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{{Sorgenti di energie rinnovabili}}

L''''energia eolica''' è la conversione dell'[[energia]] del vento in una forma utilizzabile di energia, generalmente con [[aerogeneratori]] che producono energia elettrica, con [[mulini a vento]] che producono [[energia meccanica]], [[pompe a vento]] che pompano l'acqua o le vele che spingono del navi.

[[File:Centrale Eolica Frigento.jpg|thumb|Impianto eolico a [[Frigento]].]]

L''''energia eolica''' è la conversione dell'[[energia]] del vento in una forma utilizzabile di energia, generalmente con [[aerogeneratori]] che producono energia elettrica, con [[mulini a vento]] che producono [[energia meccanica]], [[pompe a vento]] che pompano l'acqua o le vele che spingono del navi.

Grandi parchi eolici sono costituiti da centinaia di singoli aerogeneratori collegati alla rete di trasmissione di energia elettrica. L'[[eolico offshore]] è più stabile, fornisce più energia e possiede un minor impatto visivo, tuttavia i costi di realizzazione e manutenzione sono notevolmente più alti. Piccoli impianti eolici onshore forniscono elettricità a luoghi isolati. Le società elettriche acquistano sempre di più elettricità in eccesso prodotta da piccoli aerogeneratori domestici. [1]

Grandi [[parco eolico|parchi eolici]] sono costituiti da centinaia di singoli aerogeneratori collegati alla rete di [[trasmissione di energia elettrica]]. L'[[eolico offshore]] è più stabile, fornisce più energia e possiede un minor impatto visivo, tuttavia i costi di realizzazione e manutenzione sono notevolmente più alti. Piccoli impianti eolici onshore forniscono elettricità a luoghi isolati. Le società elettriche acquistano sempre di più elettricità in eccesso prodotta da piccoli aerogeneratori domestici. [1]

L'energia eolica, come alternativa ai [[combustibili fossili]], è abbondante, rinnovabile, ampiamente distribuita, pulita, non produce emissioni di [[gas serra]] durante il funzionamento e richiede una superficie non eccessivamente elevata.[2] Gli effetti sull'ambiente sono in genere meno problematici rispetto a quelli provenienti da altre fonti di energia. A partire dal 2011, la [[Danimarca]] sta generando più di un quarto della sua energia elettrica dal vento e 83 paesi di tutto il mondo utilizzano l'energia eolica commercialmente.[3] Nel 2010 la produzione di energia eolica è stata di oltre il 2,5% su tutto il consumo elettrico mondiale, con una crescita stimata del 25% annuo. Il costo monetario per unità di energia prodotta è simile al costo rapportabile ai nuovi impianti a gas naturale e a carbone.[4]

L'energia eolica, come alternativa ai [[combustibili fossili]], è abbondante, [[Energie rinnovabili|rinnovabile]], ampiamente distribuita, pulita, non produce emissioni di [[gas serra]] durante il funzionamento e richiede una superficie non eccessivamente elevata.[2] Gli effetti sull'ambiente sono in genere meno problematici rispetto a quelli provenienti da altre fonti di energia. A partire dal 2011, la [[Danimarca]] sta generandogenera più di un quarto della sua energia elettrica dal vento e 83 paesi di tutto il mondo utilizzano l'energia eolica commercialmente.[3] Nel 2010 la produzione di energia eolica è stata di oltre il 2,5% su tutto il consumo elettrico mondiale, con una crescita stimata del 25% annuo. Il costo monetario per unità di energia prodotta è simile al costo rapportabile ai nuovi impianti a [[gas naturale]] e a [[carbone]].[4]

L'energia eolica è una fonte stabile di anno in anno, ma ha una variazione significativa su scale di tempo più brevi. L'intermittenza del vento crea raramente problemi quando essa viene utilizzata per fornire fino al 20% della domanda totale di energia elettrica,[5] ma se la richiesta è superiore vi è necessità di aggiornamenti alla rete di distribuzione e una ridotta capacità di soppiantare la produzione convenzionale.[6] Alcune metodi per la gestione della potenza prodotta, come quella di possedere sistemi di stoccaggio (come stazioni di pompaggio), turbine geograficamente distribuite, fonti alternative, accordi di esportazione e importazione di energia per le aree limitrofe o ridurre la domanda quando la produzione eolica è bassa, possono ridurre notevolmente questi problemi.[7] Inoltre, le previsioni del tempo consentono alla rete elettrica di essere preparata tempestivamente a seconoda delle vairiazione previste nella produzione. [8] [9]

