Impianto Eolico

Da sempre si è cercato di utilizzare l'energia del vento per compiere lavoro (mulini per macinazione dei cereali, spremitura delle olive, pompaggio dell'acqua oppure navigazione). Da alcuni decenni quest'energia, detta energia eolica, viene anche utilizzata per la produzione di elettricità.

Nel seguito cercheremo di capire il funzionamento di un impianto per produzione di energia elettrica da fonte eolica (aerogeneratore) e le sue possibili applicazioni.

La potenza di un aerogeneratore può variare da poche centinaia di Watt fino a circa 3 MW (3MW= 3.000.000 Watt).

Al crescere della potenza in grado di erogare varieranno ovviamente le dimensioni dell'aerogeneratore; si riporta nel seguito una tabelle riepilogativa delle caratteristiche degli aerogeneratori in base alla loro potenza nominale (sono considerate potenze fino a 200 kW tipiche della generazione detta minieolico).

Qualunque sia la taglia un aerogeneratore e comunque costituito da una serie comune di componenti che nel seguito analizzeremo brevemente.

Rotore
E' costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale. Generalmente vengono utilizzate 2 o 3 pale. 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 inoltre 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.

Sistema frenante
è 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.

Moltiplicatore di giri
Il moltiplicatore di giri serve per trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il generatore.

Generatore
Il generatore trasforma l'energia meccanica in energia elettrica. I giri al minuto dell'aerogeneratore, e quindi la frequenza dell'energia elettrica prodotta, sono molto variabili (come lo è la velocità del vento); tuttavia la frequenza di rete deve essere costante a 50 Hz. Perciò i generatori vengono collegati a una serie di inverter prima di immettere l'energia in rete.

Sistema di controllo
Il funzionamento di un aerogeneratore è regolato da un sistema di controllo che ne gestisce le diverse operazioni di lavoro e aziona il dispositivo di sicurezza per l'arresto in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento.

Navicella e sistema di imbardata
La navicella è una cabina in cui sono ubicati tutti i componenti di un aerogeneratore. La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare di 180º 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.

Torre e fondamenta
La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma tubolare o a traliccio. La struttura dell'aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediante fondamenta che molto spesso sono completamente interrate e costruite con cemento armato.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Per poter funzionare e generare energia, un aerogeneratore richiede una velocità minima del vento di circa i 3-5 m/s (cut-in); ad una velocità del vento pari a 12-14 m/s l'aerogeneratore genera la sua potenza nominale; ad una velocità del vento di 20-25 m/s l'aerogeneratore viene arrestato per motivi di sicurezza (cut off).

Per avere sensibilità su quale sia la velocità del vento si può fare riferimento alla scala di Beaufort.

Ai bassi regimi di vento corrispondono esigui valori di potenza erogata dalla macchina. Ciò significa che, ad esempio, una turbina da 1 kW di potenza nominale, in condizioni minime di vento tali da farla avviare potrà generare una potenza trascurabile, non superiore a qualche decina di watt. Al crescere del vento, la potenza prodotta dalla macchina aumenta in modo più che proporzionale, sino a raggiungere i valori dichiarati come "nominali" a 12-14 metri al secondo (circa 40-50 km/h). Velocità del vento superiori alla nominale determinano incrementi di potenza elettrica generata assai limitati poiché i sistemi di controllo (elettronici e/o meccanici) intervengono per ridurre le sollecitazioni a cui vengono sottoposti gli organi meccanici ed elettrici. In condizioni estreme di vento quasi tutti i sistemi eolici si arrestano per evitare danneggiamenti.
Considerando quanto sopra detto, è necessario scegliere un sito che non solo sia in grado di mettere in movimento il generatore eolico ma che sia mediamente tale da garantire nel tempo una potenza erogata (e conseguentemente una energia generata) adeguata a giustificare la spesa iniziale sostenuta. Il dato che fornisce un buon criterio di valutazione, sia pure indicativo, è la velocità media del vento su base annuale del sito prescelto. Si tratta di un parametro che si mantiene abbastanza costante negli anni e garantisce, quindi, stabilità di benefici in termini di energia prodotta.
Siti con velocità media annua inferiore a 4,5 metri al secondo (circa 16 km/h) nonsono in generale considerati remunerativi.

Nel seguito si riporta l'atlante eolico redatto dal CESI che riporta la velocità media del vento a 25 m di altezza dal suolo. Detto atlante può essere utilizzato a scopo orientativo, ma è comunque bene prevedere una serie di misure e monitoraggi prima di procedere all'installazione di un sito.

COSTI

Il costo di un sistema eolico installato "chiavi in mano" (IVA esclusa) per taglie comprese fra 5 kW e 20 kW è compreso fra 3.000 e 5.000 Euro per kW installato, dove il costo a kW maggiore è riferito alla taglia d'impianto più piccola. Per macchine di taglia maggiore di 20 kW il costo unitario si riduce.