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Eolico

    I principi dell’eolico

    Energia eolica - Mulino a vento eolico

    Il vento è aria in movimento generatosi a causa del riscaldamento non omogeneo che il sole fornisce alle diverse zone della superficie terrestre.

    Questa differenza di temperatura genera moti convettivi che chiamiamo vento.

    Di notte il fenomeno è il medesimo, ma al contrario è dovuto al raffreddamento della superficie terrestre che rilascia il calore assorbito durante la giornata: per questo i venti avranno direzione contraria.

    I venti si possono generare sia in corrispondenza di un differenziale di temperatura tra terraferma e mare, ma anche tra terre stesse.

    Il meccanismo descritto fa riferimento alla formazione delle brezze e non ai venti di perturbazione, che talora risultano essere di grande importanza e che si formano in condizioni climatiche particolari, spesso in associazione a forti temporali.

    L’eolico è considerato una fonte rinnovabile in quanto il vento sarà sempre presente fin tanto che ci sarà l’irraggiamento solare.

    L’idea di far muovere qualcosa grazie al vento, nonostante abbia trovato applicazione tecnologica nelle pale eoliche in tempi relativamente recenti – solo qualche decennio fa – ha in realtà origini molto antiche, che risalgono ai tempi dei mulini a vento.

    Il principio fisico che sta alla base della produzione di energia elettrica dal vento è esattamente il medesimo dei mulini: una certa quantità di energia cinetica (dovuta alla velocità con cui si muove il vento) viene trasformata in energia meccanica (rotazione delle pale).

    A differenza di quanto accadeva in passato però, un impianto eolico è in grado di convertire tale energia meccanica in energia elettrica, mentre i vecchi mulini si limitavano a sfruttare solo l’energia meccanica.

    Come funziona un impianto eolico

    Le pale eoliche sono collegate ad un rotore (ovvero un organo di movimento rotazionale) che trasmette all’ albero la rotazione e quindi, mediante una serie di ingranaggi meccanici chiamati moltiplicatori, si raggiungono velocità rotazionali elevate che azionano un generatore di corrente.

    La velocità rotazionale è un parametro molto importante: al di sotto di una certa soglia minima, infatti, la macchina è incapace di azionarsi. Di contro, se la velocità del vento è troppo elevata le turbine eoliche attivano un sistema frenante in grado di impedire che le pale possano girare troppo velocemente e quindi subire dei danneggiamenti.

    Componenti di un aerogeneratore (o turbina eolica)
    Fig. 1: Componenti di un aerogeneratore (o turbina eolica)

    L’aerogeneratore è il componente di un impianto eolico che impatta maggiormente sui costi di investimento, circa per il 60-70%, la restante parte dell’investimento è destinata ai costi di consulenza tecnica e sviluppo del progetto, alle spese di realizzazione delle infrastrutture civili ed elettriche necessarie per garantire il collegamento dell’impianto alla rete.

    Lo sfruttamento del vento per generare energia elettrica è però possibile unicamente laddove si verifichino delle favorevoli condizioni anemometriche, ovvero vi siano condizioni della ventosità tali per cui risulti fattibile procedere all’installazione di un impianto.

    Va infatti tenuto conto che la quantità di energia che il vento trasferisce al rotore è proporzionale:

    • al cubo della velocità del vento, il che significa che raddoppiando la velocità la potenza aumenta di otto volte;
    • alla densità dell’aria, per cui ad una maggiore densità corrisponde maggiore potenza;
    • all’area spazzata dal vento che in altri termini corrisponde al raggio delle pale. Da qui ci è chiaro come piccole differenze nelle caratteristiche anemometriche possano tradursi in notevoli differenze nella resa energetica.

    Alle tre variabili appena citate va poi applicato il cosiddetto Coefficiente di potenza – Cp introdotto dalla legge di Betz, secondo il quale non è fisicamente possibile “estrarre” più del 59,3% dell’energia cinetica contenuta in una massa d’aria, infatti se tutta l’energia cinetica del vento potesse essere assorbita dal rotore eolico e trasformarsi così in energia rotazionale e di conseguenza in elettricità, vi sarebbe un arresto completo del flusso d’aria.

