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La sfida delle energie rinnovabili
ENERGIE
La sfida delle energie rinnovabili
Il problema dell'ambiente è sempre più pressante e in quest'ambito la ricerca di energie rinnovabili è un fattore di grande importanza, anche se non risolutivo. L'attività in questo settore coinvolge non solo scienziati ed enti di ricerca ma anche l'industria italiana.

"Il viaggio verso il Duemila parte dalla questione dell'energia. Le fonti di energia sono il motore della società e contribuiscono in diversa misura ai nostri bisogni. Immaginate di impiegare un ora per leggere un articolo alla luce di una comune lampadina ad incandescenza. Per 27 minuti ad illuminarvi sarà un derivato del petrolio bruciato in qualche centrale termoelettrica. Per 12 minuti energia idroelettrica, e, in minima parte, geotermica. Per 6 minuti metano e per 5 carbone. Le fonti alternative (vento, sole) non coprono neppure qualche secondo della nostra ora di lettura. Ai 10 minuti rimanenti provvederà energia nucleare, importata in prevalenza dalla Francia."
Così, nel 1994, scriveva Tullio Regge, all'epoca docente al Politecnico di Torino, considerato uno dei grandi scienziati del XX secolo nel campo della relatività generale, sul problema energetico italiano, in una pubblicazione dedicata alla situazione del mondo all'inizio del nuovo millennio. Ricordiamo che l'energia per la produzione di energia elettrica è solo una quota parte (circa il 34% in Italia nell'anno 1994) della energia consumata. La rimanente è utilizzata per la maggior parte per i trasporti e per uso termico diretto.

Nell'ultimo decennio l'impiego del petrolio è diminuito mentre è notevolmente aumentato l'uso del carbone e le energie rinnovabili sono cresciute di poco; al riguardo bisogna però ricordare che queste ultime comprendono le energie idroelettriche e geotermiche; le percentuali rispetto al totale delle rinnovabili in Italia nel 2004 sono: idroelettrica circa il 77%, geotermica circa 10%, eolica 3,3%, fotovoltaica 0,05%, altro 10%.

Tuttavia il solo aspetto quantitativo non è il punto più significativo da porre in evidenza. L'esame delle fonti di energia è un capitolo, ovviamente di primaria importanza, del più vasto problema dell'ambiente terrestre ed è proprio nel differente approccio ad esso che si evidenzia la differenza concettuale tra le valutazioni del 1994 e quelle odierne. Venti anni fa si poneva l'accento sulla necessità di disporre di quantità sempre crescenti di energia per i consumi mondiali, dovuti a motivi ben noti. Attualmente le trasformazioni ambientali si sono imposte come un problema che non può più essere eluso e solo abbastanza recentemente è stato dimostrato in modo inoppugnabile che la causa antropica del cambiamento climatico è preponderante. I climatologi sono oggi sicuri che le attività umane stanno riscaldando pericolosamente le terra e ciò è stato dimostrato adottando i più elevati standard scientifici per verificare le loro asserzioni. L'ente internazionale IPCC (International Panel on Climate Change) nel febbraio 2007 ha pubblicato un rapporto in merito, ponendo in evidenza che un ulteriore aumento climatico indotto dall'uomo è alle porte. "Il futuro, in particolare a lungo termine, è in gran parte nelle nostre mani: l'intensità del cambiamento dipende da quello che faremo riguardo alle emissioni di gas serra (anidride carbonica, metano, ossido d'azoto, idrocarburi idrogenati)." Il concetto di "forzante radiativi" [W/m2] è utilizzato dai climatologi per quantificare l'effetto che le concentrazioni di gas serra producono sul clima; un forzante positivo induce il riscaldamento, un forzante negativo un raffreddamento.
Una seconda constatazione, in pratica universalmente accettata, è che non esiste un'unica strada per vincere la sfida energetica, ma il problema deve essere affrontato con l'adozione di un complesso di misure (risparmio generalizzato, aumento dei rendimenti di produzione e trasporto dell'energia, ricorso a fonti rinnovabili, ricerca e realizzazione di nuove fonti energetiche) internazionalmente accettato e perseguito da tutti i paesi del mondo.
Diverse società italiane, in particolare alcuni settori delle piccole e medie industrie, negli ultimi anni hanno realizzato che il settore energie rinnovabili può rappresentare una grande opportunità industriale per il futuro e hanno investito in questa scommessa.
Riportiamo una esemplificazione nel settore della produzione di energia rinnovabili con l'utilizzazione della energia eolica, che attualmente è in via di notevole sviluppo. Anche l'utilizzazione dell'energia solare (nelle tre applicazioni di scambio termico diretto,impianti a concentrazione, conversione fotovoltaica) potrebbe fornire esempi interessanti, che qui non possiamo riportare per ragioni di spazio.


