Energia dal vento: eolico, minieolico, “eolico domestico”

Se da un lato esiste un grande fermento nello sviluppo di sistemi di accumulo di energia – abbiamo visto ad es. le batterie al sale piuttosto che sistemi di accumulo a gravità – dall’altro esiste una spinta notevole anche nello sviluppo di nuovi sistemi di produzione di energia in particolare da fonti rinnovabili.

Tra le fonti rinnovabili, una delle più utilizzate, dopo il sole, è il vento.

Non c’è ovunque, spesso è incostante, ma è certamente una risorsa rilevante.

Dati Terna (l’azienda che gestisce la distribuzione di energia elettrica) relativi all’anno 2021 evidenziano come se da un lato la prima fonte di produzione rinnovabile in Italia sia in fotovoltaico con 22,6 GW, poi l’idrico rinnovabile con 19,2 GW, segue l’eolico con 11,3 GW.

La produzione di energia eolica avviene per la gran parte con turbine eoliche classiche a tre pale, le più classiche turbine, denominate ad asse orizzontale.

Sono turbine (o aerogeneratori) di dimensioni considerevoli

In questo articolo parleremo anche di altri sistema di produzione di energia dal vento attraverso turbine meno conosciute ad asse verticale: che cosa sono? Come funzionano? Quali i vantaggi?

Inoltre:

• che cos’è il mini eolico?
• l’eolico è possibile in ambito domestico?

Turbina eolica: che cos’è?

Una macchina che trasforma energia cinetica in energia elettrica.

L’energia cinetica è l’energia posseduta da un corpo in relazione ad un suo stato di moto. attraverso una apposita macchina questa energia può essere trasformata in energia elettrica. Questa macchina si chiama turbina (dal latino “turbo” che significa vortice).

NB (disambiguazione) – La parola “turbo” ha dato origine al concetto di turbocompressore e quando noi oggi diciamo “metto il turbo” ci riferiamo al turbocompressore, un dispositivo che va a sovralimentare un motore. Ma è un derivato del termine originale: vortice.

Lo sfruttamento dell’energia cinetica contenuta del vento e la sua trasformazione in altre forme di energia, in particolare meccanica, lo spostamento di masse d’acqua piuttosto che per la macinazione,

è qualcosa che affonda le radici nella storia più lontana: pare infatti che risalga addirittura al 2000 a.C. l’Impiego di mulini a vento per spostare acqua a fine di irrigazione nell’area mesopotamica ai tempi del Re babilonese Hammurabi. 

Ma esistono molti altri esempi nella storia.

Tipologie di turbine

Come sappiamo di turbine ne esistono di più svariate e con diverse applicazioni di cui il turbocompressore è un esempio.

Ma gli esempi più comuni, per rimanere nell’ambito che stiamo prendendo in esame, sono le turbine per la produzione di energia per esempio idroelettriche o termoelettriche ma anche le turbine utilizzate dalle centrali nucleari (che sono una particolare tipologia di centrali termoelettriche): ricordo infatti che una centrale nucleare produce calore per poi produrre vapore che viene utilizzato per produrre energia elettrica. Grazie ad una turbina.

Quali sono le principali tipologie di turbine eoliche?

Asse di rotazione

La prima e più immediatamente percepibile suddivisione delle turbine eoliche è basata sulla tipologia costruttiva.

• Asse orizzontale (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbines) – Devono essere orientate nella direzione del vento, l’asse deve essere circa parallelo alla direzione del vento;
• Asse verticale (VAWT – Horizontal Axis Wind Turbines) – Sono indipendenti dalla direzione del vento

L’asse è l’asse di rotazione: l’asse intorno al quale ruotano le pale,

Principio di funzionamento

Altra distinzione si basa sul principio di funzionamento:

• a resistenza: la pala si muove in relazione alla resistenza offerta al flusso del vento, quindi grazie all’azione meccanica diretta di spinta esercitata sulla sua superficie;
• a portanza: la pala lavora come l’ala di un aereo grazie ad una forza denominata portanza prodotta dalle differenze di pressione prodotte da un lato e dall’altro della pala.

Potenza

Le turbine eoliche possono essere classificate anche sulla base della potenza nominale della macchina; IEC (Commissione Elettrotecnica Internazionale) ha effettuato la seguente classificazione:

• fino a 1 kW Picoeolico
• fino a 7 kW Microeolico
• fino a 50 kW Minieolico

Turbine ad asse orizzontale

Le pale eoliche moderne sono chiaramente state ottimizzate in termini di efficienza e hanno caratteristiche, termini di conformazione e dimensioni non casuali.

COME MAI HANNO TRE PALE? – Più pale significa più peso e più costi. La formula a tre pale è quella che massimizza l’efficienza. A 2 pale sarebbero eccessivamente veloci e rumorose (a parità di vento), a quattro pale eccessivamente costose e non corrispondenti ad un aumento di resa e benefici.

