L'ambiente in cui viviamo, le energie di cui l'umanità ha bisogno in maniera sempre crescente, le fonti primarie a cui attingere e la precaria situazione economica mondiale, all'inizio del terzo millennio sono diventate temi primari a tutti i livelli, dalla politica planetaria al discorso della gente comune. Le energie rinnovabili, in particolare l'energia eolica, che sono state l'argomento di un articolo in questa stessa rivista nel febbraio 2008, in poco più di un anno e mezzo hanno conquistato l'attenzione prioritaria dei governi e delle organizzazioni mondiali politiche, come l'Onu, e finanziarie, come la Banca Mondiale.
La realtà industriale del XXI secolo
Per il settore eolico elenchiamo di seguito alcuni aspetti che nel loro insieme ci sembra conducano a una conclusione particolarmente significativa.
1 - L'Ewea (European Wind Energy Association) riporta una recentissima statistica della Gweg (Global Wind Energy Council), dalla quale risulta che i generatori eolici sono oggi la fonte non termica che è cresciuta di più al mondo come potenza installata; nel 2008 sono stati installati nel mondo generatori eolici con potenza totale di oltre 27 GW che hanno portato la capacità mondiale a fine 2008 a raggiungere quasi i 121 GW. Significativi i dati relativi alle capacità mondiali installate dal 1996 al 2008. Nel periodo compreso tra il 1996 e il 2000 la crescita è all'incirca lineare, dal 2001 al 2003 è ancora quasi lineare, ma con derivata decisamente minore degli anni precedenti, mentre dal 2004 ad oggi l'andamento è tipicamente esponenziale.
2 - Un altro indicatore molto significativo è il numero degli addetti diretti nel settore eolico. In Europa, alla fine del 2007, risultano 108.600 addetti diretti, di cui 38.000 in Germania e 2.500 in Italia e 154.000 compresi gli indiretti. Dal 2002 al 2007 il numero degli addetti diretti è cresciuto del 125%.
3 - Alla fine del 2007 il 3,7% della produzione europea di energia elettrica proveniva da fonti eoliche; nell'ultimo triennio la potenza specifica dei generatori eolici, le dimensioni delle macchine, il rendimento di conversione energetica sono cresciuti in modo significativo.
4 - Per il notevole aumento del numero di generatori eolici connessi alla rete e per la loro potenza specifica, il collegamento avviene non solo in B.T. ma ormai sempre più in M.T. (20 kV) e anche in A.T. (150 kV). Quello dell'adeguamento delle reti elettriche di trasmissione e distribuzione è diventato un problema sempre più impellente.
5 - Recentemente Tom Johnstone, presidente e Ceo di SKF, la multinazionale svedese storicamente leader nel campo dei cuscinetti a rotolamento, ha dichiarato, nel corso di una intervista, che "il settore della wind energy rappresenta il 5% della produzione di SKF, la crescita più veloce di sempre, anche con la crisi sale del 10%, l'anno prossimo tornerà a +20-25%. In cinque anni abbiamo triplicato la produzione di grandi cuscinetti, nati con gli studi del 2002, per creare una turbina eolica radicalmente nuova. In questo modo siamo arrivati a Nautilus, che è un cuscinetto a sfera di due tonnellate". In realtà Nautilus è un sistema integrato di cuscinetti a rotolamento, usati nei generatori eolici, studiati e sviluppati da SKF in collaborazione con i clienti, realizzati con materiali ceramici di altissima tecnologia e prodotti nelle fabbriche tedesche di Schmeinfurt e di Dalian in Cina.
L'esame dei punti che abbiamo sommariamente evidenziato, pur nella loro apparente eterogeneità, sia letti singolarmente, sia soprattutto correlati tra di loro, permette di affermare che, nel primo decennio del ventunesimo secolo, è nata una nuova realtà industriale: cioè l'uso scientifico e sistematico dell'energia del vento, che potrebbe essere denominata "Eolotecnica", figlia comunque dell'energia del sole.
