Energia eolica per pochi centesimi

La nuovissima turbina eolica situata a Rocky Flats in Colorado, il banco di prova del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per le tecnologie dell'energia eolica, assomiglia molto a qualsiasi altro apparato per catturare l'energia dal vento: una turbina squadrata si trova in cima a una torre d'acciaio che fa germogliare due pale dell'elica che si estendono per combinati 40 metri, quasi la metà della lunghezza di un campo da calcio. Il vento scorre veloce, le pale ruotano e l'elettricità scorre. Ma c'è una differenza fondamentale. Questo prototipo ha lame flessibili e incernierate; in caso di vento forte, si piegano leggermente all'indietro durante la rotazione. La flessione è appena percettibile per un osservatore casuale, ma è un cambiamento radicale dal modo in cui funzionano le turbine eoliche esistenti e potrebbe cambiare il destino dell'energia eolica.

In effetti, il successo del prototipo a Rocky Flats arriva in un momento cruciale nell'evoluzione dell'energia eolica. I generatori eolici sono ancora una tecnologia di nicchia che produce meno dell'uno per cento dell'elettricità degli Stati Uniti. Ma l'anno scorso, negli Stati Uniti sono stati installati 1.700 megawatt di nuova capacità eolica, sufficienti per alimentare 500.000 case, quasi il doppio della capacità eolica della nazione. E altro è in arrivo. I produttori hanno ridotto di quattro volte il costo delle turbine eoliche per impieghi gravosi dal 1980 e queste macchine gigantesche sono ora abbastanza affidabili ed efficienti da essere costruite in mare aperto. Un parco eolico da 80 turbine e 245 milioni di dollari in costruzione al largo della costa danese sarà il più grande del mondo e anche gli sviluppatori stanno iniziando a colonizzare le acque tedesche, olandesi e britanniche. In Nord America, gli speculatori prevedono enormi parchi eolici offshore vicino alla British Columbia e Nantucket, MA.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2002

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Ma c'è ancora una nuvola nera che aleggia su questo scenario apparentemente soleggiato. Le turbine eoliche rimangono costose da costruire, spesso in modo proibitivo. In media, la costruzione di una centrale eolica costa circa $ 1 milione per megawatt, rispetto ai circa $ 600.000 per megawatt di una centrale elettrica a gas convenzionale; nei calcoli economici delle compagnie elettriche, il fatto che il vento sia gratuito non colma questo divario. In breve, il prezzo della costruzione dell'energia eolica deve scendere se vuole essere qualcosa di più di una tecnologia di nicchia.

Ed è qui che entra in gioco il prototipo di Rocky Flats. La flessibilità delle sue pale consentirà alla turbina di essere più leggera del 40% rispetto allo standard industriale odierno, ma altrettanto in grado di sopravvivere a tempeste distruttive. E quel peso più leggero potrebbe significare macchine che costano dal 20 al 25% in meno rispetto alle grandi turbine di oggi.

I primi tentativi di progetti più leggeri erano fallimenti universali: disabilitati o distrutti, alcuni in poche settimane, dal vento stesso. Dati questi fallimenti, gli esperti del vento sono comprensibilmente cauti riguardo all'ultimo tentativo di un design leggero. Ma la maggior parte concorda sul fatto che le turbine eoliche leggere, se funzionano, cambieranno l'equazione economica. La domanda diventerebbe: come si costruisce la capacità di trasmissione abbastanza velocemente da stare al passo con la crescita?', afferma Ward Marshall, uno sviluppatore di energia eolica presso American Electric Power, con sede a Columbus, OH, che fa parte del consiglio di amministrazione di American Wind? Energy Association, un gruppo commerciale. Avresti un sacco di persone disposte a iscriversi.

E, dicono gli esperti, il prototipo Rocky Flats, progettato da Wind Turbine di Bellevue, WA, è la migliore speranza da anni per un design leggero che finalmente avrà successo. Posso dire inequivocabilmente che questo è un passo drammatico nella tecnologia leggera [turbina eolica], afferma Bob Thresher, direttore del National Wind Technology Center di Rocky Flats. Nessun altro ha costruito una macchina così flessibile e l'ha fatta funzionare.

Stabile mentre soffia

Le turbine eoliche sono come enormi ventilatori che girano al contrario. Invece di pale a motore che spingono l'aria, usano profili aerodinamici che catturano il vento e azionano un generatore che emette elettricità. Molte delle turbine odierne sono macchine mastodontiche con rotori a tre pale che si estendono da 80 metri a 20 metri in più rispetto all'apertura alare di un Boeing 747. E qui sta la sfida tecnologica. L'enorme dimensione è necessaria se le turbine eoliche commerciali devono competere economicamente perché la produzione di energia aumenta esponenzialmente con la lunghezza delle pale. Ma queste vaste strutture devono essere abbastanza robuste da resistere a tempeste e turbolenze estreme.

Negli anni '70 e '80, i pionieri dell'energia eolica statunitensi fecero i primi seri sforzi per combattere queste forze con macchine leggere e flessibili. Diverse startup hanno installato migliaia di tali turbine eoliche; la maggior parte sono stati letteralmente fatti a pezzi o disabilitati dalle raffiche. Portando la sperimentazione leggera all'estremo, General Electric e Boeing hanno costruito prototipi molto più grandi, colossi con lame lunghe 80, 90 e persino 100 metri. Anche questi si sono rivelati soggetti a guasti; in alcuni casi le loro lame si sono piegate all'indietro e hanno addirittura colpito le torri.

Tutto sommato, le aziende statunitensi e il Dipartimento dell'Energia hanno speso centinaia di milioni di dollari per questi esperimenti falliti negli anni '80 e all'inizio degli anni '90. Il modello americano ha sempre gravitato verso la luce, il sofisticato e le cose che non funzionavano, afferma James Manwell, un ingegnere meccanico che guida il laboratorio di ricerca sulle energie rinnovabili dell'Università del Massachusetts ad Amherst, MA.

In questa stasi tecnologica sono entrati i ricercatori del Ris National Laboratory in Danimarca e aziende danesi come Vestas Wind Systems. Negli ultimi due decenni hanno perfezionato una versione per impieghi gravosi della turbina eolica, che è diventata il Microsoft Windows dell'industria dell'energia eolica. Oggi, questo design danese rappresenta praticamente tutta l'elettricità generata dal vento in tutto il mondo. Forse riflettendo le inclinazioni nazionali, questi robusti progetti danesi avevano poco del lampo aerodinamico delle precedenti turbine eoliche statunitensi; erano semplicemente rinforzati contro il vento con acciaio e materiali compositi più pesanti e spessi. Erano duri, robusti e funzionavano.

Inoltre, negli ultimi anni, l'elettronica di potenza - interruttori digitali in silicio che massaggiano il flusso di elettricità dalla macchina - ha ulteriormente migliorato il design di base. In precedenza, il rotore della turbina veniva mantenuto a una velocità di rotazione costante in modo che la sua uscita di corrente alternata fosse sincronizzata con la rete elettrica; i nuovi dispositivi mantengono la sincronizzazione consentendo al rotore di accelerare e rallentare liberamente con il vento. Se si ottiene una raffica, il rotore può accelerare invece di restare seduto lì e ricevere la forza bruta del vento, afferma Manwell.

La padronanza di tali ceppi ha permesso al design danese di crescere sempre più grande. Considerando che all'inizio degli anni '80 una tipica macchina commerciale aveva una lunghezza della lama di 12,5 metri e poteva produrre 50 kilowatt, sufficienti per circa una dozzina di case, le lame più grandi di oggi si estendono per 80 metri e producono due megawatt; una singola macchina può alimentare più di 500 case.

La sfida più recente per il design danese è trovare il modo per resistere all'ambiente offshore corrosivo e gravoso, dove possono passare mesi prima che un meccanico possa salire a bordo in sicurezza e riparare una turbina. Vestas, per esempio, sta dotando le sue turbine di sensori su ciascuno dei loro componenti per rilevare l'usura e sistemi di backup per intervenire in caso, ad esempio, di un guasto all'elettronica di potenza.

L'approccio di Vestas sarà messo alla prova quest'estate, quando il fornitore di energia danese inizia a installare 80 macchine Vestas in acque poco profonde da 14 a 20 chilometri al largo della costa danese. Sarà il più grande parco eolico offshore del mondo, che alimenterà fino a 150.000 famiglie danesi.

Ombre del vento

Questi aggiornamenti renderanno le turbine grandi e pesanti più affidabili, ma non si sommano a un cambiamento fondamentale nell'economia dell'energia eolica. Nazioni come la Danimarca e la Germania sono disposte a pagare per l'energia eolica in parte perché i combustibili fossili sono molto più costosi in Europa, dove tasse più elevate coprono i costi ambientali e sanitari associati alla loro combustione. (Circa il 20 percento dell'energia danese proviene dal vento.) Ma affinché l'energia eolica sia veramente competitiva in termini di costi rispetto ai combustibili fossili negli Stati Uniti, la tecnologia deve cambiare.

Ciò che rende il design Rocky Flats di Wind Turbine una tale partenza non sono solo le sue pale incernierate, ma anche il loro orientamento sottovento. Il design danese è rivolto verso le pale contro il vento e le rende pesanti in modo che non si pieghino all'indietro e sbattano contro la torre. Il design della turbina eolica non può affrontare il vento: le pale incernierate colpirebbero la torre, quindi il rotore è posizionato sottovento. Infine, utilizza due lame, anziché le tre del design tradizionale, per ridurre ulteriormente il peso.

I progressi nella modellazione al computer di forze pericolose come le vibrazioni hanno aiutato lo sviluppo del progetto. Le lame flessibili aggiungono una dimensione extra al movimento della macchina; lo stesso vale per il fatto che l'intera macchina può ruotare liberamente con il vento. (I design tradizionali sono guidati per affrontare il vento, quindi bloccati in posizione.) Prevedere, rilevare e prevenire disastri, come i venti in rapido cambiamento che fanno oscillare un rotore controvento e inviano le sue pale flessibili nella torre, sono sfide di controllo anche con il miglior design. Se non lo fai bene, la macchina può letteralmente picchiarsi a morte, afferma Ken Deering, vice presidente dell'ingegneria di Wind Turbine.

Due anni fa, quando il prototipo di Wind Turbine fu eretto a Rocky Flats, c'era il timore che anche questa macchina si sarebbe picchiata a morte. Thresher dice che alcuni membri del suo staff temevano che la macchina, come i suoi predecessori degli anni '80, non sarebbe sfuggita a lungo al mucchio di rottami. Oggi, nonostante alcune piccole battute d'arresto, quei dubbi stanno svanendo.

Incoraggiata dal suo successo iniziale, Wind Turbine ha installato, vicino a Lancaster, in California, un secondo prototipo, con una luce delle pale più grande di 48 metri. Entro la fine di quest'anno, l'azienda prevede di aumentare la lunghezza della lama su questa macchina a una dimensione commerciale di 60 metri. Inoltre, questo nuovo prototipo ha una torre più sottile, volta a ridurre il rumore sordo, noto come ombra del vento, che può verificarsi ogni volta che una lama attraversa l'area di aria turbolenta dietro la torre. E con il suo peso più leggero, la turbina potrebbe essere montata in cima a torri più alte, raggiungendo venti più veloci.

bonaccia

Nonostante i progressi tecnologici, tuttavia, l'industria dell'energia eolica deve ancora affrontare ostacoli significativi, a cominciare dall'incerta sostegno politico negli Stati Uniti. In Europa, l'energia eolica è già una vendita relativamente facile. Ma negli Stati Uniti, gli sviluppatori eolici fanno affidamento su crediti d'imposta federali per realizzare un profitto. Questi crediti vitali affrontano l'opposizione cronica delle potenti lobby del petrolio e del carbone e spesso scadono. L'industria dell'energia eolica si è affrettata a collegare le sue turbine prima che questi crediti scadessero alla fine dello scorso anno, poi è andata in letargo per i tre mesi necessari al Congresso degli Stati Uniti per rinnovarle. Il Congresso ha esteso i crediti fino alla fine del prossimo anno, avviando quello che probabilmente sarà l'ennesimo ciclo di sviluppo start-and-stop.

Un secondo ostacolo a un'ampia adozione è il vento stesso. Può essere gratuito e ampiamente accessibile, ma è anche frustrantemente incoerente. Basta chiedere a qualsiasi marinaio. E questa volubilità si traduce in una produzione di energia intermittente. Più turbine vengono costruite, più la loro intermittenza complicherà la pianificazione e la gestione di grandi flussi di energia attraverso le reti elettriche regionali e nazionali. In effetti, nel Texas occidentale, un recente boom nella costruzione di turbine eoliche sta mettendo a dura prova le linee di trasmissione della regione e produce anche energia non sincronizzata con le esigenze locali: il vento soffia durante le notti fresche e si blocca nelle giornate calde quando le persone hanno più bisogno di elettricità.

Le utility del Texas stanno risolvendo il problema espandendo le linee di trasmissione. Ma per catturare davvero il valore dell'energia eolica su larga scala, sono necessari nuovi approcci per immagazzinare l'energia eolica quando viene prodotta e rilasciarla quando necessario. L'Electric Power Research Institute, un consorzio di ricerca e sviluppo finanziato da utility a Palo Alto, in California, sta conducendo ricerche su come fare previsioni migliori del vento un giorno prima. Ancora più importante, è esplorare modi per immagazzinare energia quando soffia il vento. Dobbiamo pensare alla gestione di un sistema elettrico piuttosto che concentrarci solo sulle turbine eoliche, afferma Chuck McGowin, manager per la tecnologia dell'energia eolica presso l'istituto. Le strutture di stoccaggio ci permetterebbero di utilizzare ciò che abbiamo in modo più efficiente, migliorandone il valore.

Negli Stati Uniti nordoccidentali, un'opzione di stoccaggio sviluppata dalla Bonneville Power Administration, con sede a Portland, OR, bilancia l'energia eolica con l'energia idroelettrica. L'idea è semplice: quando soffia il vento, non far passare l'acqua attraverso le turbine idroelettriche; nei giorni calmi, apri le porte. E la Tennessee Valley Authority sta persino sperimentando l'immagazzinamento di energia in celle a combustibile giganti; un impianto pilota è in costruzione nel Mississippi.

L'energia eolica deve affrontare molti ostacoli, ma ci sono più ragioni che mai per credere che questi ostacoli verranno superati. Le preoccupazioni per gli effetti ambientali della combustione di combustibili fossili e le preoccupazioni politiche per un'eccessiva dipendenza dal petrolio stanno stimolando un boom nella costruzione di turbine eoliche. Ma sono i progressi nella tecnologia stessa, creati da continui e intensi sforzi di ricerca, che potrebbero fornire l'impulso più critico per un maggiore utilizzo dell'energia eolica.

A Rocky Flats, quattro file di turbine di ricerca - un totale di una dozzina di macchine che vanno da caricabatterie da 400 watt a macchine da 600 kilowatt predisposte per la rete - condividono una pianura di 115 ettari disseminata di massi. Con le Montagne Rocciose sullo sfondo, le loro lame si scontrano con le brezze che soffiano dall'El Dorado Canyon a ovest. Almeno, lo fanno per la maggior parte del tempo. Abbiamo molti giorni calmi, in particolare in estate, e per un sito di test è bello avere un mix, dice Thresher.

I giorni calmi possono essere buoni per la ricerca sulle turbine eoliche, ma sono ancora tra le maggiori preoccupazioni che ossessionano la commercializzazione delle turbine eoliche. Sebbene nessuna tecnologia sia in grado di far soffiare il vento, le tecnologie affidabili e a basso costo sembrano pronte ad affrontare la sua volubilità. E questo potrebbe significare che presto una turbina eolica germoglierà in cima a una collina ventilata vicino a te.

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