IL PUNTO/ La sfida nani contro giganti nel Grand Prix dell’eolico

- Gianluca Lapini

Tecnologia che affronta le sue radici negli antichi mulini a vento, quella dei generatori eolici ha subìto negli ultimi anni una accelerazione senza pari. L’analisi di GIANLUCA LAPINI

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Il carico di una mega turbina per l'installazione in un parco eolico marino

La tecnologia dei generatori eolici, le cui  radici storiche affondano nella secolare tradizione dei mulini a vento, ha vissuto negli ultimi quarant’anni una stagione di straordinari progressi e successi. Nonostante il  potenziale complessivo di questa  forma di energia solare sia  enorme – come fu messo bene in chiaro fin dalle prime crisi energetiche degli anni ‘70 del XX secolo – la generazione di energia dal vento presenta  alcuni limiti  intrinseci che fin dalle origini ne hanno reso difficile lo sfruttamento.

In primo luogo, la “densità energetica” del vento è piuttosto bassa (l’aria è circa 1000 volte meno densa dell’acqua) e dunque per ottenere potenze unitarie significative (paragonabili con gli impianti di generazione di energia elettrica basati su combustibili fossili) è necessario “spazzare” grandi superfici, quindi costruire macchine di grandissime dimensioni; similmente a quanto vale per i pannelli fotovoltaici, l’altra tecnologia di produzione di energia rinnovabile che negli ultimi decenni ha colto grandi risultati.

Si consideri il caso tipico di un generatore eolico ad asse orizzontale, cioè del tipo attualmente più diffuso, e  definibile di “media” potenza, adatto all’installazione in un luogo di media ventosità: per ottenere una potenza unitaria di  800-1000 kW (cioè 1 MW, megawatt) è necessario  piazzare “un’elica” di 50-60 metri di diametro sulla cima di una “torre” di 60-70 metri di altezza. Si tratta di dimensioni imponenti, paragonabili, come ordine di grandezza, a quelle delle grandi turbine delle centrali elettriche tradizionali e ben superiori a quelle di qualsiasi altra macchina di pari potenza a cui ci ha abituati l’utilizzo dei combustibili fossili: per esempio una turbina a gas industriale da  1 MW – una macchina che in qualche modo sfrutta anch’essa l’aria e un combustibile molto energetico come il gas naturale – ha un diametro inferiore al metro e potrebbe tranquillamente starsene  in un normale “container” da sei metri.

I fautori di un utilizzo esteso dei generatori eolici – cioè coloro che ritengono che questa tecnologia possa dare un contributo significativo alla produzione di energia elettrica non tanto in situazioni marginali quanto nelle grandi reti interconnesse dei paesi sviluppati – si sono trovati fin dall’inizio di fronte al dilemma: è preferibile concentrare la potenza in (relativamente) poche macchine di grandi dimensioni o è meglio installare un gran numero di macchine di (relativamente) piccole dimensioni?

In realtà negli anni ’80, agli  inizi dello sfruttamento industriale dell’energia eolica, il dilemma trovò in qualche modo una soluzione forzata nei limiti stessi della tecnologia di quegli anni, in quanto vari tentativi di mettere in servizio macchine considerate allora di grandissime potenze (1-2 MW) si rivelarono dei clamorosi fallimenti. Il lettore che avesse la pazienza di andare a ricercare “vecchie” fotografie ad esempio delle prime wind farms (fattorie del vento) californiane degli anni ’80-’90 troverebbe che esse erano formate da decine se non centinaia di (relativamente) piccoli generatori di potenza unitaria al massimo di qualche centinaio di kW, che erano le uniche macchine veramente affidabili (spesso prodotte in Danimarca, vera patria d’origine dell’eolico moderno) allora disponibili.

Per quanto affidabile e durevole, qualsiasi macchina, specie se funzionante all’aperto e in ambiente meteorologico ostile, ha bisogno di un minimo di manutenzione. Non è quindi difficile comprendere che dal punto di vista dei gestori di “parchi eolici” il dover mantenere un elevato numero di  macchine sia una situazione tutt’altro che ideale, tanto più in situazioni ambientali isolate ed estreme, come quelle delle installazioni offshore (in mare aperto) che sono peraltro le più interessanti  in termini di regime dei venti e di energia complessiva producibile.

La tendenza al gigantismo dei generatori eolici, alla ricerca di potenze unitarie multi-megawatt, si è quindi inesorabilmente affermata, soprattutto nell’ultimo decennio. Attualmente si è arrivati a  generatori ad asse orizzontale di potenza massima di 6-7 MW che hanno due-tre pale lunghe  60-70 metri, quindi diametri del rotore superiori ai 120-140 metri, con torri di sostegno ben più alte di 100 metri. Ma sono in progetto macchine ancora più grandi, con potenze fino a 10-15 MW e dimensioni ancora più imponenti nelle quali le pale raggiungeranno lunghezze dell’ordine dei 100 metri.

