I TEMPI DELL’EOLICO: ricerca e innovazione.

19 dicembre 2017

Intro - Le energie rinnovabili stanno sempre più aumentando il loro valore nel settore della produzione di energia. Ogni giorno milioni di kilowatt vengono prodotti in tutto il mondo grazie allo sfruttamento delle risorse naturali da parte di turbine eoliche, pannelli fotovoltaici e centrali idroelettriche. Nel panorama mondiale delle energie rinnovabili, l’eolico sta sempre più affermando la sua forza. In Europa si è sviluppato prepotentemente in stati come la Germania, i Paesi Bassi e la Francia. Troviamo qualche esemplare anche in Italia, in cui sfortunatamente non viene riconosciuto come una fonte di sostentamento primaria per gli impianti industriali. Le energie rinnovabili sono state etichettate come supporto ai combustibili fossili. Esse presentano ancora svantaggi impiantistici rispetto agli impianti più comuni e maggiormente utilizzati a combustibile fossile. Il carburante fossile produce una quantità maggiore di energia a un prezzo più basso, con cicli di produzione più semplici e meno costosi. Nonostante sia più obsoleta e banale, questa tipologia di carburante è sfruttata maggiormente rispetto alle altre, in maniera da sostenere la richiesta energetica di edifici, quartieri e intere città. Il rinnovabile viene inteso come una seconda fonte di energia, un ripiego di quella invece principale dei combustibili fossili menzionati in precedenza. La ricerca sta provando a implementare impianti a energia rinnovabile che permettano la produzione di un buon quantitativo di energia con un’efficienza ottimale, cosicché possano sostituire completamente il carburante fossile, o, perlomeno, superarlo in termini di produzione. Esistono diverse tecnologie per l’implementazione di un ciclo per la produzione di energia eolica. In questo articolo mi soffermerò particolarmente su un progetto di un giovane tesista bolognese.

L'idea - Stefano Ghedini è un laureato triennale alla facoltà di Ingegneria Energetica di Bologna. Il suo elaborato tratta di una tecnologia innovativa per lo sfruttamento di venti ad alta quota. Nel suo lavoro ha considerato un aerogeneratore collegato a terra, che possa immagazzinare energia eolica e trasformarla in energia elettrica di utenza per case e impianti di ogni sorta. Un progetto molto interessante, nato da un’idea estremamente originale. Nella sezione seguente, vado a delineare i passaggi e le caratteristiche di questo congegno ad alta quota.

 

Trasformazione - Innanzitutto, grazie al materiale fornito da Stefano, si nota come il primo step sia stato dedicato alla conversione tecnologica ad aerogeneratore dell’elicottero leggero commerciale 520N dell’azienda statunitense McDonnell Douglas Helicopter Systems (in alto). Un velivolo considerato adatto per ospitare tutto il necessario per la produzione di energia elettrica. Sono stati necessari molti cambiamenti per alleggerire il veicolo dal punto di vista del carico, non avendo passeggeri e non essendo necessario il propulsore. Il peso complessivo si aggira intorno ai 700 kg con l’inserimento del generatore che comporta un aumento del peso di 350 kg, il rotore avrà l’importante compito di generare le forze che dovranno provvedere alla rotazione dell’albero e all’autosostentamento del velivolo. In seguito a una valutazione ai fini del progetto, è stato individuato un motore brushless come componente principale per la produzione di energia elettrica. Questa macchina presenta un rotore a magneti permanenti stazionari, che genera un campo magnetico costante. Mentre lo statore presenta un campo magnetico rotante e variabile nel tempo, la caratteristica brushless è riassunta nel semplice fatto che questa macchina elettrica, non ha bisogno di contatti striscianti per funzionare.

 

Brushless - L’importanza dedicata a questo motore privo di attrito riguarda la manutenzione. Quest’ultima viene ridotta notevolmente, e ciò consente il funzionamento in ambienti ostili ed un’elevata affidabilità. Grazie, quindi, all’utilizzo di magneti ad alta energia, il motore brushless fornisce al sistema un incremento del rendimento e del fattore di potenza. Un altro vantaggio di questa tipologia di macchine è la struttura e la meccanica compatta; ciò implica elevati rapporti potenza/peso e coppia/volume. Il principale svantaggio di realizzazione sta nell’investimento economico da affrontare, soprattutto per l’aggiunta del controller elettronico. Risulta, tuttavia, evidente una convenienza in termini di prestazioni, ingombro e peso rispetto alle macchine elettriche a corrente continua. Quindi, da un punto di vista tecnologico, risulta un progetto alquanto determinante per la risoluzione di molti problemi dovuti alla realizzazione di impianto e all’efficienza del ciclo di produzione.

