Introduzione

In questo primo articolo parleremo in via panoramica di tre tipologie di impianti per la produzione di energia elettrica mediante fonti rinnovabili :

• impianti eolici;
• impianti mareomotori e da moto ondoso;
• impianti solari termodinamici.

Impianti eolici

In un impianto eolico l'elemento principale è l'aerogeneratore che è composto da :

• un rotore;

rotore eolico

• un moltiplicatore di giri (eventualmente);

• un alternatore.

Il rotore è formato da un mozzo sul quale convergono due o tre pale dotate di profilo aerodinamico alare e a cui è calettato l'albero di trasmissione primario. L'asse primario, il moltiplicatore di giri (eventuale) e il generatore elettrico sono racchiusi in un involucro detto gondola o navicella che contiene in sé anche i sistemi che provvedono a controllare l'inclinazione delle pale e l'imbardata dell'aerogeneratore.

Una torre in acciaio tubolare o a traliccio, poi, consente di supportare il rotore e la navicella.

Molti degli aerogeneratori in commercio sono ad asse orizzontale, cioè con il rotore a tre pale posto sopravento rispetto al sostegno : tale soluzione è stata molto apprezzata sul mercato in quanto fornisce delle buone prestazioni per quanto riguarda il rendimento e l'affidabilità.

La potenza meccanica che si ottiene all'asse di un aeromotore dipende da vari fattori come :

• densità dell'aria;
• il cubo della velocità del vento;
• superficie spazzata dalle pale;
• coefficiente di accoppiamento : esso è pari al rapporto tra la potenza trasferita all'asse e quella della massa d'aria e dipende a sua volta dalla velocità del vento e dalla turbina che si è scelta. In un'elica a passo fisso il suo valore massimo è ottenuto per un solo valore di velocità e questo rende necessario che siano presenti dei regolatori che modifichino l'angolo di incidenza delle pale in modo tale da mantenere inalterata la velocità di rotazione del rotore al variare della velocità del vento.

La potenza trasferita dall'aeromotore in relazione alla velocità del vento segue un diagramma di controllo opportuno.
Il vento deve raggiungere una velocità minima v₀, detta velocità di cut-in affinché si possa muovere l'aeromotore e affinché questo superi gli attriti esistenti e le resistenze di primo distacco.
Il diagramma di controllo segue una caratteristica crescente tra la v₀ e la velocità nominale del vento v_n che assume un andamento vicino a quello di una parabola cubica laddove sia possibile adeguare il numero di giri di rotazione dell'aeromotore o sia possibile agire sull'angolo di incidenza delle pale.
Quando la velocità del vento è maggiore della v_n il controllo garantisce una potenza costante che è pari alla potenza nominale P_n.
Qualora il vento dovesse poi superare una velocità detta velocità massima o di cut-out v_m l'asse dell'aeromotore verrebbe poi disposto parallelamente alla direzione del vento e bloccato : questo viene fatto per evitare che le sollecitazioni che si verrebbero a creare superino i valori consentiti ed ammissibili, ovviamente.

Le potenze degli aerogeneratori spaziano in un intervallo di valori ampio. In merito si distinguono tre "categorie" :

• microeolico : potenza nominale minore di 20 kW;
• minieolico : potenze tra 20 e 200 kW;
• grande eolico : potenze anche fino a 5 MW.

Corrispondentemente alle categorie prima citate, per quanto riguarda i diametri e altezze si hanno i seguenti valori, all'incirca :

• microeolico : diametri ed altezze di pochi metri;
• minieolico : diametri di 45-50 metri ed altezze di 30 metri;
• grande eolico : diametri fino a 100 metri, altezze fino ai 180 metri.

Potenze considerevoli possono essere raggiunte se si collegano più aerogeneratori tra di loro, realizzando così quella che viene chiamata windfarm o, in italiano, parco eolico.

Royd Moor Wind Farm

Per quanto riguarda la disposizione degli aerogeneratori :

• si ha lungo le linee di crinale nei territori collinari e montuosi;
• in caso di territori maggiormente pianeggianti, si adottano schemi geometrici differenti, disponendo gli aerogeneratori ad una distanza tale da evitare interferenze reciproche, che è generalmente pari a 5-10 volte il diametro delle pale.