Costruire simili manufatti, pone sfide enormi agli ingegneri e stimola lo sviluppo di nuove tecnologie. Terminata la fase pionieristica, nella quale ci sono stati anche degli insuccessi, ai grandi gruppi industriali che si sono accaparrati il mercato dei generatori eolici (quali l’americana General Electric, le tedesche Siemens ed Enercon, la danese Vestas) non sembrano però mancare le risorse tecnologiche per risolvere i problemi che il gigantismo inevitabilmente pone.

Sul mercato si affacciano inoltre nuovi soggetti, portatori di nuove idee. Ad esempio l’americana  Blade Dynamics ha sviluppato una tecnica di produzione delle pale che ne permette la costruzione in spezzoni, realizzati totalmente in fibre di carbonio, non più lunghi di 20 metri, che poi vengono giuntati insieme. Questa società ha trovato il modo di superare gli inconvenienti che avevano caratterizzato precedenti tentativi non riusciti di realizzare pale giuntate e, dopo aver dimostrato con successo il suo metodo costruendo pale da  50 metri, si appresta ora a estendere la sua tecnologia a pale da 100 metri. Non tutti i produttori stanno comunque seguendo questa strada: altri  inseguono il traguardo dell’incremento di potenza continuando a produrre pale monoblocco; per costruire le quali sono ovviamente necessari “forme” o “stampi” di dimensioni altrettanto imponenti.

L’esasperazione delle potenze e delle dimensioni, se offre il vantaggio di diminuire il numero di installazioni, crea altri problemi riguardanti, come è facilmente comprensibile, non solo la costruzione ma anche l’installazione di simili giganti. Così per esempio la Siemens ha dovuto realizzare una nuova grande nave specializzata nell’installazione offshore, per poter piazzare nel Mare del Nord i suoi più recenti generatori da 6 MW. Anche l’impatto visivo di questi giganti eolici è pesante e ciò non ne facilità l’installabilità, specie in siti non troppo lontani dagli insediamenti umani (come sono quasi tutti quelli italiani).

Non deve dunque meravigliare che, anche se la grande industria dell’eolico sembra parteggiare decisamente per il gigantismo, il dilemma fra “pochi-e-grandi” e “tanti-e-piccoli”, non sia del tutto superato. In particolare macchine più piccole, eventualmente anche di tipo diverso dal prevalente rotore bi-tripala ad asse orizzontale, possono essere vantaggiose in situazioni particolari e marginali, ma non solo.

Di ciò è per esempio convinto il professor John Dabiri del Caltech (California Institute of Technology), che ha recentemente concluso nel sud della California un’interessante dimostrazione di un nuovo tipo di generatore eolico ad asse verticale e si appresta a completare l’esperimento a più larga scala presso un remoto villaggio dell’Alaska. L’innovazione introdotta da Dabiri non si limita al tipo di generatore, ma riguarda anche il modo di disporre i generatori stessi (erano 24 nell’esperimento californiano ma saranno una settantina in Alaska) in quanto le “scie aerodinamiche”  prodotte sottovento dai suoi generatori ad asse verticale, invece di costituire un elemento di disturbo aerodinamico e di stress meccanico per le macchine vicine (come normalmente succede nei generatori ad asse orizzontale), possono risultare benefiche, se i generatori vengono opportunamente spaziati fra di loro.

In effetti, nel passaggio fra gli elementi aerodinamici del generatore verticale inventato da Dabiri il vento viene accelerato e questo incremento di velocità può essere sfruttato dai generatori a valle, ottenendo in tal modo un incremento netto di produttività in un gruppo di generatori disposti in maniera piuttosto fitta e opportunamente spaziati (anche tenendo conto dei venti prevalenti). Le turbine messe a punto dal  Caltech sono alte solo 10 metri e hanno un ingombro non molto più grande di un grosso palo per l’illuminazione pubblica. Ogni generatore produce solo 3-5 kW e ce ne vorrebbero quindi un gran numero per produrre le potenze tipiche di un generatore multimegawatt da 100 metri. Il loro impatto visivo è comunque assai ridotto e anche il rumore è molto più contenuto di quello dei generatori ad asse orizzontale.

È probabile che questa tecnologia non sarà in grado di scalzare l’attuale predominio dei  “giganti del vento”; ma c’è da scommettere che nei prossimi anni ne sentiremo ancora parlare.

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