Windependence: L'eolico verticale

Le turbine eoliche ad asse verticale, cuore della moderna e innovativa tecnologia dell'eolico verticale, sono le più antiche concepite dall'uomo, tant'è che erano già usate dalle civiltà dell'antica Mesopotamia soprattutto per irrigare.

Questa tecnologia, oggi diventata matura, permette una resa energetica di molto superiore all'eolico tradizionale (cioè, ad asse orizzontale), ed è adatta soprattutto per la realizzazione di impianti di potenza media e piccola.

Le pale delle turbine eoliche verticali vengono messe in rotazione dal movimento dell'aria, e l'energia così ottenuta è impiegata per azionare un generatore elettrico (aerogeneratore).

I vantaggi dell'asse verticale, a parte il migliore rendimento, sono diversi: (1) costante funzionamento indipendentemente dalla direzione del vento; (2) le turbine più piccole non necessitano di alti pali di sostegno; (3) migliore resistenza anche alle alte velocità dei venti e alla loro turbolenza; (4) scarso ingombro.

Quanta energia produce un certo vento

Poiché la velocità del vento non è regolare, per stimare la produzione di energia di una turbina eolica non basta conoscere la velocità media del vento. Altrettanto importante è possedere dei dati precisi relativi alle diverse velocità del vento che insieme determinano la media. Infatti, a seconda delle zone, il vento può essere più o meno variabile dando, però, la stessa velocità media.

Per stimare la produzione di energia di una turbina occorre quindi conoscere la velocità media del vento e il cosiddetto fattore "k".  Quest'ultimo è la variabile casuale di Weibull, dal nome dell'ingegnere svedese che l'ha introdotta, e descrive la distribuzione di probabilità di diverse velocità del vento che insieme danno la stessa velocità media. In pratica,  dei fattori "k" tipici  sono:

k = 2,0  - per zone con venti molto variabili - montagna
k = 2,5  - per zone con venti variabili - collina
k = 3,0  - per zone con venti abbastanza regolari - aperta campagna
k = 3,5  - per zone con venti regolari - zone costiere
k = 4,0  - per zone con venti molto regolari - isole

Il boom dell'eolico nel mondo

Negli ultimi anni c'è stato un vero e proprio boom dell'eolico nel mondo - come peraltro di altre fonti rinnovabili, quale ad es. il fotovoltaico - e si prevede, che entro il 2010, almeno 160 GW di energia saranno prodotti grazie al vento.

Sebbene attualmente l'eolico contribuisca appena per poco più dell'1% all'elettricità prodotta nel mondo, esso fornisce circa il 20% della produzione di elettricità in Danimarca, e circa il 10% in Spagna e Portogallo (dati 2007). Tra le nazioni con la maggiore produzione eolico installata in termini assoluti negli ultimi anni, troviamo Stati Uniti, Germania, India, Spagna e Cina.

L'energia presente nel vento

Di tutta la gran quantità di energia rinnovabile che ci arriva dal Sole, circa l'1-2% viene convertito in vento, grazie alle differenze di temperatura nelle diverse zone e altitudini che avviano il movimento dell'aria.

Conoscere la velocità del vento risulta estremamente importante per sapere la quantità di energia contenuta in esso.

L'energia contenuta nel vento aumenta con il cubo della sua velocità. Dunque, se la velocità del vento raddoppia, l'energia associata sarà 2x2x2 = 8 volte più grande! 

La "legge di Betz"

La formula per calcolare l'energia del vento a una certa velocità è: Velocità (in m/s) x densità dell'aria (1,225 kg per m3) x 0,5 = Watt (per mq). Un esempio: 6^3 x 1,225 x 0,5 = 132,3 Watt/mq.

La legge di Betz dice che è possibile convertire in energia meccanica solo il 59% dell'energia contenuta nel vento. Infatti, una turbina eolica devia il vento già prima che esso arrivi alla turbina stessa, ragion per cui non è possibile sfruttare per intero l'energia del vento.

Weibull: perché è importante?

Perché non si può semplicemente usare la velocità media del vento per calcolare la produzione di energia eolica?

Vediamolo con due semplici esempi, supponendo l'installazione di una turbina eolica con una superficie di 10 mq e un'efficienza del 30%:

Caso 1. 10 giorni, sempre vento, velocità esatta di 5 m/s (media 5 m/s). Dunque, Energia = 5^3 x 1,225 x 0,5 x 10mq x 30% = 229,7 W x 24 ore x 10 giorni = 55,125 KW in 10 giorni!

Caso 2. 10 giorni, 5 giorni senza vento, 5 giorni con 10 m/s (media 5 m/s). Allora, Energia = 10^3 x 1,225 x 0,5 x 10mq x 30% = 1837,5 W x 24 ore x 5 giorni = 220,5 KW in cinque giorni!