In questa pagina ci dedicheremo all'energia dal vento o
energia eolica. Una forma di energia solare
"indiretta", che ha origine dal disuniforme
riscaldamento della superficie terrestre da parte del sole. Circa
il 2% dell'energia solare che raggiunge la Terra si trasforma in
energia eolica, potendo teoricamente contribuire alla produzione
di 20.000 TWh per anno, pari a una volta e mezza la produzione di
energia elettrica del 1992. Questo calcolo è solo indicativo e
nella realtà un simile obiettivo non potrà mai essere attuato
neanche sul lunghissimo periodo. Gli sviluppi tecnologici
realizzati a partire dagli inizi degli anni '70 hanno consentito
di modificare profondamente la struttura e la tecnologia dei
vecchi mulini a vento che venivano e sono tuttora utilizzati per
macinare il grano o pompare l'acqua: nel mondo ci sono circa
2.000.000 di macchine questo tipo. I moderni mulini a vento,
oltre a utilizzare nuove tecnologie, hanno assunto anche un nome
diverso, aerogeneratori, in quanto sono utilizzati per produrre
energia elettrica. Negli ultimi anni lo sviluppo di questo
settore ha subito una notevole accelerazione, in particolare in
Europa. Al 2000 è previsto che la potenza installata a livello
mondiale in aerogeneratori passi dagli attuali stimati 4.900 MW a
circa 14.000 MW, di cui 6.000 in Europa e 2.800 negli Stati
Uniti. Anche in Italia il settore mostra vivaci segni di
vitalità, con la richiesta di installazioni di impianti eolici,
nell'ambito delle leggi 9 e 10 del 1991 e del CIP/6 del 1992 per
oltre 1000 MW a fine '95.
L'energia eolica è stata utilizzata sin dai tempi antichi in
diverse applicazioni. Già 5000 anni fa, nell'antico Egitto, il
vento veniva utilizzato per la navigazione a vela. In Cina,
intorno al XVII secolo, i primi mulini a vento consentivano di
utilizzare l'energia eolica per la macinazione dei cereali. In
Olanda, in tempi più recenti, i mulini a vento favorirono una
prima fase di industrializzazione con l'azionamento di pompe per
l'acqua (ad es., per il drenaggio delle paludi), di segherie,
cartiere, tintorie, industrie del tabacco. Nel secolo scorso le
aereopompe con giranti multipala di piccolo diametro si diffusero
in grandissimo numero, in particolare nelle fattorie dei nuovi
territori colonizzati e negli Stati Uniti. I primi generatori di
energia elettrica azionati dal vento risalgono ai primi anni di
questo secolo ed avevano una potenza compresa tra 3 e 30 kW. A
partire dagli inizi degli '70 il rinnovato interesse per le
energie pulite ha dato un forte impulso allo sviluppo tecnologico
degli aereogeneratori che hanno raggiunto, in questi ultimi anni,
la piena maturità commerciale.
Tra i moderni aereogeneratori quello più diffuso è il modello
ad asse orizzontale di taglia media di 200-400 kW. Le pale (da 1
a 3), montate su un mozzo, formano il rotore che è posto in cima
a un sostegno alto all'incirca quanto il diametro delle pale. Dal
rotore l'energia cinetica viene trasmessa a un generatore di
corrente collegato a sistemi di controllo e trasformazione tali
da regolare la produzione di elettricità e l'eventuale
allacciamento alla rete. Un aereogeneratore è caratterizzato da
una velocità minima e massima di funzionamento. Tali velocità
sono comprese nei limiti da 4-5 m/s (alle quali l'aereogeneratore
comincia a funzionare) a 20-25 m/s (alle quali l'aereogeneratore
viene posto fuori servizio per motivi di sicurezza essendo la
velocità del vento troppo elevata).
La più importante forma di impiego dell'energia eolica è
quella relativa alla produzione di energia elettrica. L'energia
elettrica può essere utilizzata attraverso due grandi categorie
di impianto: impianti per utenze isolate e impianti concepiti per
essere allacciati a reti elettriche già esistenti. Un primo tipo
di impianto è quello per la produzione di energia elettrica
"di servizio" fornita da piccoli aereogeneratori di
potenza inferiore a 1 kW (rotore di 1-2 m.) per l'alimentazione
di apparecchiature poste in luoghi isolati, come ripetitori
radio, rilevatori, impianti di segnalazione, ecc.; questi
utilizzi sono spesso concorrenziali o integrativi ai sistemi
fotovoltaici. Esiste, poi, una produzione di elettricità per
l'alimentazione di case sparse o insediamenti isolati non
allacciati alla rete. Tali impianti sono costituiti da
aereogeneratori di piccola taglia (3-20 kW) e un sistema di
accumulo (batteria) dell'energia prodotta nei momenti di vento
favorevole. Queste applicazioni hanno diffusione limitata nei
paesi industrializzati, ma potrebbero avere prospettive
interessanti nei paesi in via di sviluppo con elevata ventosità.
