D.M. Agosto 2012
L’utilizzo della fonte eolica per la produzione di energia pulita si sta sempre più consolidando come una delle grandi opzioni di diversificazione energetica.
L’emanazione del decreto 17 Agosto 2012, apre il via libera alla progettazione di impianti micro e minieolici (equiparandoli in casi particolari ad edilizia libera e semplificando le procedure per ottenere le autorizzazioni fino alla potenza di 60 KWp.).
Pertanto, sfruttare appieno l’energia eolica significa tener conto delle forti variazioni di velocità tra località diverse: siti distanti tra loro pochi chilometri possono essere soggetti a condizioni di vento nettamente differenti e rivestire un interesse sostanzialmente diverso ai fini dell’installazione di turbine.
La forza del vento cambia su una scala di giorni, di ore o minuti, a seconda delle condizioni meteorologiche.
Inoltre la direzione e l’intensità del vento fluttuano rapidamente intorno al valore medio: si tratta della turbolenza, che costituisce una caratteristica importante del vento, poiché determina fluttuazioni della forza esercitata sulle pale delle turbine, aumentandone così l’usura e riducendone la vita media.
Su un terreno complesso il livello di turbolenza può variare tra il 15% e il 20%, mentre in mare aperto questo valore può essere compreso tra il 10% e il 14%.
La variabilità e l’aleatorietà del vento rappresentano gli svantaggi preponderanti dell’energia elettrica ricavata da fonte eolica.
Qualora si desideri provvedere autonomamente al proprio fabbisogno energetico attraverso il ricorso a un impianto minieolico, la prima domanda da porsi in questo caso è: "sarà davvero conveniente installarlo nella mia proprietà?...".
Un primo esame può essere condotto attraverso la consultazione dell’Atlante eolico del territorio italiano.
Da qui si potrà procedere all’individuazione, in via preliminare, delle aree potenzialmente vantaggiose per l’installazione di un impianto minieolico.
Per minieolico si intende l’installazione di generatori di potenze da 20 a 200kWp destinate all'autoconsumo di energia per piccole-medie utenze elettriche, capaci di coprire il fabbisogno famigliare o della piccola-media impresa.
Si sente spesso dire che in Italia non c'è molto vento e che l' energia eolica potrà dare un contributo marginale alla produzione di elettricità, a differenza di quanto accade nei paesi nordici.
Questo in realtà non è vero, dal momento che anche il nostro paese possiede una discreta quota del proprio territorio in cui il vento soffia ad una velocità utile per la produzione di energia.
Più che di velocità del vento, è comunque bene parlare di producibilità specifica, ovvero del numero di ore equivalenti all'anno in cui un dato generatore funziona a piena potenza (potenza nominale).
La producibilità si calcola dividendo l'energia prodotta in un anno (MWh) per la potenza installata (MWp).
La producibilità specifica italiana è all'incirca di 1.850 ore (su circa 8600 ore di tempo totale annuo), non molto più bassa delle 2.150 h della Danimarca (valore ai vertici) e sicuramente più alta delle 1200 h della Germania (dati UE).
Teoricamente e idealmente è come se la turbina, per produrre l’energia stimata nell’arco dell’anno, funzionasse per un numero di ore fittizie h.eq. alla potenza nominale e fosse ferma nelle restanti (8760 – h.eq.) ore.
Secondo uno studio effettuato dal CESI (Ente di Ricerca partecipato al 51 % dall’ENEA), in Italia ci sono 62000 km² di territorio in cui la producibilità del vento supera le 1.750 h.
CALCOLO DELLA POTENZA DISPONIBILE
Per valutare l’effettiva potenzialità di un impianto è indispensabile un’accurata conoscenza delle caratteristiche del vento nel sito in cui si vuole installare l’aerogeneratore.
Ricordiamo che per le macchine oggi sul mercato in Italia ed all’estero la condizione di ventosità necessaria all’installazione di un sito può essere identificata con una velocità media annuale non inferiore a 4 m/s, ma preferibilmente superiore a 5 m/s.
