L’energia viene dal vento

Le energie alternative incontrano un interesse crescente nella generazione di energia. Un grosso problema resta collegato con la necessità di accumulare energia, per tenere conto dei diversi momenti di produzione e di richiesta. L’aria compressa immagazzinata in serbatoi rappresenta un efficace modo di accumulo. Questo concetto è applicato alla realizzazione di generatori di aria compressa con energia proveniente dal vento.

La crisi congiunturale e il costo crescente dell’energia stanno spingendo sempre più industrie e privati alla ricerca di soluzioni utili per ridurre le perdite, per aumentare i rendimenti di macchinari e impianti e per diminuire il costo della produzione di energia.

Questo ultimo punto ha condotto a valutare prioritariamente la possibilità di generare energia ricorrendo alle cosiddette energie alternative. A tale proposito occorre fare riferimento con particolare attenzione alle energie rinnovabili, ossia a quelle forme di generazione che non bruciano in maniera irreversibile i combustibili fossili, consentendo così di lasciare intatto un patrimonio importante. Basti pensare, ad esempio, al petrolio, che potrà comunque trovare una valida utilizzazione in altri tipi di trasformazioni, quali quelle chimiche necessarie per la produzione di determinate materie plastiche e prodotti sintetici.

Nel mondo moderno l’energia elettrica è la forma primaria di distribuzione e di utilizzo di energia. Energia idroelettrica, energia solare (nella forma solare fotovoltaico), energia eolica sono ormai significative forme comuni di produzione di energia elettrica. Tra queste fonti alternative quella solare è usata direttamente anche per la produzione di energia termica. Non tutte le energie alternative hanno le stesse caratteristiche e gli stessi vantaggi, e neanche la stessa disponibilità in tutti i posti, in quanto il loro uso dipende dalla natura del territorio, dalla sua conformazione e da fattori climatici locali. Tutto ciò porta a utilizzare in regioni diverse e con efficienze differenti le varie forme di produzione.

Lo sviluppo di fonti energetiche alternative a quelle tradizionali aumenta di importanza in tutto il mondo, in relazione anche a una crescente attenzione ambientale. L’Unione Europea si è occupata del settore e sin dal 2007, con una sua direttiva sulle energie rinnovabili, ha posto come obiettivo di aumentare la percentuale di fonti rinnovabili fino al 20% della produzione totale, entro il 2020. Si tenga presente che, nel 2005, questa percentuale era solo dell’8,5%.

In figura 1 è riportato il consumo globale dell’energia in Germania nel 2008, prima della crisi, secondo rilevazioni fatte dall’Energy Balance Working Group (AGEB). Si nota che le energie rinnovabili coprivano solo il 7,1%, con una incidenza dell’energia eolica di solo l’1% sul totale.

Fig.1 – Consumo globale dell’energia in Germania (2008).

Il problema della distribuzione e dell’accumulo di energia

Quando si parla di energie alternative, normalmente si pensa solo al problema della produzione dell’energia, dando per scontato che ciò che si produce può essere facilmente usato. In realtà non è così. Il sistema di collegamento con reti elettriche è diventato un sistema estremamente complesso e difficile da gestire, con innumerevoli punti di produzione e una miriade di punti di utilizzo. Le linee elettriche sono le linee di distribuzione, in cui la corrente può procedere in senso opposto secondo le esigenze.

Il problema di gestione è complesso, ma è fortemente aggravato dal fatto che l’energia elettrica sotto forma di corrente può solo correre lungo dei fili, senza possibilità di accumulo e, quindi, deve essere in tempo reale assorbita e utilizzata da carichi. Il tema dell’accumulo dell’energia elettrica è un grosso tema che non ha trovato a oggi soluzioni generali soddisfacenti; l’accumulo in batterie e accumulatori di vario tipo è valido per potenze ridotte.

Una soluzione molto valida è quella che prevede la successiva conversione di energia elettrica in energia potenziale idraulica e viceversa. E’ la soluzione delle cosiddette “centrali con impianti ad accumulazione di acqua”, che sono dotate non solo di un bacino di accumulo a monte, ma anche da un bacino di raccolta di acqua a valle della centrale idroelettrica. Questa soluzione, prevede che di giorno l’acqua scende dal bacino di monte a quello di valle, producendo corrente elettrica usata dagli utenti civili e industriali, mentre durante le ore di minor richiesta di energia, tipicamente di notte, l’acqua che ha generato energia elettrica durante il giorno può essere riportata dal bacino di valle al bacino di monte mediante pompaggio. Per questa operazione si utilizza l’energia elettrica in eccesso prodotta dalle centrali di tipo “sempre acceso” e non diversamente accumulabile.

Ci sono poi varie altre proposte, tra le quali quella dell’uso di solenoidi realizzati con superconduttori raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, in cui la corrente possa continuare a girare con pochissime perdite, finché non è il momento dell’utilizzo, ma si tratta per ora solo di soluzioni avveniristiche.