PERCHE’ COSI’ GRANDI? – La velocità del vento cresce con la distanza dal suolo, per questo devono essere alte. Questo naturalmente crea complicazioni strutturali, legate alle dimensioni. Ma questo è il motivo delle dimensioni delle pale eoliche. Attenzione: il rapporto tra velocità del vento ed energia prodotta non è lineare. Dimezzando la velocità del vento si produce molta meno della metà dell’energia.

dove P è la potenza prodotta, ρ è la densità dell’aria, v è la velocità del vento; A è la sezione della pala.

La velocità è al cubo. L’aumento della velocità incide molto. Se a 9 m/s circa si producono 500 W a 4,5 m/s se ne producono circa 50. Un decimo.

QUALI LE PIU’ GRANDI? – Le più grandi: MingYang MySe 16.0 – 242 m di altezza, pale da 118m, potenza 16 MW.

SE IL VENTO E’ ECCESSIVO? – Sono dotate di sistemi di controllo e di sicurezza che interrompono il funzionamento facendola uscire dall’assetto frontale quando viene superata una certa velocità del vento o facendo intervenire un sistema frenante.

Turbine ad asse verticale

Nelle turbine ad asse verticale l’asse di rotazione è, appunto, orientato dal basso verso l’alto.

Sono sostanzialmente riferibili a tre categorie:

• turbine Savonius: a resistenza, costituite sostanzialmente da due semicilindri montati in modo opposto uno all’altro, con basso costo ma anche rendimenti in genere inferiori alle altre tipologie;
• turbine a portanza (elicoidali, di tipo H, di Darrieus): hanno rendimento maggiore ma non si avviano in autonomia: devono essere portate ad una velocità minima di rotazione.

Proprio a causa dei problemi relativi alla messa in moto delle turbine a portanza sono stati sviluppati e sono ancora in fase di sviluppo progetti con configurazioni ibride (miste) delle due tipologie viste prima.

Vantaggi e svantaggi

Le turbine ad asse verticale hanno alcuni vantaggi: 

• sono meno rumorose rispetto a quelle ad asse orizzontale; 
• funzionano indipendentemente dalla direzione del vento;
• sono meno sensibili alle variazioni di intensità del vento;
• sono più adatte a piccole installazioni urbane e a livello di minieolico.

I costi tuttavia sono ancora elevati e i rendimenti inferiori alle sorelle ad asse orizzontale.

Principio di funzionamento

Sia nelle attuali turbine ad asse orizzontale, che nelle cosiddette turbine ad asse verticale come quelle degli Darrieus, il principio base di funzionamento è legato alla forma delle pale, al loro profilo, alla loro sezione e a come varia sulla loro lunghezza. 

Il profilo è Infatti tale da generare un fenomeno denominato portanza, che sostanzialmente spinge avanti la pala grazie alla differenza di pressione che si genera tra i due lati della palla stessa. 

È sostanzialmente il medesimo meccanismo di portanza che consente alle ali di un aereo di sollevarlo e farlo volare.

Mini eolico

Come abbiamo visto in precedenza il mini eolico è sostanzialmente costituito da impianti di taglia ridotta e comunque inferiore ai 50 kW (IEC).  Nella prassi comune si intendono comunque impianti di Italia molto più piccola a volte si usa questo termine anche per impianti che in realtà dal punto di vista della classificazione rientrerebbero nel micro eolico se non addirittura nel Pico eolico.

Questi piccoli impianti possono avere applicazioni diverse e si parla anche di eolico a livello domestico.

Questi impianti per le loro caratteristiche sono più facilmente costituiti da turbine ad asse verticale.

Applicazioni

Soprattutto in tempi come questi, da un lato di aumento di costi dell’energia dall’altro di problemi legati al cambiamento climatico, c’è un fermento notevole anche a livello di ricerca sviluppo in termini di produzione e accumulo di energia da fonti rinnovabili e alternative.

Flower turbines è un’azienda con base negli USA e in Olanda, che ha sviluppato turbine verticali che combinano produzione di energia dal vento e design.

Alpha 311 è una azienda del Regno Unito che ha realizzato una piccola turbina in grado di produrre energia dal movimento d’aria prodotto dal moto dei veicoli lungo le strade.

Joe Doucet è un designer, imprenditore, inventore e direttore creativo, Joe Doucet è uno dei talenti creativi più ricercati che lavorano oggi in America. Ha ideato una sorta di muro rettangolare costituito da una griglia di pannelli quadrati che ruotano lungo 25 assi, combinati con 25 generatori eolici. Quando sono alimentati dal vento, questi pannelli ruotano individualmente e generano elettricità.

Sono solo alcuni esempi.

Eolico domestico

È possibile produrre energia elettrica dal vento anche a livello domestico?
Esistono delle tecnologie applicabili?
Può essere conveniente in termini economici?