Gli impianti eolici connessi alla rete si distinguono tra la
produzione di elettricità per l'alimentazione di piccole reti e
quella fornita da centrali collegate alla rete nazionale. Nel
primo caso siamo in presenza di impianti situati su piccole isole
o in aree remote che sono alimentate da sistemi elettrici non
interconnessi con la rete nazionale. Trattandosi di reti poco
estese si possono impiegare uno o più unità di taglia media
(fino a 300-400 kW), anche perché la quota di potenza eolica
installabile deve essere limitata al 20-25% di quella totale per
motivi di regolazione degli impianti azionati da motori diesel,
che devono adattare in ogni momento il proprio carico alla
potenza fornita dal vento. In questa tipologia di sistemi si può
prevedere l'impiego congiunto di eolico e fotovoltaico (impianti
ibridi), che potrebbero, in alcuni casi, integrarsi a vicenda su
base annua. L'applicazione di maggior interesse per l'eolico è
comunque l'alimentazione delle grandi reti nazionali; per questo
scopo sono utilizzate macchine di taglia medio-grande installate
singolarmente o in gruppi di unità (centrali anemoelettriche o
wind farms o fattorie eoliche) con potenze totali dell'ordine di
alcuni megawatt o di alcune decine di megawatt
La produzione di energia meccanica attraverso l'utilizzo del
vento è caratterizzata principalmente dalle aereopompe. Esse
rappresentano l'applicazione eolica più diffusa nel mondo (quasi
2 milioni di unità). Le applicazioni di energia meccanica da
fonte eolica appaiono interessanti specialmente per le aree
rurali dei paesi in via di sviluppo, dove l'approvvigionamento
energetico comporta difficoltà e costi eccessivi.
Alla fine del 1995 la capacità eolica globale installata e
collegata alla rete è stimata intorno ai 4.900 MW (tabella 1)
con una produzione annuale di quasi 8 TWh (si prevede che nel
2000 si possano raggiungere 14.000 MW di potenza installata). Con
un costo che si aggira tra 2-2,5 miliardi di lire per megawatt
installato, il mercato mondiale ha avuto, durante quest'anno, un
giro di affari di circa 2.500 miliardi di lire. Attualmente
l'industria eolica europea è leader mondiale, anche se è in
forte espansione la capacità competitiva degli americani e dei
giapponesi. Nel 1994 l'industria europea ha prodotto circa 550 MW
in macchine eoliche della gamma che vanno da 100 a 750 kW. Il 90%
dei produttori mondiali dei motori eolici di taglia media e
grande sono, infatti, europei. Il giro di affari globale
dell'industria eolica europea, per il 1994, ha superato i 900
miliardi di lire e si stima che nel 1995 almeno 20.000 persone
siano state impiegate in attività legate all'energia eolica
(valore del mercato di circa 1.100 mld di lire). Oltre 25 aziende
produttrici sono presenti sul mercato europeo, ma la maturazione
della tecnologia porterà sicuramente ad una concentrazione delle
attività industriali in poche compagnie specializzate. Ad
esempio, il mercato in Germania è diviso per l'85% tra sei
grandi aziende. I generatori eolici di taglia piccola (meno di
25-30 kW), al contrario, rappresentano in Europa un livello di
attività economica molto scarso, tanto che il giro d'affari
annuale è limitato a circa 8 miliardi di lire e solo poche
centinaia di persone sono coinvolte in questo settore.
Uno scenario, considerato ambizioso, ma realistico dall'EWEA
(European Wind Energy Association) ipotizza, per il 2030, la
generazione, da fonte eolica, del 10% della domanda elettrica
prevista nei paesi dell'Unione Europea; ciò comporterebbe
l'installazione, a quella data, di impianti per 100.000 MW.
