Energia eolica

La risorsa: il vento

Il vento è un fenomeno dovuto soprattutto al riscaldamento dell’atmosfera dal sole; la Terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene ceduto più calore, l’aria diventa calda e la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di alta pressione e aree di bassa pressione, influenzate anche dalla rotazione della Terra. Quando diverse masse d’aria vengono a contatto, la zona dove la pressione è maggiore tende a trasferire aria dove la pressione è minore. Il vento è dunque lo spostamento d’aria, più o meno veloce, tra zone a diversa pressione. E tanto più alta è la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria, tanto più forte sarà il vento.

La tecnologia: i generatori eolici

La più importante forma di impiego dell’energia eolica è quella relativa alla produzione di energia elettrica attraverso i generatori eolici.
L’energia elettrica si ottiene sfruttando l’energia cinetica del vento: le masse d’aria in movimento fanno girare le pale di un elica; queste a loro volta sono collegate ad un generatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica. Esistono aerogeneratori diversi per forma e dimensione; possono avere l’asse di rotazione parallelo o perpendicolare al terreno, possono avere due o più pale.
Ne esistono di molto grandi così come ne esistono di molto piccoli, con pale dai pochi centimetri di raggio a pale di alcune decine di metri, e altezze del rotore che vanno da una decina di metri ad oltre cento metri. Si va da aerogeneratori che possono fornire una potenza elettrica di centinaia di Watt ad alcuni MegaWatt.
A seconda della potenza che essi generano si suddividono in diverse categorie:

• micro-eolico (fino a 1kW)
• mini-eolico (1 – 200kW)
• medio-eolico (200 – 800 kW)
• grande-eolico (oltre 800 kW)

Spesso più aerogeneratori vengono interconnessi tra loro formando dei parchi eolici, in inglese “wind-farm”. Esistono installazioni sia terrestri che off-shore.
L’energia ricavabile da una turbina eolica è strettamente legata al luogo in cui viene posizionata, all’orografia del territorio, alla presenza o meno di correnti ventose intense e costanti. Ogni luogo nel quale si possa riscontrare vento può essere un potenziale punto in cui installare un generatore eolico, l’importante è accertarlo.
La potenza estraibile dal vento è proporzionale al cubo della sua velocità. Se immaginiamo le ore “equivalenti” ossia quelle che sommate farebbero girare la turbina alla sua velocità nominale l’andamento dei ricavi al variare della quantità di vento presente è graficata nella figura sottostante, la figura si riferisce a una piccola turbina da 1kW con un diametro di 3 metri.

Andamento del guadagno annuo in conto energia per una turbina da 1kW di potenza al variare della quantità di vento presente sul terreno

Per stabilire se un luogo è idoneo all’installazione di una o più turbine eoliche è necessario conoscere l’intensità di vento del luogo. Esistono diversi modi per stimare l’intensità ventosa di un luogo: avvalersi di mappe del vento e tabelle e/o attraverso campagne anemometriche. Spesso però le mappe danno informazioni approssimative e una misura locale del vento può ribaltare completamente la stima fatta con la mappa stessa per effetto di gole o valli dove il vento può canalizzarsi e aumentare di intensità. Per tutti i grandi impianti eolici con turbine da diversi MW si effettuano campagne anemometriche preventive. Tali campagne vengono effettuate grazie all’impiego di costose e imponenti installazioni, giustificate dal grande investimento. Nel caso di un impianto mini-eolico l’utilizzo di tali strutture non è sostenibile, quindi è necessario effettuare campagne anemometriche ugualmente efficaci ma dal costo contenuto, con strutture più basse e più semplici da trasportare e montare che però garantiscano una attendibilità della misura. Il team di Energy Hunters ha sviluppato un software ad hoc che permette di minimizzare, tramite l’utilizzo di un grande numero di dati acquisiti sul campo, l’errore commesso nella misura della potenzialità ventosa e raffinarlo in base a tutta un’altra serie di parametri (la temperatura, l’altitudine sul livello del mare e altri) che influenzano direttamente la potenzialità di un sito. Una costante però rimane: maggiore è il periodo di misura, maggiore è la precisione della misura rispetto a quella da attendersi per gli anni seguenti.