L’intensità del vento dipende dalle caratteristiche orografiche del terreno e dalla rugosità del suolo: in pianura o al mare il vento spira con intensità maggiore che in campagna o nelle periferie delle città, a loro volta luoghi più ventilati dei grandi centri cittadini.
L’intensità del vento è poi soprattutto funzione dell’altezza dal suolo: più ci si alza, maggiore è la velocità del vento e quindi aumenta di conseguenza la potenza teoricamente estraibile, ma aumentano in pari misura anche le sollecitazioni sulla macchina.
Le principali opzioni nella progettazione e costruzione di un aerogeneratore comprendono:
- il numero di pale (usualmente due o tre);
- orientamento del rotore (sopravento o sottovento);
- materiale costituente le pale, metodo di costruzione e profilo delle stesse;
- progettazione del mozzo: rigido, basculante o incernierato;
- controllo della potenza meccanica tramite controllo aerodinamico (controllo di stallo) o attraverso pale ad angolatura variabile (controllo dell’angolo di Pitch);
- rotore a velocità fissa o variabile;
- orientamento libero o tramite controllo attivo;
- generatore sincrono o asincrono (con rotore a gabbia di scoiattolo o rotore avvolto – Doubly-fed Induction Generator - DFIG);
- con moltiplicatore di giri o direttamente calettato all’albero del generatore.
Uno studio anemometrico generalmente prevede l’individuazione dei seguenti valori:
- distribuzione di frequenza della velocità del vento e dei suoi parametri principali:
- curva di durata della velocità del vento.
- distribuzione della frequenza della direzione del vento (rosa dei venti).
I prezzi di una perizia possono variare, a seconda del dettaglio richiesto, da un minimo di circa 150-200 a un massimo di circa 2.000 euro.
Una possibile opzione è l’acquisto di un kit anemometrico, disponibile presso alcuni negozi online per cifre comprese tra i 300 e i 500 euro: si potranno così ottenere analisi più dettagliate e precise con costi decisamente più alla portata di una famiglia media.
ANALISI DI BETZ
La velocità del vento (V1) quindi è la variabile determinante per la produzione di energia eolica.
Innanzitutto, la velocità dell’aria, dopo che la stessa ha ceduto energia cinetica alla turbina, non può essere nulla (V2 > 0).
Secondo la legge di Betz (massima energia possibile, conosciuta come limite di Betz) il generatore può sfruttare al massimo il 59% della potenza incidente.
La legge di Betz afferma infatti che la potenza utile sulle pale del generatore non può superare i 16/27 della potenza incidente, pari a circa il 59%.
L'idea di base è che non è possibile "prendere" tutta l'energia cinetica del vento, altrimenti l'aria si fermerebbe a valle del generatore impedendo il fluire di altra aria.
Ulteriori perdite di potenza avvengono naturalmente anche nelle parti meccaniche e nella conversione elettromagnetica, portando il rendimento complessivo ad un valore compreso tra il 25% e il 50%, a seconda dei modelli.
DISTRIBUZIONE DI WEIBULL
Per stimare la producibilità energetica di una turbina eolica non è sufficiente conoscere la velocità media del vento in un determinato sito.
Altrettanto importante è avere a disposizione dei dati che riportino, per un determinato periodo (es. 1 anno), l’istogramma della durata percentuale delle diverse velocità del vento, che sono generalmente il valore medio misurato nei 10min attraverso anemometri installati su torri anemometriche.
La distribuzione temporale della velocità del vento per un sito viene solitamente descritta utilizzando la funzione di distribuzione statistica di Weibull in quanto è quella che meglio approssima la frequenza di distribuzione delle velocità medie del vento in un sito.
La distribuzione di Weibull, che descrive pertanto anemologicamente un sito, può essere completamente identificata dalla conoscenza di due soli parametri:
- il fattore di scala A (espresso in m/s è legato in modo univoco alla velocità media) ;
- il fattore di forma k (adimensionale, modifica la simmetria della distribuzione).
Il fattore k assume valori diversi al variare della morfologia del territorio e dipende dal regime di venti che sussiste in una data regione: valori molto vicini ad 1 rappresentano distribuzioni molto Asimmetriche (vento molto variabile), mentre valori elevati (k>2) creano distribuzioni simmetriche simili a gaussiane (vento molto regolare).
