CATELLO MASULLO(1)
(1) Ingegnere – Assistente di Costruzioni idrauliche presso il Dipartimento “IDRAULICA-TRASPORTI-STRADE” della Facoltà di Ingegneria dell’Università “La Sapienza” di Roma
Le origini della utilizzazione energetica del vento si perdono nella notte dei tempi.Si hanno notizie di macchine eoliche costruite in Cina oltre quattromila anni orsono.Il vento veniva impiegato a scopi irrigui già ad Ur dei Caldei, a Babilonia, in Persia ed in Egitto. I venti sono originati dal riscaldamento disuniforme della superficie terrestre da parte del sole. Nel corso del giorno, le masse d’aria sovrastanti gli oceani, i mari e gli specchi d’acqua in genere sono caratterizzate da temperature inferiori rispetto a quelle situate al di sopra delle masse continentali, poiché gran parte dell’energia radiante proveniente dal sole viene consumata per far evaporare l’acqua o è assorbita dall’acqua stessa. Invece i continenti assorbono una minore quantità di luce solare e parimenti in essi l’evaporazione è minore, per cui l’aria al di sopra delle terre emerse si espande, diviene più leggera e si solleva.
Ne consegue che l’aria più fredda e più pesante che proviene dai mari e dagli oceani si mette in movimento per prendere il suo posto. Anche il moto di rotazione del pianeta e fenomeni di instabilità verticale dell’atmosfera giocano un ruolo nella genesi di questi colossali spostamenti di masse gassose verso zone caratterizzate da una bassa pressione (dette anche ciclonali o cicloni, esistenti là dove si verifica il moto ascensionale di aria calda) da quelle ad alta pressione (dette anticiclonali o anticicloni). Processi simili originano anche le ben note brezze locali sulle spiagge, come pure quelle che spirano lungo i pendii delle montagne; in quest’ultimo caso, l’aria fluisce di giorno da valle alla cima e di notte invece si hanno flussi di aria fredda verso valle.
Inoltre, dal momento che le zone della terra all’equatore si riscaldano maggiormente rispetto a quelle più prossime ai poli, si verifica un movimento di masse d’aria fredda dalle fasce subtropicali verso l’equatore (alisei) che poi si sollevano, riscaldate in corrispondenza dei tropici, per poi ritornare nuovamente in direzione dei poli negli strati più alti dell’atmosfera (controalisei); la accelerazione di Coriolis dovuta alla rotazione della Terra influenza profondamente questi venti planetari, ai quali dai naviganti dei vari secoli è stato dato il nome di venti del commercio. Gli alisei ed i corrispondenti controalisei, spirano con regolarità nella fascia compresa tra i 300° N e i 300° S, con velocità media dell’ordine dei 20 Km/h. In definitiva, la radiazione solare va riguardata come una enorme pompa che tiene costantemente in movimento le masse d’aria planetaria, la cui energia cinetica complessiva, secondo le stime dei vari Autori, ammonterebbero a circa 1.58×1016 kWh/anno. E’ interessante riportare la classificazione dei venti proposta da BEAUFORT in base alla velocità ed ai principali effetti.
Non venivano classificati da BEAUFORT i cosiddetti “cicloni”, peraltro fortunatamente rari alle nostre medie latitudini, mentre sono frequenti nelle regioni tropicali. Si tratta di masse atmosferiche rotanti con moto vorticoso (a velocità che possono arrivare fino ai 500 Km/h) intorno a depressioni barometriche estremamente basse; al moto di rotazione è associato anche uno di traslazione secondo rotte ben precise. L’energia che può essere tratta dal vento dipende fortemente dalla velocità dello stesso. Se si considera una massa volumica d’aria m che si muove ad una velocità V attraverso un’area A posta ortogonalmente alla direzione della velocità essa è dotata di una potenza pari a: PV = 1/2 m AV3 Se m è data in Kg/m3, V i m/s, A in m3 allora la potenza PV è espressa in W.
La potenza che può essere estratta dalla massa d’aria considerata è notevolmente inferiore a quella espressa dalla relazione di cui sopra. Infatti tale potenza sarebbe totalmente disponibile solo se il vento perdesse tutta la sua energia cinetica: come a dire, solo se il vento a valle dell’aeromotore fosse completamente fermo. Ovviamente, ciò è impossibile; già A. Betz ha dimostrato che la massima frazione teoricamente estraibile di tale potenza vale 16/27=0.593 (il valore di 16/27 risulta dalla teoria del disco attuatore).
La captazione dell’energia del vento si attua mediante macchine in cui delle superfici mobili vengono azionate dal vento e poste in movimento, in genere, rotatorio. Questo movimento si trasferisce ad un asse che rende disponibile una coppia ad una certa velocità di rotazione.