       

Zone geografiche di implementazione - Un altro aspetto alquanto interessante è l’utilizzo di venti ad alta quota. Su scala locale i venti soffiano in modo irregolare e discontinuo. Su scala globale invece si possono individuare alcune fasce ben distinte in cui i venti spirano secondo direzioni prevalenti e con grande regolarità. Tra 500-12.000 metri di altitudine nell’atmosfera, i venti presentano caratteristiche costanti, mentre alle basse quote saranno notevolmente influenzati dall’attrito con la superficie terrestre. La quota di progetto stabilita per l’aerogeneratore di alta quota è di 1500m; si individuano zone in cui l’investimento sarebbe sicuro, dove sarebbe conveniente solo in alcuni periodi o dove non sarebbe redditizio. Si individuano vere e proprie fasce geografiche in cui la densità di potenza e di conseguenza il carico di energia prodotta sono rilevanti. L’ Argentina, in particolare Bahia Blanca e Patagonia (38°-52° di latitudine) nell’Emisfero Sud  e l’Australia del Sud considerando la Nuova Zelanda (30°-45° di latitudine) sempre Emisfero Sud, presentano una densità di potenza espressa in W/m² di 200-1000, a seguire Kazakistan e Stati Uniti con 10-100 W/m². Numeri importanti, considerando l’impiego di un solo aerogeneratore alimentato da un singolo motore elettrico. Questo modello potrebbe essere replicato più volte, creando un impianto formato da una serie di aerogeneratori collegati al terreno. Sfruttando i venti costanti, l’intera “power plant” potrebbe produrre ingenti quantità di energia. Consideriamo i valori menzionati in precedenza moltiplicati per il numero di aerogeneratori.

Modalità autogiro - Grazie alla costanza di questi venti molto forti, nella seconda fase del ciclo di avviamento, il velivolo entra in modalità autogiro. Il movimento delle pale sarà indipendente dal motore e automaticamente generato dal flusso d’aria che le attraversa. Il rotore in autorotazione porterà dunque all’autosostentamento della struttura in volo. E la spinta orizzontale sull’intero impianto sarà contrastata da un sistema di ancoraggio sferico del cavo al suolo. Le pale vengono messe in moto dai venti ad alta quota senza nessun ausilio di alimentazione. Maggiormente nello specifico, è la portanza generata dall’autogiro delle pale che permette all’aerogeneratore di mantenersi in volo senza spinte derivate da un motore. Questa è un’innovazione alquanto importante poiché permette di conservare energia e risparmiare l’utilizzo del motore, in maniera da diminuire i consumi e la manutenzione necessaria. Questa nuova tecnologia innovativa completamente differente rispetto alle classiche pale eoliche, presenta svantaggi e vantaggi, sia tecnologici e di realizzazione di impianto, che economici.

 

Software di lavoro - Nell’elaborato gentilmente fornito da Stefano, si nota anche la presenza di calcoli riguardo a dimensionamenti delle varie parti dell’aeromobile e un lavoro di progettazione e Fluidodynamics realizzato sul software di grafica Solidworks. Una trattazione completa che presenta tutti gli aspetti dell’aeromobile e che ha tutte le possibilità per essere considerata allo stesso livello di un brevetto.

   

Considerazioni economiche - I maggiori dubbi sorgono dal punto di vista economico. Seppur localizzato sul suolo italiano (Bologna), deve essere considerato un investimento importante a livello monetario. Allo stesso tempo, futuribile e strategico per il livello di tecnologia raggiunta. Nonostante la difficoltà economica, la tecnologia sulla quale si investe, comprenderebbe tutti gli elementi di sistema, e porterebbe benefici non solo all’investitore ma anche al Paese in cui viene ubicato l’impianto. Ipotizzando di costruire la curva di potenza caratteristica, si pensa che l’impianto possa lavorare a regime per 335 giorni durante l’arco di un anno. Questo grazie alla presenza di venti costanti a 1500 metri di quota in atmosfera. Come per tutto il settore di mercato delle energie rinnovabili, il costo di produzione è un grosso limite. Il miglioramento dei materiali e l’abbassamento del loro costo offrirebbe molta convenienza. Altro punto di discussione, l’affidabilità di questa nuova tecnologia. Non è sicura a livello di produzione per un potenziale investitore e potrebbe non essere oggetto di investimento. D’altra parte se l’aerogeneratore è a energia pulita si può fruire di una tariffa incentivante e ogni anno si risparmierebbero centinaia di TEP di combustibile fossile e di diminuire le emissioni di CO2, SOX, NOX nell’atmosfera. Un singolo aerogeneratore di alta quota oggetto di questo studio è in grado di fornire energia elettrica a più di 600 abitazioni. Con la realizzazione di un parco eolico, questa tecnologia potrebbe ricoprire un ruolo importante nello scenario energetico.

Un grande passo avanti per l’intero panorama energetico mondiale e un netto miglioramento delle condizioni del nostro ecosistema.