TABELLA 1 - POTENZA INSTALLATA IN GENERATORI EOLICI A LIVELLO MONDIALE (MW): STATO E PROSPETTIVE
| PAESE O REGIONE | NUOVA POTENZA NEL '94 | POTENZA A FINE '94 (STIMA) | NUOVA POTENZA A FINE '95 (STIMA) | POTENZA PREVISTA AL 2000 |
| STATI UNITI | 100 | 1.722 | 150 | 2.800 |
| AMERICA LATINA | 4 | 10 | 25 | 400 |
| TOTALE AMERICHE | 104 | 1732 | 175 | 3200 |
| GERMANIA | 307 | 632 | 300 | 2000 |
| DANIMARCA | 52 | 539 | 75 | 1000 |
| OLANDA | 30 | 162 | 40 | 500 |
| INGHILTERRA | 40 | 170 | 20 | 800 |
| SPAGNA | 16 | 73 | 90 | 800 |
| SVEZIA | 10 | 40 | 15 | 240 |
| GRECIA | 10 | 36 | 10 | 200 |
| ITALIA | 7 | 22 | 10 | 100 |
| PORTOGALLO | - | 9 | 5 | 60 |
| IRLANDA | 6 | 8 | 10 | 150 |
| FINLANDIA | 3 | 4 | 3 | 50 |
| Altri Stati Europei | 4 | 28 | 10 | 440 |
| TOTALE EUROPA | 485 | 1723 | 588 | 6340 |
| INDIA | 141 | 201 | 400 | 2900 |
| CINA | 18 | 29 | 50 | 730 |
| Altri Stati Asiatici | 0,3 | 7 | 10 | 187 |
| TOTALE ASIA | 159 | 237 | 460 | 3817 |
| MEDIO ORIENTE (Escl. Egitto) | 2 | 24 | 5 | 70 |
| NUOVA ZELANDA | - | 6 | - | 70 |
| CAPO VERDE | 2,4 | 2,9 | 0,2 | 6,0 |
| Altri Stati Africani | 5,3 | 13,5 | 10 | 220 |
| TOTALE AFRICA | 8 | 16 | 10 | 226 |
| Altri Stati | - | - | 5 | 70 |
| TOTALE | 758 | 3.738 | 1.253 | 13.803 |
Fonte: Peter Jensen - Riso, Danimarca (Novembre 1995)
In Italia la diffusione degli aerogeneratori è al momento
meno avanzata rispetto ad altri paesi europei: alla fine del
1995, sul territorio italiano risultavano installati circa 22 MW.
Si tratta, in molti casi, di impianti sperimentali, realizzati
con il determinante contributo di fondi pubblici. Solo
recentemente, con la messa in esercizio dell'impianto Riva
Calzoni di Casone Romano (FG), sembra essersi avviato il processo
di realizzazione di impianti industriali di taglia significativa.
Tale processo potrebbe subire una ulteriore rapida evoluzione
già nel 1996, a seguito di alcune iniziative dell'ENEL,
dell'ENEA e di altri operatori industriali, nonché di alcune
iniziative di sostegno adottate da alcune Regioni. In
particolare, l'ENEL porterà a termine due parchi eolici: il
primo, di potenza di 11 MW, sarà situato nella zona costiera di
Monte Arci (OR); il secondo avrà una potenza di 9 MW, e sarà
collocato sull'Appennino abbruzzese, nel Comune di Collarmele
(AQ). Ciascuna di queste centrali sarà in grado di produrre
12-15 milioni di kWh/anno. I due impianti saranno ubicati,
rispettivamente, in un ambiente marino e in uno montano,
rappresentativi delle tipiche tipologie di siti eolici in Italia.
Ulteriori iniziative sono attese da operatori industriali quali
la Riva Calzoni, la West e la ItalianVento, principalmente
sull'Appennino tra la Campania e la Puglia. A tale riguardo è di
estremo rilievo il fatto che, a fine 1995, le domande di
collegamento di nuovi impianti eolici alla rete elettrica
assommavano a oltre 1000 MW; in particolare, le domande già
inserite nelle graduatorie redatte semestralmente dall'ENEL
ammontano a circa 710 MW al 30-6-1995 (ultima graduatoria
disponibile). Questi dati fanno ritenere pessimista la previsione
di installazione in Italia di soli 100 MW al 2000 indicata nella
tabella 1. A quella data la potenza installata potrebbe essere
infatti dell'ordine dei 300 MW, come previsto dal Piano
energetico nazionale.