Il vantaggio di disporre dei fattori di scala e di forma è quello di poter procedere a valutazioni successive di producibilità slegate dai dati grezzi, ma nel contempo caratterizzate da elevata affidabilità.
I due parametri A e k racchiudono infatti efficacemente le proprietà statistiche dell’intera serie temporale.
Quindi, poiché (A) è legato alla velocità media, per stimare la producibilità di una turbina eolica occorre conoscere la velocità media del vento riferita all’altezza del mozzo del rotore dal suolo nel sito d’installazione ed il fattore di forma (K).
Tuttavia, poiché spesso l’altezza effettiva del mozzo delle turbine che verranno installate differisce da quella a cui operano gli anemometri, è importante la determinazione delle caratteristiche di ventosità al variare dell’altezza dal terreno.
L’attrito tra aria e terreno rallenta infatti il vento in prossimità del suolo, determinando un profilo di velocità in funzione dell’altezza denominato anche strato limite.
L’andamento della velocità con la quota risente in modo significativo della natura del terreno (scabrezza) e degli ostacoli eventualmente presenti (edifici, alberi, rocce, ecc.).
UNA PRIMA CLASSIFICAZIONE DELLE TURBINE EOLICHE
Esistono molti tipi differenti di turbine eoliche, ma tutti hanno alcune cose in comune.
Il componente principale che trasforma l'energia del vento in energia meccanica è il rotore, che include le pale.
Grazie a questo elemento in comune, le turbine eoliche sono classificate in base alla struttura del rotore ed alla sua collocazione nel flusso d'aria.
I due tipi principali in cui le turbine vengono distinte sono: ad asse orizzontale e ad asse verticale, con riferimento all'asse di rotazione delle pale, che può essere parallelo o perpendicolare al suolo.
Attualmente, le sole turbine per il medio e grande eolico disponibili commercialmente sono quelle ad asse orizzontale, mentre nel minieolico e nel microeolico troviamo anche una varietà di turbine ad asse verticale.
L'ulteriore classificazione delle turbine è basata, per l'eolico orizzontale, su vari elementi (taglia, numero di pale, design, etc.), mentre per l'eolico verticale è basata soprattutto sul design.
LE "CLASSI" DI TURBINE
La Commissione Elettrotecnica Internazionale (CEI) classifica le turbine eoliche in varie classi, individuate da tre parametri relativi al vento:
1) la velocità media del vento, che è anche un importante indicatore della producibilità energetica;
2) la raffica di vento più forte in un lungo arco di tempo, in quanto sono le rarissime condizioni estreme che possono fare danni;
3) la turbolenza, che indica il grado di usura a cui la turbina sarà sottoposta.
Quindi, valutando da una parte la ventosità di un sito e conoscendo, dall'altra, la classe di turbine progettata per un determinato regime di vento, la scelta del modello è più semplice.
Tuttavia, solo le turbine del grande eolico e alcune di dimensioni intermedie hanno una classe CEI certificata, dunque la scelta non è sempre facile.
I VANTAGGI DEL MICROEOLICO
Per microeolico si intende l’installazione di generatori di potenze fino a 20KWp.
Avendo dimensioni molto contenute ed un'estetica particolarmente curata - soprattutto nel caso di rotori ad asse verticale, che oltretutto sono estremamente silenziosi e necessitano di pochissima manutenzione - il microeolico presenta un'elevata compatibilità ambientale, anche in ambito urbano.
Inoltre, gli impianti microeolici non necessitano di grosse infrastrutture per la loro installazione e sono caratterizzati da una più bassa velocità di "cut in" (cioè alla quale il generatore si attiva cominciando a produrre energia elettrica), per cui vi è una grande disponibilità di zone, di superfici e di terreni adatti, ed i costi sono alla portata dei singoli privati.
In questo segmento, la spinta a realizzare impianti è in parte ambientale e in parte economica.
In pratica, si cerca di coniugare l'aspetto ecologico di una fonte di energia "pulita" con l'opportunità di svincolarsi con l'autoproduzione dalla spirale di crescente aumento del costo dell'energia dovuto alla crescita quasi esponenziale del prezzo del petrolio.
