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Mini-eolico: come sfruttare l’energia del vento con impianti di dimensioni ridotte

Gli aerogeneratori per impianti domestici possono avere turbine eoliche ad asse verticale o ad asse orizzontale. L’unico requisito è una ventosità media minima annuale pari a 5 m/s, ovvero 18 km/h

01 Set 2020

Cecilia Bottoni

dott.ssa in scienze politiche

Si definisce impianto mini-eolico un sistema destinato alla produzione di energia elettrica da fonte eolica, caratterizzato dall’utilizzo di aerogeneratori di altezza inferiore a 30 metri. Gli aerogeneratori possono essere impiegati da una utenza isolata, non collegata alla rete elettrica o connessi sia per una auto-produzione in scambio che per la fornitura di energia elettrica alla rete. Gli aerogeneratori domestici richiedono l’unico requisito di ventosità media minima annuale pari a 5 m/s, ovvero 18 km/h. Le micro-turbine, grazie alle ridotte dimensioni, si adattano agli spazi cittadini e riescono a lavorare con regimi di vento inferiori rispetto ai grandi impianti: inoltre, sono in grado di orientarsi automaticamente, in modo da sfruttare al massimo la forza del vento.

I vari tipi di turbine per impianti domestici

Nella fattispecie esistono due tipi di turbine per impianti a uso domestico: turbine eoliche ad asse verticale e turbine eoliche ad asse orizzontale. Nello specifico, sono i generatori con asse verticale ad avere la meglio nell’ambiente cittadino. Essi infatti, oltre a presentare dimensioni inevitabilmente ridotte, rispetto alle classiche turbine on-shore, si integrano meglio alla nuova conformazione delle città, caratterizzate da condomini, ed edifici in generale, che si sviluppano in altezza. Grazie all’ingombro ridotto si prestano bene alle installazioni su condomini o edifici di città con tetti piani o a falda o con piccoli terrazzi. Tale tipologia di pale domestiche potrebbero essere facilmente istallate anche in località remote, per le quali l’allacciamento alla rete elettrica si tradurrebbe in costi elevati o, addirittura, non sarebbe praticabile.

L’impianto con turbine ad asse verticale è affine nella struttura e nel funzionamento ai tradizionali impianti a uso industriale: nel caso in cui venga presentato in scala ridotta per uso domestico, può prevedere l’utilizzo di mini-turbine, capaci di generare fino a 30 kW, o pale micro-eoliche, che possono arrivare a 1 kW. Questo tipo di impianto, di dimensioni compatte e poco ingombranti, riduce significativamente l’inquinamento acustico e assicura un funzionamento costante e indipendente dalla direzione e dall’intensità del vento, con una migliore resistenza alle alte velocità e alle turbolenze, e quindi una maggiore durata nel tempo.

Accanto al mini-eolico con turbine ad asse verticale, vi è una seconda tipologia in cui l’asse delle pale è orizzontale; maggiormente impiegato rispetto a quello ad asse verticale, è caratterizzato da dimensioni ridotte e semplicità di installazione. Un impianto di questo tipo è solitamente costituito da 3 pale minieoliche e si distingue per l’orientamento del generatore in base alla direzione del vento, offre ottime rese aerodinamiche e garantisce una maggiore produzione di energia.

Mini eolico: i vantaggi per l’utenza

Sono numerosi i vantaggi che le mini e micro turbine possono arrecare. Con la produzione e il consumo domestico vengono evitati inefficienti dispendi di energia, che si traducono in una diminuzione della bolletta e in un passo avanti in direzione della decarbonizzazione, in quanto la produzione di energia eolica non necessita di alcun combustibile e non produce emissioni. Ovviamente, la condizione imprescindibile per l’installazione di impianti eolici è la presenza costante del vento. La sola presenza del vento non è però sufficiente, occorre infatti che la velocità sia compresa tra i 40 e i 50 km/h così da ottimizzare l’impianto e massimizzare l’efficienza. Sono necessarie anche delle autorizzazioni ufficiali, comunali o provinciali a seconda dell’impianto prescelto. Fino a 60 kW è sufficiente l’approvazione comunale del progetto, meglio conosciuta come PAS (Procedura abilitativa semplificata); per gli impianti più grandi occorre, invece, fare domanda di Autorizzazione Unica alla Regione (i regolamenti possono variare da regione a regione).

Gli aerogeneratori di piccola taglia che rendono il mini-eolico tale comprendono una o talvolta più turbine e altri componenti a esse esterni, come inverter, convertitori di frequenza e, nei sistemi stand-alone, anche batterie di accumulo. Si va da unità di potenza anche inferiore al kilowatt, fino a unità da 50, 100 o 200 kW a seconda dei Paesi. La norma tecnica internazionale IEC 61400-2 definisce piccoli aerogeneratori quelli con area spazzata dal rotore inferiore a 200 mq, area che corrisponde a potenze dell’ordine di 50-60 kW. Questi aerogeneratori presentano soluzioni tecniche particolari, volte a una maggiore semplicità, mentre, al crescere della potenza verso i 100 o 200 kW, si notano caratteristiche sempre più affini a quelle degli aerogeneratori di medie dimensioni.