Premessa importante 

Mi rendo conto a questo punto di poter deludere qualcuno ma sarò sincero nel dire che diverse tecnologie presentate già anni or sono come foriere di grandi successi, in realtà non sono andate molto lontano, 

talvolta sono peraltro stati bruciati investimenti importanti, per cui ad oggi credo sia un terreno sul quale sia opportuno muoversi con molta cautela.

In generale di ogni prodotto è opportuno avere evidenza di dati tecnici e analitici precisi: se ad esempio si dice che è in grado di produrre energia con poco vento è bene sia indicato quanto poco, quanta energia, se è dichiarato silenzioso siano forniti dati precisi in decibel e le condizioni in cui sono misurati e via dicendo.

È sufficiente scorrere Amazon e i commenti in fondo a determinati prodotti, che sembrano promettere risultati entusiasmanti, per farsi una idea del problema. Occhi aperti.

Il materiale presente sul web è molto ma a mio giudizio è di grande importanza distinguere il fumo dall’arrosto e di fumo ce n’è parecchio. 

Come dice Paul Gipe un grande conoscitore di energia dal vento che ha prodotto sul tema diverse pubblicazioni,

“è molto più economico e facile costruire un sito web che una turbina funzionante.”.

Paul Gipe

Se qualcuno di voi ha notizie diverse di casi e situazioni di successo in questo senso, vi invito a condividerle qui sotto nei commenti.

Sia chiaro: non per questo dobbiamo essere pessimisti, né si deve mai fare di tutta l’erba un fascio; 

anzi casi come quelli presentati ci devono imporre ottimismo anche perché oggi le condizioni sono molto diverse da partecchi punti di vista, primo fra tutti una situazione climatica che impone gli stessi governi a incentivare e spingere lo sviluppo di questo tipo di tecnologie.

Sul mercato sono disponibili piccoli impianti che potrebbero essere anche utilizzabili a scala domestica. Ma a mio parere ci sono un po’ di aspetti che è opportuno prima verificare in modo approfondito.

Quindi

È chiaro che per poter rispondere alle domande poste poco fa il primo aspetto da considerare è la effettiva disponibilità di vento nel luogo dove si vuole installare l’impianto. Diversamente sarebbe come installare pannelli fotovoltaici su un terreno completamente in ombra.

Come fare a saperlo?

Per poter avere una idea della disponibilità di vento è stato sviluppato da parte della società RSE Spa Un portale denominato Atlante Eolico, che permette di verificare la disponibilità di vento anche a diverse altitudini e su tutto il territorio italiano, sia onshore, cioè nell’entroterra e offshore, ossia nelle zone di mare. 

Eventualmente c’è anche una interessante alternativa a livello globale si chiama Global Wind Atlas:

Qui sono disponibili anche i dati di Capacity factor, il “fattore di capacità”, un indicatore dell’idoneità delle condizioni di velocità del vento a produrre elettricità. E’ fornito per tre diverse classi di turbine eoliche progettate specificamente per condizioni di vento a bassa, media e alta velocità.

Si tenga presente che le aziende che realizzano parchi eolici effettuano studi sul lungo periodo in merito all’intensità del vento alla direzione al carattere o meno di continuità e via dicendo.

Inoltre è importante considerare il fatto che per valutare la eventuale convenienza di un impianto di produzione di energia dal vento ci sono alcuni aspetti da considerare, oltre al vento:

• costi di investimento;
• costi di manutenzione (le turbine eoliche industriali sono continuamente mantenute);
• eventuale detrazione fiscale;
• ritorni effettivi (anche in termini di scambio sul posto)
• tempo di vita
• aspetti tecnico – operativi: rumore, vibrazioni, aspetti strutturali legati all’azione del vento (le turbine eoliche hanno strutture di base e di sostegno molto importanti).

E’ evidente che risulta comunque consigliabile effettuare un’analisi adeguata con competenza ed effettuare una valutazione precisa numeri alla mano.

Mini eolico: quale futuro?

Eolico domestico o comunque di piccola taglia: può avere un futuro?

Perché no? Ovviamente non ovunque sul territorio ma in determinate zone in cui il vento non manca perché no? Magari in accoppiamento con il fotovoltaico e soprattutto con sistemi di accumulo.

Però se possa avere o meno un futuro non sono in grado di dirlo.

Sicuramente stiamo vivendo un’epoca in cui c’è molto fermento nello sviluppo di sistemi di produzione e di accumulo da energie rinnovabili.

Se hai notizia di start up o innovazioni in questo settore, non esitare a farmelo sapere qui sotto nei commenti.

Molte delle tecnologie e delle startup che si affacciano al mercato sono giovani ed è difficile oggi fare una valutazione adeguata. Ma è decisamente apprezzabile lo sforzo che si sta facendo soprattutto rispetto alla situazione di crisi climatica e di combustibili fossili che sta attraversando il nostro tempo.