Generazione eolica

Il sistema per produrre energia elettrica utilizzando l'energia del vento è stato giudicato, uno dei più interessanti, anche perchè i suoi tre principali componenti (le eliche e la struttura dell'aerogeneratore, il generatore - abitualmente un alternatore - e l'elettronica di potenza associata) sono elementi con tecnologia costruttiva ben nota e consolidata. Gli esempi che proponiamo ci sembrano opportunamente esemplificativi, ma certo non esaustivi.


Dalla neve al vento

Molto conosciuta soprattutto per i suoi impianti a fune, la Leitner di Vipiteno (BZ) è ormai un gruppo internazionale con stabilimenti in diversi paesi, reti di vendita, assistenza tecnica, impianti e clienti in tutto il mondo. L'azienda venne fondata nel 1888 da Gabriel Leitner con lo scopo di costruire macchine agricole, funivie per il trasporto di materiale, turbine idrauliche e segherie. Questo programma di attività, chiaramente ispirato alla montagna e alla natura, ci sembra che, consciamente o meno, sia stato una degli orientamenti, insieme alla ricerca del progresso tecnico, che hanno guidato negli anni lo sviluppo ed il consolidamento della società. Attualmente il Gruppo Leitner è attivo in molti settori, i principali dei quali sono il tradizionale settore dei trasporti a fune (Leitner Ropeways), il gruppo Leitnersnow, le metropolitane urbane (Minimetro) e, dal 2001 Leitwind, il reparto specializzato nel settore degli impianti eolici. Di questa nuova attività della Leitner, con le ovvie limitazioni imposte dallo spazio, daremo un panorama in questa sede.
Per tre anni, dichiara l'azienda, un team di 16 persone è stato impegnato nella ricerca e sviluppo di un prototipo di generatore eolico della classe megawatt con la l'investimento di 8 milioni di euro, entrato in funzione nel 2003 a Malles in Val Venosta.