    La legge di Betz stima quindi un valore di efficienza teorica al quale vanno poi “sottratte” le perdite che si verificano durante la trasformazione da energia meccanica ad elettricità (10-15%).

    Le taglie dell’eolico

    Sebbene non vi siano delle classificazioni standard, generalmente le taglie impiantistiche dell’eolico onshore sono identificabili in base alla potenza e ad alcune dimensioni specifiche.

    Taglia

    Altezza torre

    Diametro rotore

    Impiego

    1-5 kWkW
    Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt., micro eolico
     6-9 m

    1-7 m

    Generalmente impiegate singolarmente, le micro turbine vengono utilizzate per alimentare utenze isolate dalla rete. Esse possono ad esempio coprire le esigenze elettriche di una barca o di un camper o anche solamente alimentare un computer portatile o un frigorifero da campo.
    20-200 kW, mini eolico

    10-30 m

    1-20 m

    Generalmente impiegate singolarmente, le mini turbine, sono in linea di massima rivolte a soddisfare od integrare il fabbisogno di famiglie o per l’alimentazione di utenze industriali, commerciali o agricole di limitate dimensioni. Esse vengono generalmente collegate alla rete elettrica in bassa tensione o anche utilizzate per alimentare utenze isolate dalla rete (anche se più generalmente tale funzione spetta al micro eolico).
    1-3 MW, eolico tradizionale onshore

    60-120 m

    55-80 m

    Parchi eolici, collegati alla rete di media/alta tensione.

     

    Le singole pale in mare, lungo la costa, possono invece raggiungere e superare la potenza di 6 MW, (parchi eolici offshore).

    Il mare infatti, pur considerando la maggior difficoltà tecnologica nella costruzione degli impianti e gli elevati costi di manutenzione, ha un potenziale enorme per lo sviluppo della tecnologia eolica in quanto permette di sfruttare al meglio la ventosità dei siti.

    La caratterizzazione della ventosità, come si è detto in precedenza, è infatti uno tra gli elementi determinanti nella scelta del sito e della tipologia di impianto da installare, ed occorre tenervi conto, così come occorre prestare attenzione ad altri fattori critici:

    • la ventosità del sito: in assenza di campagne anemometriche di misurazione ad hoc, spesso si fa riferimento alla velocità media annua del vento calcolata in metri al secondo (m/s) e misurata a diverse altezze dal suolo.

    Dati di riferimento e cartografie nazionali, regionali e locali sono rintracciabili consultando l’Atlante Eolico dell’RSE – Ricerca sul Sistema Energetico;

    • la distanza tra il generatore e gli eventuali edifici circostanti: per evitare disturbi in termini di rumorosità la distanza minima consigliata è di almeno 40-50 metri;
    • la distanza tra il generatore e la rete elettrica: in questo caso minore è la distanza minori sono i costi per collegare l’impianto alla rete;
    • l’impatto ambientale: pur essendo, l’energia eolica completamente pulita (non essendoci una combustione essa non genera nessun tipo di inquinante, né alcun gas serra), gli impianti eolici possono avere un impatto ambientale sia dal punto di vista paesaggistico, che sull’avifauna circostante, comunque regolamentato e tutelato dalle vigenti norme ambientali (valutazione strategica – VAS; d’impatto ambientale – VIA; d’incidenza – VincApaesaggistica).

    I costi dell’eolico

    Una volta appurata l’idoneità del sito prescelto per l’installazione dell’impianto, il passo successivo è valutarne la portata dell’investimento.

    Come abbiamo visto in precedenza, l’aerogeneratore è il componente che più impatta sui costi di investimento (CAPEX – Capital Expenditures*) che possono essere così suddivisi:

    • 10-20% – spese progettuali che includono oltre al progetto dell’impianto, eventuali studi anemometrici o analisi della ventosità del sito, valutazioni di impatto ambientale, procedure autorizzative, etc…
    • 20-25% – spese per le opere civili ed elettriche
    • 60-70% – spese per gli aerogeneratori (trasporto, installazione ed avvio operativo inclusi)

    In linea generale si può comunque affermare che il costo di ogni kW installato diminuisce all’aumentare della taglia dell’impianto, per cui l’installazione di un mini impianto eolico richiederà in proporzione un investimento iniziale più oneroso rispetto all’installazione di un parco eolico di media-grande dimensione. Questo vale anche per quanto riguarda i costi di esercizio e manutenzione.