Generazione eolica:
caratteristiche della sorgente primaria
La sorgente primaria "vento di superficie", così denominata per distinguerla dal "vento in quota" utilizzato con altre tecnologie presenta caratteristiche che possono essere distinte in favorevoli e sfavorevoli. Le mappe che riportano dati sulle velocità in varie condizioni si riferiscono a dati sui venti di superficie a livello del mare per gli impianti eolici off-shore e tra 25 e 100 m sul livello di terra per quelli on-shore. Tra le caratteristiche sfavorevoli, è opportuno un commento al punto "Aleatorietà della sorgente"; questo significa che, nel sito dell'aerogeneratore, la presenza di vento adatto ad essere sfruttato non è deterministica, ma è un dato statistico. Ciò comporta che il vento potrebbe mancare quando vi è necessità di energia e invece esserci quando la rete non la richiede. Trattandosi di impianti di potenza notevole ciò potrebbe, ad esempio, avere influenza sul valore della tensione di rete. Specialmente nel caso di impianti in isola (non collegati in rete) o con impianti di potenza particolarmente rilevante, questa caratteristica deve essere attentamente valutata. Ovviamente non si può ovviare alla temporanea mancanza di produzione energetica, mentre quando l'energia è prodotta in eccesso, salvo casi particolari, non è quasi mai possibile procedere a un accumulo o a un impiego alternativo, come per esempio effettuare una conversione energetica elettrica/chimica e un trattamento fisico (compressione di gas) per la produzione di idrogeno compresso. Questa caratteristica è pertanto il primo punto che deve essere preso in considerazione nel progetto di fattibilità di un impianto eolico. Non è qui la sede per esaminare in dettaglio questo problema, tuttavia alcune linee guida possono essere indicate.
1- Utilizzazione degli strumenti che la statistica ci pone a disposizione. In particolare lo studio del sito deve essere fatto sulla base di dati rilevati strumentalmente e facenti parte di studi estesi sia dal punto di vista sia spaziale sia temporale. Nel 2006 il Cesi Ricerca ha realizzato una nuova versione della prima edizione 2002 del "Atlante eolico dell'Italia". In questa pubblicazione sono riportate, tra l'altro, le mappe di velocità del vento, le stime della producibilitê annua specifica teorica (MWh/MW), il potenziale eolico teorico deducibile dall'Atlante, il potenziale eolico sfruttabile e la potenza installata al 2008.
2 - Programmazione complessiva dei parchi eolici regionali, con possibile suddivisione degli impianti eolici in diversi siti (trade-off tra costi complessivi e ventosità rilevate dalle mappe del vento) con l'intento di massimizzare il valore medio della energia ricavabile.
3 - Coordinamento già in sede di progetto con il sistema di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica, anche in vista delle modifiche e implementazioni necessarie.
4 - Uso delle previsioni meteorologiche più accurate (meteorologia satellitare) per programmare le integrazioni tra le varie fonti di produzione di energia elettrica.
Definizioni e classificazioni
degli impianti e dei parchi eolici
Definizioni - Nella letteratura scientifica e tecnica eolica, probabilmente per la relativa novità del settore e una certa carenza di normalizzazione, l'uso di molti termini fondamentali non è consolidato e ciò può dar luogo a qualche equivoco. In questo articolo useremo alcuni termini con il significato riportato qui di seguito.
Aerogeneratore: dispositivo elettromeccanico atto a convertire l'energia cinetica del vento in energia elettrica; comprende la turbina eolica, il generatore elettrico (tipicamente un alternatore), i sistemi di controllo, la struttura portante, torre.
Impianto eolico: impianto costituito da un aerogeneratore, convertitori elettronici di potenza, trasformatori, sistema comando ed allarmi, protezioni elettriche regolamentari, apparecchiature elettriche di manovra e sezionamento e quanto altro richiesto dalla funzionalità dell'impianto. Parco eolico (wind farm): complesso di diversi impianti eolici, opportunamente integrati e coordinati, predisposti in un sito specifico sulla terraferma o in mare, con un unico collegamento elettrico alle rete elettrica nazionale. Al limite il parco eolico può essere costituito anche da un solo impianto eolico.
Classificazioni - Per qualunque argomento una classificazione può essere effettuata adottando diversi criteri, ed inoltre ogni classificazione comporta un certo grado di arbitrarietà. L'Aeromotore è stato citato per completezza, poichè, a stretto rigore, rientra nel campo dell'utilizzo dell'energia eolica; si tratta, per esempio, dei mulini a vento olandesi dei secoli passati e di alcuni impianti ancora esistenti nelle campagne, ad esempio per l'azionamento meccanico di pompe agricole. Il posizionamento orizzontale dell'asse della turbina è praticamente l'unico adottato per tutte quelle di media taglia o di taglia maggiore. Nella classifica per taglie le potenze indicate per ciascuna taglia sono indicative e dipendono da molti fattori, come il sito e la sua ventosità; anche i diametri della turbina, indicati per ciascuna denominazione, sono indicativi. La