Attualmente Leitner, che è l'unico produttore di impianti eolici sul territorio italiano, realizza aerogeneratori con la sua tecnologia Leitwind. Nel settembre 2007 sono entrati in funzione due impianti particolarmente significativi ubicati all'estero. Nell'autunno 2007 è entrato in funzione l'aerogeneratore Leitwind LTW77 a Salzstiegl in Austria; il committente è la Salzstieglbahnen, società che gestisce anche la vicina zona sciistica. Gli impianti e le strutture della zona sciistica saranno alimentati tramite l'energia prodotta dall'aerogeneratore e l'energia in eccesso potrà essere immessa e venduta alla società che gestisce la rete elettrica locale.
Il secondo impianto eolico, tipo LTW77, è stato messo in servizio a Uthumalai, sulla punta Sud della penisola indiana con una potenza nominale di 1,35 MW; esso è il primo impianto eolico del gruppo Leitner attivo oltreoceano, con caratteristiche meteorologiche particolari; L'LTW77 lavorerà in condizioni climatiche estreme, con un elevato tasso di umidità dell'aria, temperature fino a 50°C e regolari piogge monsoniche.
L'aerogeneratore Leitwind, è caratterizzato da soluzioni tecniche all'avanguardia, quali il funzionamento a giri variabili, la variazione del passo delle pale (pitch) e soprattutto l'impiego di un innovativo generatore a magneti permanenti in presa diretta.
Il funzionamento a numero di giri variabile in relazione alla velocità del vento ottimizza la potenza generata e l'efficienza delle pale a bassi regimi. Il sistema pitch regola la potenza captata e limita il numero di giri del rotore in condizione di elevata ventosità, riducendo al contempo le sollecitazioni meccaniche sull'aerogeneratore. Il generatore sincrono a magneti permanenti permette di operare a basse velocità di rotazione con elevati rendimenti, mantenendo un'elevata affidabilità a tutti i regimi di funzionamento. Meccanicamente il generatore elettrico è integrato nella struttura portante: il suo rotore è flangiato direttamente al mozzo e lo statore al telaio di raccordo; ne deriva una configurazione in presa diretta estremamente semplificata, contraddistinta dall'impiego di un unico cuscinetto. Il mozzo (struttura fusa in ghisa) raccorda le tre pale tramite cuscinetti pitch. Al suo interno sono collocati gli attuatori e l'elettronica preposti all'orientamento delle pale. Il meccanismo pitch, indipendente per ciascuna pala, costituisce anche il principale sistema di frenatura dell'aerogeneratore.

Il sistema di supervisione e controllo è situato a base torre e in gondola e consente le seguenti operazioni:
a - controllo automatizzato: accensione/spegnimento in funzione del vento disponibile; gestione della potenza captata dal vento; orientamento al vento della gondola,
b - controllo remoto via linea telefonica tradizionale e Gsm: accensione/ spegnimento manuale e ripristino; sorveglianza dello stato della macchina; cambiamento dei parametri funzionali. L'aerogeneratore è dotato anche di una catena di sicurezza indipendente dal sistema di controllo capace di portare la turbina in uno stato sicuro in qualunque situazione di emergenza.


Un azienda elettromeccanica volta al futuro

Verso la metà del secolo XX era opinione abbastanza diffusa tra gli addetti ai lavori del settore elettromeccanico che la macchina elettrica sia rotante che statica avesse raggiunto il suo stato maturo, nel senso che le tecniche progettuali avrebbero potuto essere ulteriormente affinate, le tecnologie (per esempio modalità di raffreddamento) e i materiali classici (per esempio lamiera magnetica) avrebbero avuto notevoli innovazioni e che pertanto alcune caratteristiche (per esempio rendimento, rapporti potenza/massa, potenza/volume) sarebbero notevolmente migliorate ma, in definitiva, non sarebbe mutata la struttura essenziale delle macchine. Per quanto riguarda le macchine rotanti, in particolare per i motori, come è noto, lo sviluppo ha preso anche altre strade per la nascita di magneti permanenti con caratteristiche tali da permettere la realizzazione inizialmente di servomotori per usi particolari, di modeste potenze ma con caratteristiche dinamiche eccezionalmente valide (in corrente continua e poi in alternata con i cosiddetti motori brushless) e, in seguito, lo sviluppo di motori e generatori che, già all'inizio del secolo XXI, raggiungono potenze dell'ordine dei megawatt.

La Sicme Motori di Torino, fondata nel 1967, si è trovata ad operare in un periodo di trasformazione tecnologica e di mercato ed ha scelto di impostare la sua attività su una costante innovazione progettuale, tecnologica e imprenditoriale. La ricerca e sviluppo aziendale si avvale della collaborazione del Dipartimento di Ingegneria Elettrica del Politecnico di Torino, la gamma di produzione dei motori - destinati in gran parte alle applicazioni a velocità variabile - spazia da quelli a c.c. (potenze 0,5 ˜ 2700 kW) agli asincroni per inverter (0,37 ˜ 970 kW, riferiti a 1500 giri/min) ai motori sincroni a magnete permanente serie SQ e serie ST (torque motor). Sempre a m.p. è realizzata la serie SW, generatori sincroni per fonti di energie rinnovabili.