Oggi il problema di una gestione generale non è risolto. Si deve anche tenere conto che le reti elettriche non sempre sono attrezzate per soluzioni complesse, tanto che lo sviluppo di energie alternative che producono quando possono e non necessariamente quando servono, come l’eolico, può essere rallentato proprio dalla necessità di adattare produzione e utilizzo di energia.

La generazione dell’aria compressa col vento

L’aria compressa utilizzata in quantità in tutti i processi produttivi, rappresenta una importante forma di trasmissione dell’energia per produrre movimenti e lavoro meccanico. L’aria compressa è facile da gestire ed è pulita. Per contro è costosa; prodotta in centrali di compressione con motori elettrici ha un costo, a parità di lavoro prodotto direttamente con mezzi elettrici, sicuramente più elevato, a causa delle successive trasformazioni di energia.

L’aria compressa, peraltro, consente di realizzare delle reti di distribuzione estremamente valide, grazie alle quali risulta disponibile localmente una forma energetica facilmente utilizzabile. Da questo punto di vista vi è una analogia tra reti elettriche e reti pneumatiche. Oggi le linee di aria compressa sono estese nell’ambito dell’area di uno stabilimento industriale, ma in passato le linee pneumatiche hanno avuto estensioni ben maggiori, tenendo conto che l’aria compressa è stata la prima forma di distribuzione di energia, prima ancora della diffusione dell’energia elettrica.

A Parigi, nella seconda metà dell’ottocento fu realizzato un sistema di distribuzione di aria compressa con centrali di compressione che raggiunsero i 18.000 kW di potenza con una sola centrale, una rete primaria di oltre 7 km e una rete secondaria di circa 50 km. L’aria compressa era usata per azionare torni, per muovere ascensori e produrre mille azionamenti, fino alla gestione di orologi ad aria, cadenzati periodicamente da onde di pressione generate a ore fisse. Naturalmente con lo sviluppo dei sistemi elettrici e la facilità di distribuzione della corrente elettrica i sistemi pneumatici centrali furono progressivamente superati.

L’aria compressa ha però un vantaggio essenziale sull’elettricità: può essere facilmente accumulata. E’ sufficiente un serbatoio e l’accumulo di energia è garantito.

Se mettiamo insieme questa caratteristica con la natura capricciosa dei venti ecco che nascono progetti di sistemi per generare e immagazzinare l’aria compressa come accumulatore di energia. Il progetto CAES (Compressed Air Energy Storage) proposto negli USA utilizza l’aria compressa come mezzo per accumulare energia nei parchi eolici, ogni volta che si manifesta un eccesso di produzione di energia elettrica rispetto al richiesto. Il sistema prevede la disponibilità di un elettro-compressore alimentato dal generatore eolico, che produce aria compressa accumulata in grandi serbatoi (caverne di miniere saline, secondo la proposta), da cui l’aria viene prelevata e inviata in turbine per produrre elettricità, quando aumenta la richiesta di corrente elettrica (fig. 2).

Fig. 2 – Generazione di aria compressa per accumulo di energia.

Lo stesso principio può essere usato per produrre e immagazzinare localmente l’aria compressa, ad esempio nel caso di uno stabilimento industriale. Tutto si basa sul fatto che il vento è disponibile pressoché ovunque e, in molte parti del mondo, è disponibile in grandi quantità, con un forte potenziale energetico. Questa energia è pulita, gratuita e rinnovabile.

Tutto il processo si accompagna all’assenza di elementi inquinanti. Per avere una idea degli effetti dell’inquinamento, si tenga presente che le centrali termoelettriche per produrre 1 kWh di energia bruciano 0,25 litri di gasolio emettendo nell’atmosfera 0,70 kg di CO2. Questi numeri appaiono modesti, ma se vengono moltiplicati per il numero di ore di funzionamento e per le potenze in gioco portano a numeri impressionanti.

Un esempio di generatore eolico di aria compressa

Tenendo conto delle considerazioni precedenti, è ampiamente giustificabile lo studio di generatori eolici che trasformano direttamente l’ energia cinetica del vento in aria compressa. Successivamente l’aria compressa con la sua energia può essere immagazzinata in serbatoi. A questo proposito si valuta che il costo di stoccaggio nei serbatoi costi circa la metà dello stoccaggio di energia elettrica in batterie di accumulatori.

La produzione diretta di aria compressa dal vento può essere utile per gli stabilimenti industriali, dato che, comunque, il suo utilizzo rappresenta una fonte importante sulla spesa energetica. Il consumo dell’aria compressa nell’industria incide, infatti, con percentuali che variano normalmente dal 10% al 20% con punte che possono raggiungere il 30% sul consumo complessivo dell’energia elettrica. La produzione diretta con generatore eolico, almeno di una parte di quanto è necessario, può rappresentare un elemento importante.

In figura 3 vi è un esempio di generatore eolico di aria compressa.

Fig.3 – Generatore eolico di aria compressa.