Infatti, con l'incentivo statale garantito per 20 anni qual è la Tariffa Onnicomprensiva - che include anche il prezzo di vendita dell'energia - se la scelta della tipologia di prodotto è stata oculata, il tempo di rientro dell'investimento può essere di 7-11 anni con un vento medio di 5 m/s, o inferiore con venti maggiori.
Ciò ha già determinato, nel nostro Paese, una crescita notevole del microeolico, che si prevede destinata a continuare anche nei prossimi anni.
Le realtà dove c'è maggiore richiesta di impianti di questa taglia sono quelle domestiche e residenziali, sia in ambito urbano (grazie, ovviamente, all'eolico verticale) sia in zone di campagna o di montagna.
IL COSTO "CHIAVI IN MANO"
Anche limitandosi solo al microeolico (0-20 kW) ed al minieolico (20 kW-200 kW), il mercato offre oggi una vasta gamma di generatori eolici, sia ad asse orizzontale che ad asse verticale.
Come per il fotovoltaico, il costo "chiavi in mano" di una turbina eolica con tutti i relativi accessori è espresso sotto forma di costo specifico, cioè per 1 kW di potenza nominale (€/kWp).
In generale, il costo specifico cresce in maniera inversamente proporzionale rispetto alla potenza installata; per cui maggiore è la potenza e minore sarà il prezzo specifico.
I prezzi risultano molto variabili anche da un produttore all'altro e da una tecnologia all'altra (l'eolico verticale, ad es., costa più dell'orizzontale) ma, soprattutto, variano nel tempo adeguandosi ai valori di mercato
In generale i prezzi sono in linea con il fotovoltaico (tra i 2.200,00 ed i 2.600,00 €/Kwp), ma promettono rendimenti maggiori a parità di incentivi.
Nella cifra non sono compresi:
- Installazione e montaggio: circa 600,00 €/Kwp;
- Progettazione, direzione lavori e gestione pratiche Enel e GSE: circa 300,00 €/Kwp;
- Manutenzione annua: circa 100,00 €/Kwp.
La vita di esercizio degli impianti eolici è stimata in circa 30 anni, anche se usualmente già dopo i 20 anni, a causa della progressiva diminuzione della produzione energetica causata dall’invecchiamento degli elementi dell’aerogeneratore, i parchi eolici vengono messi in dismissione.
MINIEOLICO ORIZZONTALE O VERTICALE?
L’impianto minieolico a asse orizzontale è il più riconoscibile, anche dai meno esperti.
Piuttosto simile nella forma a un comune ventilatore domestico, è composto da un aerogeneratore, pale di dimensioni massime intorno ai 3 metri, un timone posteriore per gestire i mutamenti direzionali delle correnti e un’altezza dal suolo inferiore ai 20 metri, ma superiore solitamente ai 6.
Il "cut-in" in questo caso è di almeno 4m/s, mentre il massimo di intensità ventosa sopportabile è compresa tra i 20 e i 25 m/s.
Importante tallone d’achille di questa "variante" di minielico è rappresentata dal comportamento non ottimale in caso di turbolenze atmosferiche o frequenti e repentini cambi di direzionalità delle correnti.
La soluzione dell’aerogeneratore a asse verticale può rappresentare quella ottimale in casi come quelli appena citati, ma non solo.
Anche l’eventuale esigenza di installare un impianto di altezza inferiore dal suolo può essere affrontata con questo secondo tipo di modello.
Lo stesso "cut-in" del motore è inferiore rispetto all’asse orizzontale: per il suo avviamento sono sufficienti appena 2m/s di intensità ventosa.
Punto di forza senza dubbio la capacità di gestione delle correnti ventose, che non hanno limiti di intensità segnalati e registrano un utilizzo ottimale anche in caso di turbolenze.
L’altezza da terra può essere anche di soli 3 metri senza che ne venga compromessa la redditività.
Punto debole è il peso, che risulta scoraggiante soprattutto per chi avesse individuato nel tetto o nel balcone di caso il luogo designato: rispetto al modello ad asse orizzontale risulta fino a dieci volte superiore.