    Eolico - Pale eoliche - Energia eolica

    L’investimento richiesto per impianti che vanno da 1 a 3 MW è di circa 1.350 €/kW, mentre per mini impianti da 20 a 200 kW è pari a 3.200 €/kW.

    costi di gestione dei primi si aggirano invece attorno ai 28.000 €/anno MW, mentre per i secondi siamo attorno ai 45.000 €/anno MW.

    Analoga è invece la durata di vita dell’impianto che si attesta attorno ai 20 anni, mentre i tempi di costruzione si dimezzano per gli impianti di piccola taglia: 9 mesi per gli impianti da 20-200 kW contro i 18 degli impianti da 1-3 MW.

    Per quanto riguarda invece il cosiddetto Fattore di Utilizzo o Capacity Factor gli impianti da 20-200 kW in Italia si attestano attorno alle 1.950 ore equivalenti di funzionamento alla potenza nominale, contro le 1.800 degli impianti da 1-3 MW, dove per ore equivalenti di funzionamento si intende il rapporto tra la produzione elettrica e la potenza installata (kWh/kW), mentre per potenza nominale si intende la potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni generalmente specificate dal costruttore.

    Sul fronte dei costi di dismissione/bonifica fine vita per gli impianti mini eolici essi sono trascurabili, mentre per quelli da 1-3 MW ci aggiriamo attorno ai 5.500 €/MW.

    Infine, secondo quanto si evince dai dati elaborati da ANEV – Associazione Nazionale Energia del Vento per il 2014, in Italia, l’energia prodotta da fonte eolica ha un costo di produzione che può oscillare tra i 100 e i 130 €/MWh a fronte di un costo in bolletta pari a circa il doppio. Ciò a riconferma che l’energia eolica è una delle energie rinnovabili maggiormente competitive dopo l’idroelettrico ed il geotermico.

    *CAPEX – Capital Expenditures: rappresentano flussi di cassa in uscita per la realizzazione di investimenti in attività immobilizzate di natura operativa. Si tratta cioè di investimenti in capitale fisso.

     

    Gli incentivi all’eolico

    Il Decreto Ministeriale 23 giugno 2016 prevedeva che gli incentivi per le rinnovabili non fotovoltaiche potevano essere richiesti per: impianti nuovi, impianti integralmente ricostruiti, impianti riattivati e impianti oggetto di potenziamento entrati in esercizio dal 1° Gennaio 2013.

    Articolato in due differenti meccanismi incentivanti secondo la potenza dell’impianto: una Tariffa Onnicomprensiva (TO), costituita da una tariffa unica che remunera anche l’energia elettrica ritirata dal GSE (Tb), più eventuali premi cui l’impianto ha diritto (Pr);

    un Incentivo (I), calcolato come differenza tra la tariffa incentivante base (Tb) e il prezzo zonale orario dell’energia, poiché l’energia prodotta resta a disposizione dell’operatore, più eventuali premi cui l’impianto ha diritto (Pr).

    Per gli impianti di potenza fino a 500 kW vi è la possibilità di scegliere entrambe le modalità in alternativa, passando da una modalità all’altra non più di due volte nel corso dell’intero periodo di incentivazione. Gli impianti di potenza superiore a 500 kW possono invece accedere al solo incentivo.

    Il Decreto Ministeriale 6 luglio 2012 che regolava gli incentivi alle rinnovabili non fotovoltaiche,  offre una tariffa omnicomprensiva di 291 euro/MWh al microeolico (sotto 20 kW) e 268 al minieolico (fra 20-200 kW) a partire dal 1° gennaio 2013, considerando una vita utile dell’impianto di 20 anni.

    Le tariffe scendono considerevolmente con l’aumento della potenza dell’impianto: i grandi impianti, sopra i 5 MW, vedono la tariffa più che dimezzata (127 euro/MWh).