L'energia eolica è una fonte stabile di anno in anno, ma ha una variazione significativa su scale di tempo più brevi. L'intermittenza del vento crea raramente problemi quando essa viene utilizzata per fornire fino al 20% della domanda totale di energia elettrica,[5] ma se la richiesta è superiore vi è necessità di aggiornamenti alla rete di distribuzione e una ridotta capacità di soppiantare la produzione convenzionale.[6] Alcune metodi per la gestione della potenza prodotta, come quella di possedere sistemi di stoccaggio (come stazioni di pompaggio), turbine geograficamente distribuite, fonti alternative, accordi di esportazione e importazione di energia per le aree limitrofe o ridurre la domanda quando la produzione eolica è bassa, possono ridurre notevolmente questi problemi.[7] Inoltre, le previsioni del tempo consentono alla rete elettrica di essere preparata tempestivamente a seconodaseconda delle vairiazionevariazione previste nella produzione. [8] [9]

==Storia==

[[File:Fourteenth century windmill.png|thumb|left|Raffigurazione medioevale di un mulino a vento]]

Per migliaia di anni, barche a vela e velieri hanno utilizzato l'energia eolica mentre gli architetti hanno usato la ventilazione naturale negli edifici fin dai tempi antichi. L'uso del vento per fornire energia meccanica è tuttavia iniziato un po' più avanti nella storia. La ruota a vento progettata dall'ingegnere Heron greca di Alessandria nel 1° secolo dC, è il primo esempio noto per utilizzare l'energia eolica per alimentare una macchina. [10] [11]

[[File:SKMBT_C55007120513590-2.JPG|thumb|left|Mulino a vento cinese]]

La prima forma di sfruttamento dell'energia eolica fu, fin dalla [[preistoria]], la [[propulsione]] [[nave|navale]] con l'utilizzo nelle [[vela (sistema di propulsione)|vele]] per barche e navi.

I primi mulini a vento furono in uso in Iran almeno dal 9° secolo e forse già dal 7° secolo. [12] L'impiego di mulini a vento si diffuse subito dopo in tutto il Medio Oriente e nell'Asia centrale e più tardi anche in Cina e in India.[13] Si ha notizia che, a partire dal 1000 dC, i mulini a vento furono utilizzati per pompare acqua di mare per estrarre il sale sia in Cina che in Sicilia.[14] A partire dal 1180 furono ampiamente utilizzati in Europa nord-occidentale per macinare la farina, [13] mentre le pompe a vento furono utilizzate per drenare i terreni per l'agricoltura e per l'edilizia. [15] I primi immigrati nel Nuovo Mondo portarono con loro queste tecnologie. [15]

I primi [[mulino a vento|mulini a vento]] apparvero in Asia ([[Persia]], [[Mesopotamia]]) nel II o nel III millennio a.C., per diffondersi più tardi anche in Europa. L'energia eolica veniva sfruttata per trasportare acqua o per muovere macine e triturare i [[cereali]], in particolare in Olanda era utilizzata per pompare l'acqua dei ''[[polder]]'' (che sono delle parti di terra sotto il livello del mare), migliorando notevolmente il drenaggio dopo la costruzione delle [[Diga|dighe]]. I mulini olandesi erano i più grandi del tempo, divennero e rimasero il simbolo della nazione. Questi mulini erano formati da telai in legno sui quali era fissata la tela che formava così delle vele spinte in rotazione dal vento; l'asse di rotazione era orizzontale, come per quasi tutti i mulini europei (i mulini cinesi avevano invece, in genere, asse di rotazione verticale).