Affidabilità dei metodi di stima della ventosità di un sito. Fonte: studio interno Energy Hunters

Le mappe del vento spesso e volentieri costituiscono solo una base di partenza, si possono trovare scostamenti anche molto consistenti dalle ventosità medie del vento in luoghi inaspettati e apparentemente non particolarmente ventosi. Nicchie di vento si nascondono laddove l’orografia del terreno produce “effetto venturi”, laddove la cima di una collina o di una montagna “schiaccia” il fronte aereo e ne accelera conseguentemente la velocità. Ecco quindi da dove “Energy Hunters” (cacciatori di energia) trae il suo nome: cerchiamo di individuare a livello locale (è il solo modo) le zone dove il vento (e non solo) è presente in abbondanza.

Tecniche di micrositing: esempi di locali addensamenti delle masse d’aria

Aspetti economici dell’eolico

Il vento è un fenomeno fortemente aleatorio che è però contraddistinto da una ripetibilità statistica particolare e non unica in natura. Questa caratteristica è rappresentata dalla cosiddetta “distribuzione” di valori di velocità di vento ricavata dalle misure prese sul campo; essa è caratterizzata unicamente da due valori:

• Il fattore di scala c: è un indicatore del valore medio dei campioni misurati.
• Il fattore di forma k: esso stabilisce quanto i valori di velocità del vento sono lontani dal valore medio. Più grande è il fattore di forma più sparsi sono i dati intorno al valore medio.

Distribuzione della velocità di tempo e dell’energia specifica per un sito avente le caratteristiche riportate in figura.

Come evidenziato nei paragrafi precedenti l’investimento nel settore mini eolico dipende estremamente dal tipo e dalla distribuzione del vento sul terreno stesso.
Al fine di motivare queste affermazioni proponiamo di seguito una serie di grafici provenienti da uno studio di Energy Hunters che evidenziano l’andamento della redditività dell’investimento (TIR) al variare della distribuzione dell’intensità ventosa. Lo studio è stato condotto facendo riferimento ad un investimento tipico in una turbina mini eolica da 20 kW.

Il primo grafico mostra l’andamento del TIR al variare del fattore k. Su questo grafico si può fare la seguente affermazione, che motiva ancora di più la necessità di uno studio ponderato e puntuale del sito prima dell’investimento:

Il secondo grafico mostra invece l’andamento del TIR al variare del vento medio e per diversi fattori di forma, tale grafico presenta andamento monotono crescente come logico.
L’ultimo è invece una configurazione 3D dei due precedenti dove il TIR è in funzione dei due parametri contemporaneamente.

Andamento del tasso interno di rendimento al variare del fattore di forma della distribuzione del vento per un impianto eolico. Si nota un cambiamento della concavità delle curve per venti medi superiori ai 6 m/s

Andamento del valore di un tasso interno di rendimento di un investimento eolico al variare del vento medio del sito di installazione per diversi fattori di forma. Le curve sono essenzialmente monotone, come logico. Fonte: ricerca interna di Energy Hunters.

Andamento aggregato del tasso interno di rendimento per un investimento nel campo eolico. Il piano mette in relazione il vento medio, il fattore di forma e il TIR. Fonte: ricerca interna di Energy Hunters.

Al fine di completare questa trattazione economica forniamo due esempi di investimento nel settore mini eolico:

Ipotesi di partenza

Risultati

Ancora una volta si evidenzia come la valutazione preventiva del sito e delle sue potenzialità sia centrale nello stimare con esattezza l’entità dell’investimento intrapreso, infatti una variazione piccola di velocità media può portare grandi cambiamenti nella redditività dell’investimento.