Di pari passo con lo sviluppo tecnico si è realizzata nel mercato mondiale una espansione, della quale sono segnali significativi il nuovo stabilimento Shanghai-Liai Sicmemotori Co. di Shanghai, operativo in Cina dal 2005 e la collaborazione tecnico-produttiva con la compagnia indiana TD Power Sytems, iniziata nel 2007.
Nel campo dei generatori applicabili a sistemi per l'utilizzazione di energie rinnovabili, Sicmemotori ha sviluppato, oltre a prototipi di potenza notevole per aerogeneratori (p.e. 1200 kW a 136 giri/min e 1500 kW a 18 giri/min), la serie SW di generatori sincroni a magnete permanente per applicazioni eoliche e idroelettriche.


Elettronica di potenza per l'industria, per le energie alternative, per la ricerca scientifica

La EEI Equipaggiamenti Elettronici Industriali di Vicenza inizia la sua attività nel 1978, partendo da un patrimonio di varie e consolidate esperienze nell'elettronica di potenza, nei sistemi di automazione e nelle tecnologie di produzione in diversi settori industriali. In trenta anni il cammino percorso è stato sempre all'insegna dell'innovazione tecnica e tecnologica e ad una un'approfondita conoscenza dei processi di produzione che ha permesso di fornire ai clienti le migliori soluzioni per le specifiche applicazioni.
Oggi la EEI, al centro di un gruppo di aziende operanti in sinergia tra loro, esplica la sua attività nel campo degli apparecchi e sistemi che hanno come fattore comune l'elettronica di potenza, ma che sono destinati a campi molto diversi, tra cui il settore industriale, il nascente settore delle energie alternative e la realizzazione di sofisticate apparecchiature per enti scientifici di ricerca (per esempio alimentatore 26 Vcc, 20.000 A per i laboratori Cern di Ginevra).

Per l'industria sono in produzione diverse serie di convertitori statici per azionamenti come inverter, convertitori ca/cc, convertitori cc/cc "chopper", filtri attivi rifasanti, convertitori ca/cc ad assorbimento sinusoidale, convertitori ca/ca "soft start", ecc. L'industria dei trasporti a fune è stata un settore nel quale la EEI ha esplicato un attività ormai consolidata a livello mondiale ed oggi è un leader per la realizzazione di impianti fune (funivie, funicolari, sciovie, seggiovie, teleferiche, ecc.) per il trasporto di persone e di materiali, grazie ai notevoli standard di sicurezza raggiunti in 30 anni di collaborazione con i principali costruttori mondiali, con oltre 600 impianti realizzati complessivamente. Nel settore energia particolare importanza sta assumendo l'attività relativa alle apparecchiature elettroniche di potenza per il collegamento in parallelo alla rete elettrica o per il funzionamento in isola di sistemi di produzione dell'energia elettrica da fonti rinnovabili.
In questo settore sono previste tre famiglie:
  1. sistemi di conversione statica per turbine eoliche, utilizzabile anche per turbine idrauliche;
  2. sistemi di conversione statica per impianti fotovoltaici;
  3. sistemi di conversione statica per celle a combustibile.
Riportiamo due esempi di realizzazione di sistemi del tipo A. In entrambi i casi l'apparecchiatura è realizzata per connettere alla rete energia proveniente da un alternatore sincrono a magneti permanenti, azionato da una turbina eolica, con accoppiamento diretto, senza gruppo meccanico moltiplicatore di giri. L'apparecchiatura, oltre ai gruppi di conversione elettronica di potenza, è dotata di dispositivi di segnale e controllo per gestire in modo attivo le situazioni normali e anomale di funzionamento.


Tag: Energie alternative

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