    Incentivi eolico DM 6 luglio 2012

    Tra le altre modalità di incentivazione alle rinnovabili elettriche non fotovoltaiche vi sono poi i Certificati Verdi, titoli negoziabili rilasciati dal GSE che costituiscono una forma di incentivazione dell’energia prodotta con impianti qualificati IAFR (impianti alimentati da fonti rinnovabili), e la Tariffa Omnicomprensiva, un meccanismo di incentivo previsto dalla Legge Finanziaria 2008 riservato agli impianti IAFR entrati in esercizio dopo il 31 dicembre 2007, di potenza nominale media annua non superiore ad 1 MW o 0,2 MW per gli impianti eolici.

    L’eolico in Europa

    A partire dai primi anni Novanta la capacità installata europea ha registrato una costante crescita che ha visto le installazioni annue crescere da 814 MW (1 MW = 1.000 kW) del 1995 agli 15.638 MW del 2017 (investimenti che approssimativamente arrivano ai 22-23 miliardi di euro), raggiungendo così una capacità installata a fine 2017 di 168.729 MW che rappresenta il 18% della capacità totale installata in Europa.

    Operando per un numero minore di ore all’anno rispetto alle centrali a fonti fossili il cui funzionamento è soggetto alle condizioni di mercato, ma non ovviamente alla disponibilità del vento, l’incidenza dell’eolico nell’attuale fuel mix europeo non è molto discostante, collocandosi al secondo posto (18%) dopo il gas (20%) ma prima del carbone (16%), e conferma un costante trend in decisa salita.

    La Germania rimane il Paese europeo con la maggiore potenza installata, seguita da Spagna, Regno Unito, Francia ed Italia, che da sole rappresentano il 72% delle installazioni europee.

    La quasi totalità degli impianti sono onshore (capacità installata 153 GW) ovvero su terra ferma, anche se gli impianti offshore (18,8 GW), particolarmente nel Regno Unito, Germania e in Danimarca, stanno dimostrando un notevole potenziale.

    Secondo i dati WindEurope relativi al 2017, con un investimento tra i 22 e 23 miliardi euro, nel 2017 in Europa sono state installate e collegate alla rete turbine eoliche offshore pari a 3,1 GW e 12,5 GM onshore – facendo registrare un incremento totale  di circa il 25% rispetto alle installazioni avvenute nel 2016.

    L’eolico in Italia

    Degli quasi 16 GW di nuovi impianti installati nell’Unione Europea nel 2017, all’Italia vanno attribuiti 356 MW, per una potenza eolica totale installata nel nostro Paese di 9.766 MW. La quasi totalità della potenza connessa è localizzata nelle regioni Meridionali e nelle Isole; nel Settentrione si registrano invece valori modesti.

    L’incremento di potenza tra il 2016 e 2017 (+356 MW, pari a +3,8%) è legato principalmente alla crescita degli impianti con potenza maggiore di 10MW, anche se in termini relativi emerge l’incremento della classe degli impianti eolici con potenza fino ad 1 MW, sia in termini di numerosità (+61,6%) che di potenza installata (+29,8%). Tale segmento, che comprende anche la categoria dei minieolici, rappresenta 113 dei 356 MW complessivi installati nel 2017 (32% circa).

    Sul territorio nazionale sono ad oggi distribuiti 5.579 impianti di diversa potenza (+55% rispetto al 2016), come riportato nel grafico, dai quali è stato possibile produrre nel 2017 circa 17,7 TWh, in grado di coprire il 5,5% della domanda di energia elettrica nazionale e di apportare benefici ambientali grazie alle emissioni di CO2 risparmiate. Nel 2017 la potenza eolica installata rappresenta il 18,3% dell’intero parco d’impianti ad energia rinnovabile.

    La ricaduta economica dello sviluppo del segmento eolico in Italia nel 2017 totalizza circa 1,7 miliardi di euro tra investimenti (0,8), spese di esercizio (0,3) e valore aggiunto prodotto (0,6), nonché una ricaduta occupazionale di circa 10.000 unità lavoro annuali (circa 6.000 temporanei correlate agli investimenti e 4.000 permanenti correlate all’esercizio degli impianti).

    Tra le regioni, la Puglia detiene il primato della produzione eolica nazionale del 2017 con circa il 28%, totalizzando insieme alla Sicilia quasi il 44% della produzione complessiva. Seguono la Campania, la Calabria e la Basilicata che insieme raggiungono, all’incirca, quota 38%.

     

     

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