I componenti di un impianto mini eolico

L’elemento discriminante che diversifica gli impianti eolici domestici da quelli utilizzati per le strutture industriali è la sola dimensione, in quanto il funzionamento di base rimane lo stesso: è il concetto del movimento delle pale eoliche viene proposto su scala ridotta. I componenti di un impianto eolico domestico off-grid non sono molto differenti da quelli che costituiscono gli impianti di grandi dimensioni. Tali elementi sono:

  • generatore eolico;
  • regolatore di ricarica per eolico;
  • banco batterie di accumulo;
  • inverter a onda sinusoidale pura;
  • elementi accessori.

La turbina eolica Savonius

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Focalizzando l’attenzione sulle turbine ad asse verticale, uno degli esempi più noti è la turbina eolica di Savonius, utilizzata per la conversione di coppia dell’energia del vento su un albero rotante. Inventata dall’ingegnere finlandese Sigurd Savonius nel 1922, e brevettata nel 1929, è una delle turbine più semplici. La rotazione delle pale avviene grazie alla forza di resistenza aerodinamica, che si ramifica in due tipologie: la prima è dovuto alle forze di attrito tra aria e corpo bagnato; mentre la seconda è dovuto alle forze di pressione. Queste ultime sono dominanti nella pala e sono originate dalla differenza di pressione che si viene a creare tra la parte anteriore e la parte posteriore del corpo della stessa. I vantaggi derivanti dall’impiego di una simile tipologia risiedono in primo luogo in un minor costo di produzione di un simile impianto, data la minore complessità nel costruire un sistema in grado di sfruttare le forze di resistenza aerodinamica. In secondo luogo, date le basse velocità di rotazione della turbina, si riscontrano un risparmio in termini di peso nel ridimensionamento e una minore usura degli organi dinamici. Un terzo vantaggio deriva dalla silenziosità delle forze di resistenza, che conducono a una notevole riduzione dell’inquinamento acustico. D’altra parte, uno dei principali svantaggi che derivano dall’impiego della turbina Savonius si riscontra in termini di efficienza: nelle migliori condizioni operative, questa non supera il 24% e la performance viene altresì inficiata dalle stesse forze di resistenza che spingono la pala trainante, le quali generano anche un momento frenante sulla pala di ritorno.

Altri modelli di turbine per mini eolico

Per cercare di migliorare la performance di una turbina con simili caratteristiche, è stata proposta una soluzione tutta italiana, portata avanti dalla start-up piemontese Rotor: la proposta è quella di una turbina eolica, con potenza nominale di 1 kW, ad asse verticale che si basa sullo stesso principio fisico di una turbina Savonius, aggiungendo un sistema brevettato in grado di regolare la velocità di rotazione. Il sistema che viene introdotto è formato da una paratia semicircolare concentrica all’asse di rotazione della turbina e da un impennaggio verticale. L’impennaggio verticale si orienta sempre secondo la direzione del vento, mentre la paratia può assumere diverse posizioni angolari rispetto a tale direzione. L’obiettivo principale è quello lavorare in un ampio range di velocità del vento, cercando così di massimizzare in ogni caso le prestazioni, rendendo la turbina versatile: a basse velocità del vento si sfrutta la bassa velocità di cut-in della Savonius e ad alte velocità del vento si sfruttano le caratteristiche di regolazione attiva, fornite dalla paratia. Altresì la tipica Savonius viene modificata e migliorata per quanto riguarda il picco della curva Cp-TSR, che risulta essere è leggermente maggiore, e, muovendo la paratia, si riesce a regolare il funzionamento della turbina in modo da lavorare sempre al TSR che massimizza il Cp, caratteristica che la turbina normalmente non presenta.

Un controllo automatico permette di regolare l’angolazione dello schermo a seconda della velocità di rotazione delle pale e della velocità del vento, rendendo possibile lavorare al TSR di ottimo. La paratia porta anche alla diminuzione delle forze di resistenza aerodinamica presenti sulle pale di ritorno: questo significa un aumento della percentuale di potenza del vento catturata e quindi in un aumento di efficienza. È infine possibile schermare completamente il rotore in caso di forti venti, posizionando la paratia in posizione di sicurezza.

Mini eolico, quali svantaggi

Gli svantaggi che il sistema presenta sono principalmente quelli legati alla natura dell’energia rinnovabile che sfruttano: il vento è una risorsa con rendimenti discontinui e a bassa densità energetica. Inoltre, tanto più la turbina è piccola, tanto più è alto il rapporto €/kWh, cioè il costo specifico dell’energia. D’altra parte, i vantaggi che ne derivano sono quindi l’adattabilità alle varie condizioni di ventosità e, trattandosi di mini-eolico, le dimensioni ridotte la rendono adatta per istallazioni in luoghi con poco spazio a disposizione o difficilmente raggiungibili: può essere impiegata ad esempio nei rifugi di montagna o abitazioni in zone provinciali, ad esempio nei cortili.

La turbina risiede su di un traliccio alto almeno 4 metri e una volta installata può essere impiegata in configurazione grid-connected o stand alone. Il fatto che le dimensioni siano contenute apporta vantaggi anche a livello di costo. Le sue doti di regolazione delle performance possono essere utili in ottica di integrazione delle VRE (Variable Renewable Energies) quando installata in configurazione grid connected. Pochi paesi al mondo infatti hanno raggiunto un livello di flessibilità delle reti elettriche adatto a sopportare la variabilità della corrente immessa nella rete stessa (si osservi che in Europa solo Irlanda e Danimarca presentano risultati soddisfacenti).

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