potenza nominale elettrica degli aerogeneratori, correlata alla denominazione riportata, è puramente indicativa; inoltre le denominazioni non sono unificate e talvolta differiscono secondo le diverse fonti. I parchi eolici denominati "in isola" (stand-alone) non sono connessi alla rete elettrica ma servono un'unica utenza oppure alimentano una rete elettrica locale di piccole dimensioni; spesso essi sono integrati con altri sistemi di generazione elettrica, come generatori diesel-elettrici. Le potenze elettriche sono limitate. Nelle indicazioni dei valori di potenza P, e delle tensioni U ai punti di connessione abbiamo fatto riferimento alla rete italiana, secondo i regolamenti attualmente vigenti. Nella classificazione in funzione della posizione del sito "d" indica la distanza del sito dalla più vicina costa marina. I parchi eolici on-shore sono sulla terraferma e attualmente costituiscono la maggioranza dei parchi connessi a reti elettriche esistenti. Attualmente (maggio 2009) il più grande parco eolico on shore in funzione è l'Horse Hollow Wind Energy Center nel Texas, con una potenza nominale di circa 736 MW, costituito da 291 turbine GE Energy da 1,5 MW e 130 turbine Siemens da 2,3 MW. L'occupazione del territorio è pari a circa 200 km2. I parchi near-shore sono posizionati sulla terraferma con distanze dalla costa minori di circa 3 km oppure sul mare con distanze dalla costa minori di 10 km; si tratta spesso di mari con fondali non profondi in prossimità della costa. In certi mari, per esempio nel Nord Europa, i fondali relativamente bassi permettono la installazione di parchi eolici denominati off-shore a distanze dalla costa maggiori di 10 km; questo tipo di installazione sembra destinato ad un notevole sviluppo, sia perchè permette di sfruttare situazioni ventose favorevoli in termini di potenza e costanza di regime, sia di evitare problemi legati all'impatto ambientale di carattere estetico; per contro diventa più grave, in termini economici, il collegamento elettrico parco eolico/rete elettrica; l'attuale sistema di connessione con cavi trifase potrebbe essere sostituito, almeno in certi casi, da una trasmissione in corrente continua, la cui tecnologia è ormai bel nota e consolidata in grandi impianti di trasmissione via mare.
Sviluppi dell'eolica nel mondo e in Italia
La regione del mondo che ha la massima capacità è l'Europa con circa 66 GW, (55% della capacità mondiale); seguono l'America del Nord con 27,5 GW e l'Asia con 24,4 GW. Totalmente marginali sono attualmente tutte le altre regioni. In Europa la Germania è il primo Stato, con una capacità (circa 24 GW) pari quasi a quella degli Usa. L'Italia è al terzo posto con 3,7 GW, con un buon tasso di crescita di circa il 30% nel 2008 rispetto al 2007. In Asia è da segnalare la Cina che, con un tasso di crescita che lo scorso anno è stato del 100%, ha raggiunto nel 2008 una capacità di oltre 12 GW, e anche l'India che continua a crescere, anche se con ritmo più controllato, e che ha raggiunto a fine 2008 la capacitê di circa 10 GW. Con 3,73 GW di capacità eolica a fine 2008 l'Italia è al terzo posto in Europa, seppure con valori pari al 15,4% della Germania e al 22% della Spagna. Molto buono il tasso di crescita del 30%, con 1.010 MW di nuovi impianti nel 2008 rispetto all'esistente nel 2007. Per un possibile confronto: le centrali nucleari di III generazione sono caratterizzate da una potenza compresa tra 1.000 e 1.400 MW. Si tratta di energie dello stesso ordine di grandezza; tuttavia occorre tenere presente il valore del paramero "Producibilità annua specifica (MWh/MW)". Occorre inoltre notare che la nostra situazione geografica, orografica e dei regimi di vento nel territorio porta a delle notevoli differenze di possibilità di utilizzazione dell'energia eolica. Per quanto riguarda le regioni italiane, come è intuitivo le isole, in particolare la Sardegna, e il Meridione sono privilegiate in questo settore. Recentemente Ingmar Wilhelm, responsabile markenting e supply di Enel Energia, ha annunciato la commercializzazione di una serie di turbine in grado di generare da 1 kW a 200 kW. Il costo per la turbina media da 3 kW è di circa 15.000 euro. Si ritiene che dalle centinaia di clienti iniziali si passerà ben presto a migliaia. La ripartizione dei costruttori nel mercato eolico italiano alla fine del 2008 è così indicata dall'Enea: Vestas Italia 49,16%, Gamesa 20,10 %, Enercon 12,67 %, Repower 5,3 %, GE 4,17 %, Nordex 3,54 %, Ecotecnia 3,23 %, altri 1,83%, tra cui Leitwind, una divisione di Leitner Technologies di Bolzano, che da qualche anno costruisce in Italia e all'estero impianti eolici di media potenza. Sono presenti inoltre sul mercato diversi produttori italiani nei settori delle piccole e medie taglie. L'Anev (Associazione Nazionale Energia del Vento) è costituita da produttori e operatori di energia elettrica da fonte eolica, con sede in Roma; e ha lo scopo di concorrere alla promozione e all'utilizzazione della fonte eolica in un rapporto equilibrato tra insediamenti e natura, e promuove la ricerca e lo sviluppo tecnologico finalizzato all'utilizzo della risorsa vento e all'uso razionale dell'energia.
