema eolico

Un sistema eolico sfrutta l’energia cinetica del vento per produrre energia elettrica e per fare questo ha bisogno di due elementi principali, la turbina e la connessione alla rete elettrica.

Turbina eolica (aerogeneratore)

Pale del rotore. Sono solitamente 3, ed hanno un profilo aerodinamico simile a quello delle ali di un aereo. Quando il vento soffia, crea una differenza di pressione tra la superficie superiore e inferiore delle pale, generando una forza di portanza che le fa ruotare.
Rotore. È l’insieme delle pale e del mozzo centrale. La sua rotoazione è il primo passo nella conversione dell’energia eolica in energia meccanica.
Moltiplicatore di giri (Gearbox opzionale). In alcuni modelli, un moltiplicatore di giri aumenta la velocità di rotazione dell’albero lento del rotore prima di trasmetterla al generatore. Questo è necessario perché i generatori elettrici funzionano in modo più efficiente a velocità di rotazione elevate. Le turbine eoliche moderne, di grandi dimensioni, spesso utilizzano generatori a trasmissione diretta, eliminando la necessità del moltiplicatore di giri.
Generatore elettrico. Collegato all’albero del rotore (direttamente o tramite il moltiplicatore di giri), converte l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica e può essere sincrono o asincrono.
Naccella. Questa struttura alloggia il generatore, il moltiplicatore di giri (se presente), l’albero del rotore e altri componenti elettrici e meccanici. È montata sulla sommità della torre ed è in grado di ruotare per orientare il rotore nella direzione del vento.
Sistema di controllo (Yaw system). Ruota la navicella in modo che il rotore sia sempre rivolto verso il vento, massimizzando la produzione di energia, mentre dei sensori di direzione del vento forniscono informazioni al sistema di controllo.
Freno. Un sistema di freni meccanici o aerodinamici (modifica dell’angolo delle pale) viene utilizzato per arrestare il rotore in caso di vento eccessivo o per manutenzione.
Torre. Sostiene la navicella e il rotore ad un’altezza sufficiente per catturare venti più forti e costanti e può essere in acciaio, cemento armato o, più raramente, in altri materiali.
Fondamenta. Servono ad ancorare la torre al terreno e sono progettate per resistere alle forti sollecitazioni generate dal vento e dal peso della turbina.

Sistema di connessione alla rete elettrica

L’energia elettrica generata dalla turbina viene trasportata attraverso cavi elettrici ad una sottostazione di trasformazione.

Qui, la tensione viene elevata per ridurre le perdite di energia durante la trasmissione a lunga distanza. Infine, l’energia viene immessa nella rete elettrica nazionale, dove viene distribuita agli utenti finali.

Fattori che influenzano la produzione di energia eolica

Velocità del vento: la potenza del vento è proporzionale al cubo della sua velocità, quindi un piccolo aumento della velocità del vento può portare ad un grande aumento della produzione di energia
Diametro del rotore: l’energia catturata dal vento è proporzionale all’area spazzata dal rotore, pertanto, turbine con rotori più grandi producono più energia
Altitudine: la velocità del vento generalmente aumenta con l’altitudine
Ostacoli: alberi, edifici e altre strutture possono ridurre la velocità del vento e creare turbolenze, influenzando negativamente la produzione di energia

cos'è l'eolico — Base di una torre eolica

La sua efficienza dipende da diversi fattori, tra cui la velocità del vento, le dimensioni della turbina e la presenza di ostacoli, ma si tratta di una fonte energetica inesauribile, sicura e pulita che potrà in un futura vicino sopperire a gran parte del fabbisogno energetico mondiale.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell’eolico

I grandi vantaggi di questa fonte energetica risiedono soprattutto nel fatto che la fonte, il vento, è una risorsa inesauribile, come per l’energia solare che si basa sul sole. Mentre i combustibili fossili sono limitati.