La macchina è costituita, nei suoi elementi principali, da una turbina eolica ad asse orizzontale, collegata direttamente in asse a un compressore a pistoni. La turbina comprende un mandrino su cuscinetti a sfere che supporta tre pale eoliche in alluminio estruso e opportunamente sagomate per ottimizzarne l’efficienza. Il compressore è stato adattato alle differenti condizioni di lavoro, quali il basso numero di giri, gli sbalzi di temperatura, umidità, sforzi, oscillazioni e le difficoltà di manutenzione, trattandosi di una applicazione che prevede di collocare il sistema su tetti o, comunque, in zone esterne molte volte poco accessibili. Sul mandrino agiscono due freni pneumatici indispensabili a garantire la sicurezza di tutto l’apparato da rotture, in caso si verifichi un vento troppo forte.

Tutto questo meccanismo è collegato tramite un giunto rotante fissato su una colonna  di altezza indicativamente variabile da 7 m a 12 m. Questo giunto permette a tutto il generatore eolico di orientarsi molto facilmente rispetto alla direzione del vento.

La colonna di supporto è saldamente assicurata al suolo con funi d’acciaio ma è anche incernierata alla base per poter esser facilmente abbassata a terra per controlli periodici e manutenzioni.

Una centralina elettropneumatica collegata a un anemometro controlla gli interventi che sono necessari, in caso di avvio facilitato e di arresto, quando il vento è eccessivo e pericoloso.

Infine l’aria compressa generata viene stoccata in grandi serbatoi a una pressione che può variare da 6 bar a 12 bar ed è poi immessa nella linea di distribuzione attraverso una valvola unidirezionale, necessaria per impedire il rientro di aria compressa nella zona di generazione del sistema.

Dispositivi di questo tipo, di potenza contenuta, possono essere utilizzati sui tetti o in prossimità di stabilimenti per produrre aria compressa destinata alle normali esigenze, senza ricorrere ai compressori della centrale di compressione.

Caratteristiche, prestazioni e vantaggi

Le caratteristiche costruttive e prestazionali del generatore eolico sono visibili nella tabella 1, dove sono riportati, in particolare, i dati di produzione dell’aria compressa con diversi valori della velocità del vento.

Tab. 1 – Caratteristiche del generatore eolico.
Turbina eolica a pale ritorte in alluminio n° 3 pale
Diametro esterno della turbina 4    metri
Orientamento della turbina Timone autodirezionale
Dispositivo di frenatura e bloccaggio Elettronico/pneumatico
Velocità massima di sicurezza 17 m/s (61 km/h)
Volume aria aspirata dal compressore 0,4 litri/giro
Altezza della colonna di supporto 7 m  – 12 m
Pressione massima aria compressa (in sicurezza) 15 bar
Aria prodotta con vento di 6 m/s   (21,6 km/h) 4.100 dm3/h (ANR)
Aria prodotta con vento di 8 m/s   (28,8 km/h) 5.500 dm3/h (ANR)
Aria prodotta con vento di 10 m/s (36,0 km/h) 6.800 dm3/h (ANR)
Aria prodotta con vento di 12 m/s (43,2 km/h) 8.200 dm3/h (ANR)

Si può notare anche che il sistema non è condizionato dalla direzione, dalla velocità e dalla costanza del vento, avendo dispositivi in grado di permetterne l’uso in condizioni operative diverse. Il generatore, inoltre, è silenzioso e di lunga durata.

La costruzione è effettuata in massima parte in lega leggera, permettendo così anche il recupero del materiale a fine del ciclo di vita.

Nella tabella 2 sono riportati gli effetti qualitativi dell’azione del vento, in funzione della velocità, misurata sia in m/s, sia in nodi, sia secondo le definizioni tradizionali.

Tab. 2 –    Velocità ed effetto dei venti.
m/s Nodi Forza Definizione Effetti al suolo
4 8,4 3 Brezza di terra Agita foglie e rami,   dispiega bandiere leggere
6 12,6 4 Vento moderato Solleva polvere,foglie e   carte,agita rami
8 16,8 5 Vento teso Fogliame e arbusti   ondeggiano
10 21,0 5 Vento teso/fresco Rami e foglie   ondeggiano,acque increspano
12 25,2 6 Vento fresco Agita rami grossi, cavi in   acciaio sibilano
14 29,4 7 Vento forte Agita alberi, difficile   camminare controvento

Conclusioni

Tra le energie alternative disponibili per produrre energia elettrica l’eolico rappresenta una fonte primaria di estremo interesse, gratuita e rinnovabile. Il vento, inoltre, è disponibile in maniera illimitata ed è una fonte energetica assolutamente compatibile e pulita. Un modo per risolvere il problema dell’accumulo di energia è rappresentato dalla possibilità di usare aria compressa immagazzinata in serbatoi. Si possono, pertanto, impiegare generatori di aria compressa azionati da turbine eoliche, che immagazzinano l’aria in serbatoi, quando non viene richiesta erogazione, per poi immetterla nei circuiti di distribuzione, quando è necessario. Questi generatori possono essere installati senza bisogno di particolare contratti con il gestore di energia elettrica. L’uso di questi sistemi appare promettente per il futuro.

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