La potenza eolica in programma in Italia è in gran parte
concentrata nella citata zona tra la Campania e la Puglia (vedi
anche tabella 2), dove dovrebbe svilupparsi un importante polo
eolico nazionale, il cui decollo potrà contribuire sia alla
crescita del sistema eolico nazionale, sia allo sviluppo
economico dell'area. L'effettiva concretizzazione delle
iniziative in tale area potrà giovarsi anche della decisione
della Regione Puglia di inserire nel documento Unico
Programmatico per i Fondi strutturali, aree dell'Obiettivo 1,
periodo 1994-99, approvato dalla Giunta Regionale della Puglia il
21-11-1995, una misura di incentivo all'eolico, con contributi in
conto capitale. Un analogo supporto viene fornito dalla Regione
Umbria, nella quale le misure anemologiche eseguite dall'ENEA
hanno dimostrato la probabile esistenza di un secondo
significativo polo eolico. Altre regioni, quali la Campania e la
Sicilia, sono orientate a seguire l'esempio di Puglia e Umbria.
Gli operatori del settore valutano che tali incentivi, unitamente
alle tariffe di cessione stabilite dal decreto CIP 6/92, rendano
economicamente conveniente gli investimenti nel settore eolico.
Un ulteriore impulso verrà dalle attività dell'ENEA,
finalizzate alla individuazione di altri siti idonei, alla
costituzione di un organismo di certificazione delle macchine,
all'individuazione di adeguati meccanismi di finanziamento delle
iniziative e allo sviluppo di aereogeneratori innovativi.
LOCALITA' ESERCENTE N. UNITA' POTENZA TOTALE IMPIANTO (MW) Alta Nurra (SS) ENEL SpA 5 2,72 Monte Ucccari (SS) Consorzio Nurra 5 1,60 Brunestica (SS) Consorzio Nurra 3 0,96 Campanedda (SS) Consorzio Nurra 4 1,00 Ottava (SS) Consorzio Nurra 4 1,00 San Simone (NU) Consorzio Sardegna 1 0,20 Villangrande (NU) Comune 2 0,64 Assemini (CA) CO2 IndustrieSpA 1 0,22 Villacidro (CA) Cons. Industriale 6 0,92 Carloforte (CA) N.D. 3 0,96 Oristano Cons. Industriale 1 0,15 Villa Favorita (PA) Soc. Villa Favorita 1 0,15 Ostuni (BR) Az. Massari 1 0,15 Bisaccia (AV) West 22 2,40 Palena (CH) Consorzio Sangro 5 1,28 Tocca da Casuria (PE) Comune 2 0,40 Collarmele (AQ) Marsica GAS 1 0,25 Frosolone (IS) ENEL SpA 8 2,44 Frosolone (IS) Comunita' M. Sannio 1 0,32 Frontone (PS) ANAS 2 0,40 Casone Romano (FG) Riva Calzoni 10 3,50 TOTALE 88 21,83
PROVINCIA MW Bologna 3,50 Arezzo 1,80 Perugia 1,40 Pescara 4,50 L'Aquila 4,00 Campobasso 10,00 Frosinone 9,60 Benevento 181,70 Avellino 32,80 Salerno 6,90 Foggia 297,70 Lecce 1,20 Potenza 39,80 Matera 16,70 Catanzaro 3,00 Cosenza 18,80 Crotone 5,50 Reggio Calabria 16,40 Sassari 22,50 Nuoro 1,40 Siracusa 10,00 Trapani 20,00 TOTALE 708,60
La fattoria eolica di Casone Romano è il più grande
impianto eolico in esercizio in Italia ed è costituita da 10
aereogeneratori monopala da 350 kW fabbricati dall'azienda
italiana Riva Calzoni, l'unica al mondo a costruire macchine di
questo tipo.