L’energia del vento è già energia meccanica che può essere impiegata tal quale, cioè senza ulteriori conversioni, ed è il caso delle pompe eoliche oppure, attraverso l’impiego di un generatore elettrico, collegato ad una linea d’assi, collegata a sua volta con il rotore della macchina, si può convertirla in energia elettrica di adeguate caratteristiche ed essere o riversata in rete oppure impiegata, localmente, per azionare macchine elettriche.
Esistono numerosi e consistenti vantaggi nella utilizzazione della energia eolica.
I principali:
· Abbondanza della fonte;
· Consistenza della fonte già in energia meccanica;
· Tecnologia semplice di captazione, trasformazione e conversione;
· Assenza di emissioni nocive (almeno durante la costruzione ed esercizio);
· Assenza di problemi e/o grossi rischi e buona sicurezza degli impianti di produzione.
Per contro qualsiasi progetto di utilizzazione del vento deve fare i conti con importanti problematiche quali:
· La discontinuità della fonte;
· I costi secondo alcuni ancora elevati;
· Un tempo di vita complessivo del sistema di generazione ancora relativamente breve.
· L’impatto ambientale: visivo, acustico, sull’avifauna stanziale o migratoria, sulla flora e fauna terrestre, di disturbo alle telecomunicazioni, di interferenza con aerovie in bassa quota, di occupazione del territorio, di interferenza con le destinazioni d’uso del territorio e con le servitù militari o con i vincoli paesaggistici.;
· La difficoltà di stoccare a costi ragionevoli l’energia elettrica prodotta. Per quanto riguarda la discontinuità, questo elemento rende la generazione eolica anche adatta a collegarsi con sistemi ibridi (ovvero affiancati da un generatore diesel o da altre fonti rinnovabili come il fotovoltaico) oppure rende necessario un sistema di accumulo per le utenze isolate.
Per gli impianti di maggiore potenza può essere convenientemente ipotizzato un accoppiamento con impianti idroelettrici di ripompaggio. Il rumore costituisce un problema di minore importanza, infatti allo stato attuale ad una distanza di 50/100 metri una centrale eolica è meno fastidioso del normale traffico urbano.
I problemi realizzativi vengono affrontati e superati in maniera sempre più brillante. Infatti il settore eolico è oggi una solida realtà industriale ed il suo volume di attività, a livello mondiale, migliora ogni anno. Lo confermano le cifre, ancora ufficiose, relative al tasso di crescita annuale nel 1999, che è stato circa il 37% rispetto al ‘98 e ha portato ad oltre 13.300 i megawatt eolici installati nel mondo. Solo nel 1999 sono stati installati circa 3.600 MW. Con il più elevato tasso di crescita degli ultimi anni (26% nel 1997 e 26,8% nel 1998), in tre anni, dunque, l’eolico ha registrato una crescita media del 30%, superando tutte le previsioni degli analisti. Nell’Unione Europea si è varcata la soglia dei 9.000 MW totali, mentre le aspettative della European Wind Energy Association (EWEA) erano di 8.000 MW entro il 2000. A
nche gli obiettivi della “Campagna per il decollo” della Commissione Europea (10.000 MW aggiuntivi tra il 1999 ed il 2003) possono essere raggiunti, visto che, nel solo 1999, nei Paesi dell’Unione, si sono installati circa 2.600 MW e le previsioni per il 2003 parlano di una potenza installata totale di 21.600 MW. Questa crescita nel 1999 è dovuta principalmente all’enorme contributo della Germania (1.569 MW) e della Spagna (346 MW secondo l’EWEA, 644 MW secondo EurObserver) che, grazie ai suoi programmi di incentivazione nazionali e regionali, può considerarsi la potenza emergente nel settore, con enormi potenzialità di esportazione nei mercati dell’America latina. Sempre significativo l’installato annuale in Danimarca (circa 310 MW); l’Italia è quinta nel mondo con 104 MW.
Tra i Paesi extra-europei, notevole impulso si è avuto negli Stati Uniti (732 MW nel ’99) e in India. Purtroppo non esistono ancora statistiche definitive sulla potenza eolica installata per singolo Paese nel 1999 e, dunque, anche sul dato cumulato; forse a causa della forte accelerazione nelle realizzazione degli impianti, le stesse fonti ufficiali indicano ancora delle stime, a volte contraddittorie. Il giro d’affari mondiale del settore industriale si attesta nel mondo a 3,5 miliardi di dollari (circa 7 mila miliardi di lire) all’anno; di questi, quasi la metà sono oggi ascrivibili alla sola Germania. Otto delle prime dieci società costruttrici di turbine eoliche sono europee; la Danimarca detiene il 55% del mercato mondiale ed un’azienda danese, la Neg Micon, ha il primato di turbine vendute nel ‘99: 608 MW (+97% rispetto al 1997).