Per quanto riguarda l'installazione degli impianti eolici, si può avere sulla terraferma (on shore) oppure in ambiente marino ad alcune miglia dalla costa, cioè off shore.
Questa ultima soluzione è avvantaggiata da vari fattori come :

• la saturazione crescente dei siti sulla terraferma;
• la possibilità di adoperare macchine di maggiore potenza;
• migliori condizioni anemonologiche che permettono di ottenere una maggiore producibilità;
• la riduzione dell'altezza delle torri;
• la riduzione del problema dell'intermittenza, per via della maggiore stabilità del vento.

Le tecnologie attuali si limitano ad applicazioni su fondali non superiori ai 40 metri, al fine di consentire l'ancoraggio delle torri direttamente al suolo e di limitare i costi all'allacciamento elettrico con la terraferma.

parco eolico off shore in Danimarca

Quasi tutta l'energia elettrica prodotta oggi con impianti eolici è immessa in rete anche se vi sono applicazioni che alimentano utenze isolate.
Gli impianti che riversano l'energia in rete si distinguono in :

• impianti a velocità imposta : si adoperano solo generatori elettrici trifase di tipo sincrono o asincrono collegati al rotore eolico tramite un moltiplicatore di giri;
• impianti a velocità variabile : la generazione può avvenire sia in continua che in alternata a frequenza variabile, per poi essere convertita in alternata a frequenza di rete.

Gli impianti isolati sono destinati ad alimentare piccole utenze, poste solitamente in zone in cui sarebbe economicamente poco vantaggioso l'alimentazione delle normali reti di distribuzione.Tranne che per casi particolari, sarà necessario prevedere degli impianti di accumulo di tipo elettrico o idraulico, in modo tale da sopperire alle forti discontinuità tipiche dell'energia eolica, prevedendo ad esempio il parallelo con solo un altro impianto a fonte rinnovabile o convenzionale.

Impianti mareomotori e da moto ondoso

Il funzionamento dell'impianto mareomotore è simile a quello di un impianto idroelettrico : quando l'escursione è notevole si può immagazzinare l'acqua in un bacino di raccolta, durante i periodi di alta marea, sfruttando la sua energia potenziale nel periodo di bassa marea. Spesso sono adoperati più bacini insieme.

Sono pochi gli impianti di questo tipo. Si segnala, tra di essi, quello realizzato a St. Malo, in Francia, di 240 MW di potenza, posto alla foce del fiume Rance.

centrale mareomotrice di St. Malo

I sistemi di sfruttamento del moto ondoso sono vari :

• sistemi con impianti sommersi : sfruttano il principio di Archimede e consistono in una struttura sommersa e fissata al fondo marino; la parte superiore della struttura è un cilindro cavo che si muove in verticale e sfrutta il cambiamento di pressione idrostatica dovuto al passaggio delle onde; l'energia meccanica derivante è trasformata in energia elettrica;
• sistemi con apparati galleggianti : sono formati da delle strutture tubolari ancorate al fondo marino; al loro interno vi sono dei pistoni idraulici (collegati ad un generatore elettrico) azionati dall'acqua che entra ed esce seguendo il ritmo del moto ondoso;
• sistemi OWC : sfruttano il principio della colonna d'acqua oscillante; l'energia elettrica si ottiene mediante un processo di carattere pneumatico che è associato al principio di funzionamento delle turbine Wells : l'onda ascendente e discendente provocano una compressione ed una decompressione d'aria (rispettivamente) all'interno della camera in cui è situata la turbina, mettendola così in rotazione; il range di potenza varia da 60 a 1000 kW.

Le seguenti figure, tratte da http://www.nextville.it/index/714, ritraggono i sistemi, rispettivamente, con impianti sommersi, con apparati galleggianti ed OWC :

con impianti sommersi

con apparati galleggianti

OWC

E' possibile, inoltre, realizzare anche degli impianti che sfruttino il gradiente termico oceanicc. Il calore delle acque superficiali fa evaporare un liquido di lavoro (che può essere ammoniaca od acqua) e funziona da sorgente calda per alimentare un ciclo a vapore. Le acque di profondità, aspirate dal fondo, funzionano da sorgente fredda, la quale raffredda il vapore e lo fa tornare liquido. In questo modo si chiude il cilo.