L'energia eolica è tra le fonti rinnovabili quella tecnologicamente più matura e più vicina alla competitività economica. In 15 anni, infatti, il costo del chilowattore eolico è diminuito del 70% e, secondo stime dell'EWEA (European Wind Energy Association), una produzione su larga scala degli aereogeneratori, potrebbe consentire, nei prossimi anni, un'ulteriore riduzione di almeno il 25%. Perfino un'organizzazione internazionale come l'IAEA (International Atomic Energy Agengy) ritiene che l'eolico possa, nel breve periodo (tra il 2005-2010), essere pienamente competitivo con le fonti energetiche convenzionali (combustibili fossili e nucleare), senza nemmeno usufruire, a proprio vantaggio, della contabilizzazione dei costi esterni o sociali. Il costo dell'unità di energia (kWh) prodotta da impianti eolici è frutto di un calcolo piuttosto complesso. In linea generale, la sua valutazione deve tenere conto di diversi fattori: in primo luogo, dell'investimento iniziale dell'impianto, sul quale incide per il 60-70% il costo delle macchine; inoltre, occorre considerare la vita utile dell'impianto e del relativo ammortamento (circa 20 anni), i tassi di finanziamento, i costi di esercizio e di manutenzione (1-3% dell'investimento), l'energia globale prodotta su base annua, quest'ultima funzione sia delle prestazioni delle macchine, sia delle caratteristiche di ventosità del sito. Oggi in Italia il costo del chilowattore eolico "vale" 173,5 lire, ed è il prezzo convenzionale stabilito a livello governativo, quindi soggetto a variazione. Tale prezzo, rivalutabile annualmente, viene riconosciuto solo per i primi 8 anni (per i successivi il prezzo è di circa 84 lire) a chi produce energia elettrica da fonte eolica e la immette sulla rete ENEL.
La rapida diffusione degli aerogeneratori verificatasi
negli ultimi anni ha evidenziato alcune implicazioni di natura
ambientale connesse allo sviluppo dell'energia eolica. In
particolare, sono stati messi sotto accusa l'impatto estetico
sull'ambiente e il rumore prodotto dagli aerogeneratori. Una
grande fattoria eolica viene, in genere, localizzata in aree
ventose, lontane dai centri abitati e con possibilità di usi
alternativi limitati, dunque in aree naturali sovente
incontaminate e remote. L'inserimento di generatori eolici in un
tali siti risalta pertanto alla vista anche per il suo carattere
di novità. Tuttavia il loro impatto visivo dipende
essenzialmente, come per tutte le opere dell'uomo, da una buona
progettazione. Non dobbiamo comunque dimenticare che la "non
visibilità" dei gas emessi nella produzione convenzionale
di energia elettrica, dispersi nell'ambiente e inalati dall'uomo,
reca danni molto più gravi all'ambiente e alla salute. Anche il
rumore dei generatori eolici andrebbe comparato con il rumore del
traffico urbano delle grandi metropoli dei paesi industrializzati
o con quello prodotto dai generatori diesel, piuttosto comuni nei
piccoli centri abitati dei paesi in via di sviluppo.
Se in un alternatore a due poli , facciamo girare il rotore a 3000 g/min, la frequenza della grandezza elettrica generata è di 50 Hz secondo la nota formula: n=60 f/2p. Per avere la stessa frequenza con un rotore a quattro poli è necessario ridurre i giri a 1500. A 28 poli il generatore deve girare a 214.3. Da questo si intuisce che all'aumentare il numero dei poli in un generatore, diminuisce il numero dei giri per avere 50 Hz. Una cosa molto intuitiva è che in un generatore eolico occorre utilizzare generatori con un numero di poli elevato per avere una certa tensione ai morsetti con un basso numero di giri. Una domanda ovvia è: come mai nei generatori eolici adoperiamo gli alternatori invece che le dinamo ? Prima di tutto il vento ha una velocità troppo variabile per mantenere costante il numero di giri e quindi la frequenza della corrente. Gli alternatori vengono privileggiati rispetto alle dinamo perchè meno pesanti, gli alternatori a magneti permanenti non hanno spazzole e quindi non necessitano di manutenzione. Inoltre, gli alternatori possono invertire il senso di rotazione senza danni e forniscono una corrente maggiore delle dinamo.Per trasformare la corrente alternata in corrente continua si usano i diodi all'interno dello stesso alternatore e quindi all'uscita abbiamo direttamente corrente continua. Un dispositivo elettronico della regolazione della tensione, provvede ad interrompere il circuito di carica per non rovinare gli accumulatori in tampone. Infatti, se aumenta la velocità del vento, aumenta la tensione ai morsetti del generatore e quindi la tensione di carica delle batterie. Il dispositivo è tarato in modo tale da interrompere il circuito se la tensione supera i 15 V. Gli alternatori ideali per i generatori eolici sono ad alto numero di poli, a magnete permanente e che si possano accoppiare direttamente con il rotore senza organi meccanici in movimento che ne fanno diminuire il rendimento. Ecco un tipico esempio di alternatore munito di regolatore:
