Turbine eoliche galleggianti in mare aperto

Tenetevi ben aggrappati perché oggi parliamo di vento e … ingegneria sostenibile! Sicuramente saprete che già da qualche anno è aumentata la domanda delle energie rinnovabili (solare, eolico, moto ondoso, geotermico e idrico) nel mercato energetico. Dal periodo di lockdown da COVID-19 questo aumento è diventato addirittura esponenziale.

Sono sempre più richieste tutte quelle tecniche ingegneristiche innovative che permettono di generare energia elettrica da questo tipo di fonti. Si spera che un giorno non ci riferiremo più a loro come “alternative”.

Tralasciamo per un attimo il fattore politico (e polemico trumpiano) che renderebbe scomoda la lettura di un articolo dedicato al “Favoloso mondo della scienza”. Scopriamo insieme, invece, qualcosa di nuovo e interessante sull’ingegneria dell’eolico.

Le turbine e la trasformazione dell’energia

Avrete sicuramente visto, almeno in foto o in televisione, “popolazioni” di turbine (o se preferite pale) eoliche che girano sulle colline o in mare. I panorami che si creano sono una visione futuristica, quasi utopica. Sia in mare che in terra, queste sono saldate al fondale o al terreno grazie a robuste fondamenta costruite appositamente.

Il termine eolico ha origini molto antiche, da Aíolos (ovvero Eolo) il dio greco del vento.

Sono definite anche aerogeneratori, in quanto trasformano l’energia meccanica in energia elettrica necessaria per le attività delle città e le zone abitate.

La distinzione tra questi due tipi di installazioni è anche nei termini tecnici utilizzati, che sono:

• onshore: a terra
• offshore: a distanza dalla costa, in alto mare.

In generale, l’energia del vento viene catturata dalle pale eoliche che, muovendosi in moto rotatorio, trasferiscono questa energia all’albero meccanico di un generatore asincrono. Queste macchine (delle quali abbiamo parlato nel nostro articolo su Tesla) trasformano l’energia di rotazione in energia elettrica, sostituendo l’usuale compito di motore con quello di generatore.

Per interfacciarsi con la rete, considerando che la velocità delle turbine è variabile, gli aerogeneratori hanno bisogno di un convertitore AC/DC/AC (detto anche back-to-back).

La velocità di rotazione incide sulla frequenza elettrica delle grandezze di turbina: se lei è variabile allora anche la frequenza lo è. Il collegamento fa in modo che la frequenza della turbina eolica sia riportata ai 50 Hz della frequenza di rete, necessari per un corretto funzionamento.

Una volta usciti dal convertitore, si arriva a un trasformatore elevatore che ci porta all’alta tensione della rete di trasmissione. Tutta la strumentazione si trova, solitamente, ai piedi della pala eolica, per rapido accesso e manutenzione. Una volta connessa alla rete, la turbina eolica fornisce a tutti gli effetti energia al nostro sistema elettrico.

I limiti dell’eolico

Il problema principale delle turbine eoliche è che la loro capacità di produrre energia è legata ai fenomeni meteorologici. Questi sono intermittenti e, in generale, non programmabili.

Il vento, ossia il movimento di una massa d’aria da una zona ad alta pressione a una a bassa pressione, è un fenomeno non facile da sfruttare appieno.

Per questo motivo, per aumentarne l’efficacia, sarebbe necessario affiancare alla struttura strumenti di accumulo energetico (come ad esempio delle batterie). In questo modo, eventuale energia prodotta in eccesso potrebbe essere “stoccata” per poi essere utilizzata in momenti in cui la produzione è al minimo.

L’eolico rimane, tuttavia, una delle fonti rinnovabili più promettenti dal momento che ha la capacità di rigenerarsi di continuo “spontaneamente”.

L’evoluzione tecnologica e quella ingegneristica hanno permesso di realizzare queste piattaforme e di renderne possibile installazione e attivazione. Le turbine possono diventare un’ottima alternativa alle fonti esauribili della Terra (metano, petrolio e carbone), dando energia a case e edifici nell’entroterra.

Il limite più grande della tecnologia eolica offshore è il posizionamento degli impianti in acque profonde. Proprio per questo motivo è stata sviluppata la loro alternativa galleggiante.

La nuova frontiera: i parchi eolici

Dopo ben 40 anni di esperienza nelle piattaforme eoliche, nel 2015, la Scozia ha deciso di incentivare un progetto ambizioso: creare il parco eolico marino galleggiante più grande al mondo!

La centrale Hywind ha iniziato a produrre energia elettrica per ben 22 mila famiglie, nella zona nord-orientale, di fronte alla città di Peterhead.

Il parco è caratterizzato da 6 turbine galleggianti alte 253 metri, ognuna con una capacità di 6 MW per un totale di 30 MW. Sono ancorate con tre ancore al fondale e allacciate alla rete che trasporta l’elettricità a terra, sulla costa scozzese. Una parte dell’energia prodotta viene accumulata in batterie ad hoc installate a terra. Queste riescono ad accumulare fino a 1 MWh (mega watt ora) di elettricità.

Questa energia verrebbe utilizzata quando il prezzo della tradizionale energia elettrica salirebbe alle stelle.

Diamo un po’ di numeri, nel senso buono.

Le turbine sono alte 253 metri, di cui “solamente” 78 sopra la superficie, e occupano un’area di circa 4 chilometri quadrati. I parchi sono realizzati su fondali che vanno da 95 a 120 metri di profondità. Inoltre, le catene che le tengono ancorate al fondo del mare hanno un peso di 1200 tonnellate.

Per i più curiosi e masticatori dell’ingegneria eolica, nel video qui sotto potete saperne di più sulla tecnica di funzionamento delle pale della piattaforma scozzese.

Immaginate questi piloni altissimi in mezzo al mare, per di più in movimento ondulatorio durante una tempesta. Dei colossi moderni che evocano un’immagine suggestiva quanto minacciosa.

Non è solo l’Europa, tuttavia, a incentivare progetti così ambiziosi. In Giappone, sempre nel 2015, il consorzio di ingegneria eolica di Fukushima ha presentato il progetto dimostrativo del parco eolico galleggiante più potente al mondo. Il Fukushima FORWARD è il primo parco eolico galleggiante al mondo composto da turbine eoliche galleggianti da 2MW, 5MW, e 7MW.

L’altezza del parco a Fukushima è di oltre 104 metri e il particolare design della piattaforma offshore permette alla turbina di muoversi senza essere danneggiata in caso di condizioni atmosferiche avverse. Questo grazie a delle catene che collegano la struttura all’ancoraggio, da 20 tonnellate, sul fondale.

Le turbine e gli ancoraggi sono, infatti, stati progettati per resistere persino a onde di 20 metri!

Un futuro certo

Si presume che le turbine eoliche offshore avranno vita felice nei prossimi anni. Sono, infatti, molto richieste per motivi di sostenibilità ambientale, per quindi generare energia da fonti rinnovabili, e sono anche richieste perché diverranno via via più economiche, grazie alla crescente domanda.

Sicuramente i costi di mantenimento e monitoraggio saranno elevati, ma lo sono anche gli investimenti economici per software innovativi per regolare galleggiamento e velocità di rotazione delle pale. Questi, infatti, devono essere in grado di adattare le spinte della struttura a quelle di:

• Onde marine sottostanti
• Correnti oceaniche
• Vento (ovviamente)

Oltre alla Scozia e il Giappone, anche paesi come la Francia, Norvegia, Portogallo e altri hanno avviato esperimenti di turbine eoliche galleggianti sulle loro coste, questo dimostra come si sta ampliando velocemente il mercato energetico in questa direzione alternativa.

Curiosità

In Olanda si sta progettando un Luna Park “eolico”, dove sarà possibile roteare o lasciarsi cadere dalle pale eoliche, come per la torre a caduta libera dei parchi dei divertimenti (che tra l’altro sono alte SOLO 60 metri).

 

Ringrazio Matteo Ricciardi per il suo contributo negli approfondimenti tecnici dell’articolo che avete appena letto. 

Fonti

Eolico in Scozia – Green.it [ita]

Floating offshore energy – AS Mosley [eng]

Fukushima offshore – fukushima-forward.jp [eng]

Offshore wind farm – GE News [eng]

Yazdani, A., & Iravani, R. (2010). Voltage-sourced converters in power systems: modeling, control, and applications. John Wiley & Sons.