Al secondo posto tra i produttori è il gruppo americano Enron Wind Corp. che unisce la Zond (USA) e la Tacke (Germania), mentre al terzo si trova la danese Vestas. Per la prima volta una società giapponese, la Mitsubishi, appare in questa classifica (10° posto). Il mercato eolico non è costituito solo dal settore industriale, ma da società promotrici che progettano ed installano. Tra le maggiori, l’americana Seawest, la tedesca Winkra, le spagnole Iberdrola ed Edesa; in Italia il promoter principale è l’Italian Vento Power Corporation (IVPC), di Avellino, che detiene oltre i ¾ del parco eolico italiano, realizzato negli ultimi 5-6 anni, come si può vedere nella seguente tabella che riporta in sintesi i dati di tutte le centrali eoliche italiane censite nel 1998.
MW eolici installati nel mondo
RIPARTIZIONE GEOGRAFICA DEI MW DI ENERGIA EOLICA INSTALLATI NEL MONDO
IL TASSO DI CRESCITA DEI MW EOLICI INSTALLATI NEL MONDO NEL 1999 E’ STATO DEL 37% PARI A CIRCA 3.589 Mw A CUI HANNO PARTECIPATO I SEGUENTI PAESI.
Di recente è stata realizzata la prima centrale eolica in Italia settentrionale, a San Benedetto Val di Sambro in Provincia di Bologna, con una potenza installata di 3,5 MW. Potrà produrre annualmente 5-6 milioni di chilowattora, cioè quanto basta a soddisfare circa 3.000 utenze familiari. E’ stato calcolato che, su base annua, la centrale consente un risparmio di 1.300 tonnellate di olio combustibile ed evita l’emissione di 5.000 tonnellate di CO2 (950.000 alberi servirebbero per ottenere un uguale beneficio ambientale).
Per dare un’idea del rapporto con le altre fonti rinnovabili, si forniscono di seguito dati sulla Produzione lorda di energia elettrica da fonti rinnovabili in Italia nell’anno 1997.
Una prospettiva interessante allo sviluppo delle cosiddette energie “pulite” in Italia è fornita dal recente D.M. dell’11/11/99 che ha fornito direttive riguardanti alcuni punti del D.L. n° 79 del 16/03/99 sul libero mercato dell’energia (noto come decreto Bersani) relativi alle fonti rinnovabili. Il decreto Bersani, ha istituito, tra l’altro, l’obbligo per i nuovi produttori di energia elettrica che accederanno al mercato libero dell’energia di immettere nella rete elettrica nazionale una percentuale (per ora fissata uguale al 2%) di energia da fonti rinnovabili. Il D.M. dell’11/11/99, di cui sopra, allo scopo di incentivare questa nuova produzione rinnovabile ha stabilito che questa fruirà, per i primi otto anni di esercizio dei relativi impianti, di una certificazione, denominata “certificato verde”, in merito alla quale ha fornito norme di dettaglio.
I “certificati verdi” verranno emessi dal Gestore della rete di trasmissione nazionale, Società costituita dall’ENEL nel 1999 e che dal 1° aprile p.v. passerà al Ministero del Tesoro, e dallo stesso Gestore collocati in un mercato ad hoc. Il valore dei certificati (ciascuno relativo a 100.000 kWh), dai quali deriverà il valore del kWh prodotto, dipenderà dalla risposta del mercato stesso. In definitiva, il valore del kWh da fonti rinnovabili nel nuovo mercato dell’energia risulterà dalla somma di due termini, il primo dato dal valore del kWh fissato dalla Borsa dell’energia comune a tutte le fonti (compresa quindi quella termoelettrica) e il secondo da un “sopra valore” dipendente dal prezzo spuntato nella libera contrazione tra i produttori ed importatori di energia, soggetti all’obbligo fissato dal D.L. n. 79 (2% di energia da fonti rinnovabili) ed i soggetti detentori dei certificati verdi.
Da considerazione e calcoli, svolti da operatori del settore, sembrerebbe, che il kWh da fonti rinnovabili possa ottenere per i primi otto anni di esercizio degli impianti un prezzo interessante, remunerativo dei relativi investimenti per la realizzazione degli impianti stessi. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI – “ENERGIA DAL VENTO” (G.M. DE PRATTI, G. LO BIANCO, F.P. VIVOLI) ISE ITALIA.- “IL SOLE A TRECENTOSESSANTA GRADI” NEW LETTER ISES ITALIA. ANNO VII, N. 3, MARZO 2000.- “LA VALORIZZAZIONE IN ITALIA DEL kWh IDROELETTRICO NEL NUOVO MERCATO DELL’ENERGIA” – G. CELENTANI – GIORNATA MONDIALE DELL’ACQUA 2000.