|
Energia eolica.
L’energia eolica [I1]
[E1]
[F1]
[ES1] è
una delle fonti di energia primaria [I2]
[E2]
[F2]
[ES2]
che ha raggiunto oggi un livello di sviluppo industriale diventando un
consistente settore delle strategie energetiche. Le cause non
sono accidentali; esse risiedono nell'importanza vitale che il problema
dell'energia ha ormai per l'umanità e nella ricerca
sistematica delle soluzioni a tale problema.
Il vento possiede una energia che dipende dalla sua
velocità, e una parte di questa energia può
essere catturata e convertita in altra forma, meccanica o elettrica,
mediante una macchina. Diciamo una parte perchè la natura
stessa di cui l’uomo ha fatto ricorso fin
dall’antichità per la propulsione dei natanti
(propulsione a vela) e, successivamente, per l’azionamento
dei mulini, i cella macchina eolica non consente di sfruttarne
più del 40%.
Rispetto ad ogni altra macchina a
fluido la turbina eolica è una macchina molto diversa, per
la quale è stato
necessario ricorrere a soluzioni originali ed innovative, mentre a sua
volta il
vento presenta caratteristiche che lo distinguono decisamente da ogni
altra
fonte energetica.
La turbina eolica è una macchina a
flusso aperto; ciò vuol dire che l'energia cinetica di
scarico non è
controllabile e viene persa: la macchina ha un rendimento ideale del
60%. Non
vi è soluzione pratica a questa limitazione, l'unica
soluzione sta nell'
avvicinarsi il più possibile al limite. Lo svantaggio
è attenuato dal fatto che
l'unica perdita di energia è quella fluido dinamica sulla
turbina, non
esistendo perdite da impianto.
La risorsa (il vento) è variabile e
tale variazione è imprevedibile (casuale) nei tempi brevi e
difficilmente
prevedibile nei tempi lunghi. Questa caratteristica ha molte
conseguenze
pratiche: una di queste è che la macchina non può
essere utilizzata per
rispondere alle variazioni del carico. La risposta a tale
particolarità può
essere l'accumulo (acqua, gas, idrogeno, corrente elettrica) o
1'allacciamento
a rete. Quest'ultima funziona da calmiere se alimentata da centrali
regolabili
e se la percentuale di energia di fonte eolica non è molto
elevata
Il sistema elettromeccanico della
macchina eolica presenta numerosi vincoli, e la turbina deve in un
certo senso
"filtrare" il vento, prendendo di esso solo quanto è
compatibile con
questi vincoli. La turbina non si avvia o non produce potenza utile al
di sotto
di una certa velocità del vento, mentre, per ragioni di
economia deve "tagliare" la potenza in
esubero a partire da una velocità di vento non
eccessivamente elevata; infine
deve essere arrestata per sicurezza a velocità elevata.
Tutto ciò si ottiene
con sistemi di regolazione.
La risorsa eolica non può essere in
alcun modo regolata e deve essere sfruttata nelle condizioni in cui la
natura
la offre, in termini di intensità e di
regolarità. La macchina deve essere in
grado di resistere e ricavare il massimo di energia da venti di
intensità e
direzione molto variabili. A causa di tale variabilità la
turbina deve essere
orientabile, in modo da presentarsi sempre di fronte al vento.
A causa della variabilità della
intensità del vento, il funzionamento della macchina
è soprattutto off-design
(il funzionamento di regime difficilmente supera il 10-15 % del tempo
totale).
Ciò comporta variabilità di regime, numero di
giri e frequenza elettrica; è
inoltre impossibile ottimizzare la potenza prodotta. Per attenuare
questo
problema si sono adottate diverse soluzioni tecniche, mentre l'
ottimizzazione e
si finalizza alla energia totale prodotta anziché alla
potenza.
Il fluido ha bassa densità, il che
comporta elevati rapporti peso/potenza, grandi dimensioni di macchina,
elevate
sollecitazioni e vibrazioni ed elevati costi di macchina, trasporto ed
installazione. Per risolvere questi problemi per le pale si adottano
materiali
compositi ad alta elasticità e resistenza. Le dimensioni e
le potenze delle
macchine crescono con la affidabilità: oggi si progetta nel
campo dei multimegawatt
(4-6 MW) e si realizzano centrali con molte macchine (wind-farm),
spesso sul
mare (offshore).
A causa dei grandi diametri e della
necessità di ottimizzare il rapporto di velocità
periferica, i cui valori di
ottimo si aggirano oggi fra 4 e 6, le velocità di rotazione
delle macchine sono
molto basse, specialmente nelle macchine di grande diametro, dove
spesso non
superano i 20 giri/min. Per la generazione elettrica ciò
implica grandi rapporti
di trasmissione e quindi riduttori grandi e costosi, che incidono sul
rendimento, il costo ed il peso della macchina. Una soluzione
innovativa che
oggi si sta affermando è l'impiego di generatori ad elevato
numero di poli in
accoppiamento diretto, assieme ad inverter che consentono di generare a
frequenze molto basse.
Una caratteristica dell'energia
eolica (comune a quella solare fotovoltaica) è che la
risorsa è a costo zero,
mancando anche ogni costo di impianto (a differenza ad esempio della
energia
idrica o del solare termico). Ciò svuota di contenuto
economico il rendimento
energetico (rapporto fra energia resa ed energia disponibile) e l'
efficienza
della macchina è definita in termini di fattore di carico o
utilizzazione d'impianto
(rapporto fra energia resa ed energia nominale della macchina).
La potenza media è molto inferiore
alla potenza installata; ciò chiede cautela
nell'interpretare il dato di
"potenza installata" usato per caratterizzare le installazioni
eoliche. Orientativamente, la potenza media resa da un sistema eolico
in un
anno è pari al 20-25 % della potenza installata.
La macchina eolica non può essere
adoperata per rispondere direttamente ad un carico, meccanico o
elettrico che
sia: il carico infatti varia a sua volta con un andamento che dipende
dal tipo
e dal consumo, e non può coincidere con 1'andamento del
vento. Perciò 1'energia
prodotta dovrà in qualche modo essere accumulata per poterla
utilizzare secondo
il bisogno. Le aeropompe accumulano energia idraulica, gli
aerogeneratori
accumulano energia elettrica in batteria o la immettono in rete.
La massima parte degli aerogeneratori
[I3]
[E3]
[F2]
[ES3]
di
media e grande taglia immettono l'energia prodotta nella rete
elettrica, per
una utilizzazione diretta. Dal punto di vista della macchina, in un
certo senso
la rete elettrica può essere considerata una sorta di
"accumulo",
dato che usualmente tutta l'energia prodotta dalla macchina viene
utilizzata,
mentre la compensazione rispetto alla domanda viene realizzata tramite
la
regolazione degli impianti termo e idroelettrici. Ovviamente, tale
compensazione
è possibile - nel senso che non crea problemi irrisolvibili
- finché 1'energia
di fonte eolica è una frazione modesta di quella di fonte
convenzionale; altrimenti
si possono creare problemi di sbilanciamento della rete e quindi di
blackout;
nel caso di sovrapproduzione anche l'energia prodotta dall'
aerogeneratore deve
essere regolata e il valore di "accumulo" illimitato della rete si
perde.
5/8
|