Anche il fatto di essere un modo di produrre energia pulita, che non genera emissioni di gas serra o altri inquinanti atmosferici, rende l’eolico sostenibile. Così contribuisce alla riduzione dell’inquinamento e del cambiamento climatico.

Tra i vari aspetti positivi c’è anche il fatto che l’energia eolica riduce la dipendenza dai combustibili fossili, contribuendo alla sicurezza energetica e alla diversificazione delle fonti energetiche

Altro elemento da non sottovalutare, è il suo costo, ormai diventato competitivo rispetto a quello delle fonti energetiche tradizionali, in molte aree geografiche. E questo si riflette anche nel generare posti di lavoro nella produzione, installazione e manutenzione delle turbine.

Al contrario dell’energia solare (a parte l’agrivoltaico), il terreno su cui sorgono le turbine può essere utilizzato anche per altre attività, come l’agricoltura o la allevamento.

Infine, la crescente diffusione di turbine di un pimpianto eolico offshore, ossia in mare aperto, ha diminuito notevolmente l’impatto visivo dei parchi eolici onshore.

Svantaggi dell’eolico

Bisogna anche valutare i vantaggi di questa fonte energetica.

Intermittenza: la produzione di energia eolica dipende dalla disponibilità del vento, che è una risorsa variabile e intermittente e questo richiede sistemi di accumulo di energia o l’integrazione con altre fonti energetiche per garantire la continuità della fornitura
Impatto visivo: le turbine possono essere considerate un elemento di disturbo del paesaggio, soprattutto in aree di particolare pregio naturalistico o storico
Rumore: le turbine producono rumore, che può essere fastidioso per le persone che vivono nelle vicinanze, sebbene siano progettate per ridurlo al minimo, ma il problema non è stato completamente eliminato
Impatto sulla fauna: le pale possono rappresentare un pericolo per gli uccelli e i pipistrelli e altri studi ambientali sono necessari per mitigare questo impatto
Dipendenza dalla localizzazione geografica: quest’energia è più efficiente in aree con venti forti e costanti, ma non tutte le zone sono adatte all’installazione
Costi iniziali elevati: l’installazione di un parco eolico richiede investimenti iniziali significativi
Manutenzione: le turbine richiedono manutenzione regolare per garantire il corretto funzionamento e la durata nel tempo
Ombreggiamento intermittente (flicker): le pale delle turbine possono creare un effetto di ombreggiamento che può essere fastidioso per le persone che vivono nelle vicinanze

Perché le pale eoliche girano anche senza vento

Questo è un errore di percezione, perché in realtà le pale eoliche non girano senza vento. Il vento è la forza motrice essenziale per il loro funzionamento. Ma, se vedete delle pale girare con vento apparentemente assente, ci possono essere alcune possibili spiegazioni:

Vento a quote più elevate: le turbine sono spesso posizionate su torri elevate proprio per catturare venti più forti e costanti che potrebbero non essere percepibili a livello del suolo e in quota potrebbe esserci un vento significativo, anche se a terra sembra calmo
Brezza leggera: anche una brezza leggera, non percepibile a terra o da lontano, può essere sufficiente a far girare lentamente le pale, soprattutto nelle turbine moderne, progettate per funzionare anche con venti deboli
Inerzia: una volta che le pale sono in movimento, l’inerzia le mantiene in rotazione per un certo periodo anche se il vento diminuisce o cessa completamente e questo effetto è più evidente nelle turbine con pale lunghe e pesanti
Manutenzione: in alcuni casi, le pale possono girare lentamente a scopo di manutenzione o test, anche in assenza di vento., ma è solitamente più lento e regolare rispetto alla rotazione generata dal vento
Errore di percezione: a volte, la percezione del vento può essere ingannevole, la presenza di ostacoli o la distanza possono far sembrare che non ci sia vento, anche se in realtà è presente ad una certa altezza o intensità

Cos’è l’eolico domestico o mini-eolico

Nella breve storia dell’energia eolica ci sono momenti in cui i dispositivi per ricavare energia si sono miniaturizzati per poter essere installati anche da privati.

Il mini-eolico, così è chiamato anche eolico domestico, permette la produzione di energia elettrica dal vento su piccola scala, per alimentare una singola abitazione o una piccola comunità. Le turbine hanno dimensioni ridotte ma anche minore potenza generata.

Può essere una soluzione interessante per ridurre la dipendenza dalla rete elettrica e contribuire alla produzione di energia pulita. Tuttavia, bisogna valutare attentamente le caratteristiche del luogo in cui avverrà l’installazione, la disponibilità del vento e i costi dell’impianto prima di prendere una decisione.

Le turbine del mini-eolico hanno dimensioni ridotte, ed una potenza che varia da poche centinaia di watt a diversi kilowatt. Così da poter essere installate su tetti, pali o torri a terra. Ne esistono due principali tipologie:

Asse orizzontale: simili alle grandi turbine eoliche, con pale che ruotano attorno ad un asse orizzontale. Sono generalmente più efficienti, ma anche più rumorose e richiedono un’area maggiore per l’installazione
Asse verticale: con pale ruotano attorno ad un asse verticale, meno efficienti di quelle ad asse orizzontale, ma più adatte a venti turbolenti e meno rumorose. Inoltre, hanno un impatto visivo generalmente minore.

Come funziona il mini-eolico

In sostanza, il vento fa ruotare le pale della turbina, che azionano un generatore elettrico per produrre energia, che viene poi convertita da un inverter in corrente alternata compatibile con l’impianto elettrico domestico.

I sistemi possono essere connessi alla rete, e l’energia prodotta vien utilizzata direttamente nell’abitazione, oppure immessa nella rete elettrica nazionale. Ci sono anche sistemi off-grid, dove l’energia viene accumulata nelle batterie per essere utilizzata in seguito.

Per il suo funzionamento un sistema di eolico domestico ha necessità di essere integrato da alcuni apparecchi.

Inverter: l’energia generata dalle turbine eoliche è in corrente alternata (AC), ma la frequenza e la tensione possono variare a seconda della velocità del vento, per questo serve a convertire la corrente alternata prodotta dalla turbina in corrente alternata a frequenza e tensione stabili, compatibile con la rete elettrica domestica o con i sistemi di accumulo
Regolatore di carica (per sistemi off-grid): nei sistemi non connessi alla rete elettrica (off-grid), il regolatore di carica protegge le batterie da sovraccarichi e scariche profonde, gestendo il flusso di energia dalla turbina eolica alle batterie
Batterie (per sistemi off-grid): le batterie accumulano l’energia prodotta dalla turbina quando la produzione è superiore al consumo, consentendo di utilizzarla anche in assenza di vento e servono nei sistemi off-grid, ma possono essere utilizzate nei sistemi connessi alla rete per aumentare l’autoconsumo
Palo o torre di supporto: serve ad installare la turbina eolica ad un’altezza sufficiente per catturare venti più forti e costanti, ma la sua altezza dipende dalle dimensioni della turbina e dalle caratteristiche del sito di installazione
Anemometro: misura la velocità del vento e fornisce dati al sistema di controllo della turbina
Sistema di controllo: gestisce il funzionamento della turbina, orientandola nella direzione del vento e regolando la velocità di rotazione delle pale per ottimizzare la produzione di energia

Cos’è una pala eolica

Più correttamente si parla di pala del rotore di una turbina eolica, ed è un componente essenziale di un aerogeneratore (ovvero al turbina).

Si tratta di una struttura aerodinamica, simile all’ala di un aereo, progettata per catturare l’energia cinetica del vento e convertirla in energia meccanica di rotazione.

Ha forma allungata ed un profilo aerodinamico per massimizzare la portanza e minimizzare la resistenza all’aria. La curvatura crea una differenza di pressione tra la superficie superiore (dove l’aria scorre più velocemente) e quella inferiore (dove l’aria scorre più lentamente). Questa differenza di pressione genera una forza di portanza che spinge la pala, facendola ruotare.

Oggi i materiali usati sono compositi, come la fibra di vetro o la fibra di carbonio, e sono rinforzati con resine, per offrire un elevato rapporto resistenza-peso e una buona resistenza alla fatica e alle intemperie.

Se vi siete mai domandato quali siano le dimensioni delle pale, vi diciamo che, pur variando a seconda della potenza della turbina, possono superare i 100 m di lunghezza.

Montate sul mozzo del rotore, collegato all’albero principale della turbina, sono la forza che genera la rotazione dell’albero, che a sua volta aziona il generatore elettrico.

Cos’è l’Atlante eolico

Esiste un documento, prodotto da enti governativi o istituti di ricerca, che rappresenta la mappatura del potenziale eolico di un territorio. In pratica, si tratta di una raccolta di dati e mappe che mostrano la distribuzione e l’intensità del vento in una determinata area geografica. (Sito: atlanteeolico.rse-web.it)

Si utilizza per la pianificazione e lo sviluppo dell’energia eolica e serve a:

Individuare le aree più adatte all’installazione di impianti eolici: le mappe dell’Atlante mostrano le zone con maggiore ventosità, consentendo di individuare i siti più promettenti per la produzione di energia eolica
Valutare il potenziale energetico eolico: fornisce dati sulla velocità e la direzione del vento, che permettono di stimare la quantità di energia elettrica che potrebbe essere prodotta da un impianto eolico in una determinata area
Pianificare lo sviluppo dell’energia eolica: serve a chi decide (politici e investitori) come pianificare lo sviluppo dell’energia eolica a livello regionale o nazionale
Supportare le decisioni di investimento: gli investitori possono utilizzarlo per valutare la fattibilità economica di un progetto eolico
Minimizzare l’impatto ambientale: permette di individuare le aree in cui l’impatto ambientale di un impianto sarebbe minore, ad esempio evitando zone di particolare pregio naturalistico o aree abitate
Ottimizzare la progettazione degli impianti eolici: i dati sull’intensità e la direzione del vento consentono di progettare impianti eolici più efficienti, scegliendo le turbine eoliche più adatte alle caratteristiche del sito
Informare il pubblico: si usa per informare il pubblico sul potenziale eolico del territorio e sui benefici dell’energia eolica

Conseguenze dell’uso di energia eolica massiccio

Secondo aluni studi, attualmente il fabbisogno energetico mondiale si attesta intorno ai 18 Terawatt, mentre l’energia massima ricavabile dalle classiche turbine eoliche montate a terra sarebbe di 400 Tw e quella da turbine ed aquiloni eolici sospesi in aria di 1.800 Tw.

In ogni caso, le stime prospettano una capacità produttiva potenziale ben superiore al consumo reale.

Ma quali potrebbero essere le conseguenze dell’uso a tappeto di impianti eolici? Non indifferenti a quanto pare, visto che si presume che le pale elettriche sottrarrebbero al vento una quantità di energia considerevole al punto da condizionarne l’intensità, e alterando così la circolazione atmosferica e le precipitazioni al suolo.

Già arrivando a produrre 428 Tw di energia eolica, ad esempio, uno studio calcola che si causerebbe l’aumento di circa 1° della temperatura al Polo Sud.

Per quanto riguarda le piogge, invece, si assisterebbe ad un aumento del 20% alle latitudini meridionali e una diminuzione di pari entità a nord. Il risultato sarebbe che le piogge diminuirebbero a livello globale di quasi l’1%.

Per il momento si tratta solo di ipotesi che aprono però tanti interrogativi sul nostro futuro…

Fonti

Per scrivere questo articolo abbiamo consultato alcuni libri e studi scientifici:

Radical transformation pathway towards sustainable electricity via evolutionary steps, Nature Climate Change, 2019, studio sui livelli di energia elettrica ricavabili dalla forza del vento e sulle conseguenze climatiche globali derivanti dall’uso massiccio di turbine eoliche.