Impianti solari termodinamici

L'energia elettrica può essere prodotta ricorrendo alla tecnologia del solare termico a media-alta temperatura.
Si parla, a riguardo, di tecnologie CSP, Concentrating Solar Power.
Esse ricorrono ad un sistema ottico, detto concentratore che focalizza i raggi solari in modo tale da ottenere temperature più alte di quelle che sarebbero raggiungibili con semplici pannelli.
Il concentratore, poi, raccoglie ed invia la radiazione solare su un altro componente, il ricevitore, su cui viene trasformata in energia termica, per poi passare alla forma meccanica, ed infine a quella elettrica, mediante un tradizionale ciclo termodinamico convenzionale.

Vi sono tre tipi di impianti solari termodinamici, relativamente alla geometria e alla disposizione del concentratore rispetto al ricevitore :

• a disco parabolico a fuoco puntiforme : la radiazione solare diretta è raccolta su una superficie riflettente a specchi parabolici e concentrata tutta nel punto focale; gli specchi inseguono il sole con un movimento di rotazione attorno a due assi ortogonali, al fine di raccogliere tutta la componente diretta della radiazione nell'arco della giornata; il calore ad elevata temperatura è trasferito ad un fluido ed utilizzato in un motore di tipo Stirling, posto al di sopra del ricevitore, il quale poi aziona un alternatore per produrre l'energia elettrica; i rendimenti si aggirano intorno al 30 %, con una potenza massima ottenibile di 25 kW;
• a torre centrale : la radiazione solare viene riflessa da un campo di specchi leggermente concavi, detti eliostati, i quali inseguono il sole con un movimento di rotazione su due assi e viene concentrata su un dispositivo ricevitore fisso, detto caldaia a concentrazione, posta sulla sommità di una torre che si trova al centro o a lato del campo. Il ricevitore è percorso internamente da una rete di serpentine metalliche entro le quali scorre un fluido termovettore che è condotto a temperature molto alte, producendo il vapore che serve ad azionare la turbina; i rendimenti si aggirano intorno al 16-17%, con una potenza massima ottenibile di 50 MW;
• a collettore parabolico a fuoco lineare : la radiazione è concentrata da specchi parabolici lineari, che inseguono il sole ruotando su un solo asse, su un tubo ricevitore, situato sulla linea focale, nel quale si trova a fluire il fluido termovettore. Quest'ultimo viene riscaldato a temperatura situate tra 100 e 395 °C per le tecnologie attuali che impiegano l'olio diatermico, situate tra 290 e 550 °C per tecnologie innovative che adoperano invece una miscela di sali fusi. Più collettori sono collegati in serie, in modo tale da consentire al fluido termovettore di arrivare alle temperature prima citate. Essi sono disposti su più file parallele e formano una stringa che costituisce il modulo unitario dell'impianto. Sistemi di questo tipo presentano rendimenti intorno al 16-17%.

Le seguenti immagini, tratte da http://it.wikipedia.org/wiki/Impianto_solare_a_concentrazione, ritraggono, rispettivamente lo schema di funzionamento di un riflettore parabolico e un impianto del tipo a torre centrale, situato in Spagna, presso Sanlúcar la Mayor, vicino Siviglia :

funzionamento del riflettore parabolico

PS10

E', inoltre, ancora in fase di sperimentazione, il collettore lineare Fresnel, in cui il concentratore è formato da segmenti di specchi parabolici disposti secondo il principio della lente Fresnel. In sostanza il tubo ricevitore è situato nel punto focale ed è fisso; la movimentazione, quindi, interessa solo il concentratore. In questo tipo di impianti il fluido termovettore adoperato è l'acqua, con produzione diretta di vapore all'interno del tubo ricevitore.
La seguente immagine, tratta da http://www.anest-italia.it/linear-fresnel/, ritrae un esempio di collettore lineare Fresnel :

collettore lineare fresnel

Bibliografia

Quanto esposto è tratto da :
Energia : quale futuro ? - Federico Rossi.