Negli Stati Uniti, lo sviluppo delle pompe a vento fu il fattore principale per permettere la coltivazione e l'allevamento in vaste aree altrimenti prive di acqua facilmente accessibile [16]. Queste pompe contribuirono inoltre all'espansione della rete ferroviaria mondiale, grazie ai sistemi di pompggio dai pozzi necessari per fornire l'indispensabile acqua per le locomotive a vapore. La turbina eolica a più pale posizionata in cima a una torre in legno o in acciaio, fu per oltre un secolo una presenza fissa nei panorami dell'America rurale. [17]

Negli [[anni 1970|anni settanta]] l'aumento dei costi energetici ha ridestato l'interesse per le macchine che utilizzano la forza del vento; così, molte nazioni hanno aumentato i fondi per la ricerca e lo sviluppo dell'energia eolica.

Nel 1881, Lord Kelvin propose di usare l'energia eolica quando "il carbone fosse finito". [18] Nello stesso periodo fu proposto anche lo sfruttamento dell'energia solare.[19]

Per quanto riguarda la propulsione a vela, essa continua a trovare applicazione nelle imbarcazioni di piccola taglia ([[barca a vela|barche a vela]]) ma sono stati compiuti anche alcuni esperimenti di moderne navi a vela di grandi dimensioni (p.es. Skysails<ref>[http://www.skysails.info/english/skysails-marine/skysails-propulsion-for-cargo-ships/ SkySails GmbH&nbsp;-&nbsp;SkySails Propulsion for Cargo Ships]</ref>). Anche la tecnologia degli [[aliante|alianti]] ha molto perfezionato lo sfruttamento dell'energia del vento, in particolare delle [[corrente ascensionale|correnti ascensionali]].

===Potenza elettrica===

Tuttavia, a parte queste applicazioni specifiche, l'interesse generale si è concentrato sullo sfruttamento dell'energia eolica per mezzo di [[girante|giranti]] e, quasi sempre, nella sua immediata trasformazione in [[energia elettrica]]. Le apparecchiature che combinano questi due aspetti vengono chiamate [[aerogeneratore|aerogeneratori]].

Nel luglio 1887, un accademico scozzese, il professor James Blyth, costruì una turbina eolica nel giardino della sua casa delle vacanze a Marykirk e utilizzò l'energia elettrica prodotta per ricaricare gli accumulatori che alimentavano le luci nel suo cottage. [20 ] I suoi esperimenti portarono, nel 1891, alla formalizzazione di un brevetto.[21] Durante l'inverno del 1887-1888, l'inventore statunitense Charles F. Brush produsse energia elettrica utilizzando un generatore alimentato dal vento che fornì la sua casa e il suo laboratorio fino al 1900. Nel 1890, lo scienziato e inventore danese Poul la Cour, costruì turbine eoliche per produrre energia elettrica, che venne poi utilizzata per la produzione di idrogeno e ossigeno per elettrolisi.[21] La Cour fu il primo a capire che la rotazione veloce delle turbine con un minor numero di pale del rotore era la soluzione più efficiente nella produzione di energia elettrica. Nel 1904 fondò la Compagnia Elettrica del Vento.[22]

Limitandoci all'uso dell'energia eolica come fonte di energia elettrica, tra il 2000 e il 2006, la capacità mondiale installata è quadruplicata. Nel 2005 la nuova potenza installata è stata di 11.000 [[megawatt]], nel 2006 di 15.000 e nel 2007 di 20.000 megawatt. Nonostante la [[Crisi economica del 2008|crisi economica]], il 2008 è stato un anno record per l'energia eolica, con oltre 27.000 megawatt di nuova potenza installata in tutto il mondo. Da allora una grande crescita esponenziale ha portato ad avere già alla fine del 2008 una potenza cumulata totale di oltre 120 [[gigawatt]], producendo elettricità pari ad oltre l'1,5% del fabbisogno mondiale di energia<ref>{{en}} {{cita web|url= http://www.wwindea.org/home/index.php?option=com_content&task=view&id=223&Itemid=40|titolo= 120 Gigawatt of wind turbines globally contribute to secure electricity generation|accesso= 14-03-2010}}</ref>, e si prevede che ogni tre anni si possa incrementare di 1 punto percentuale la copertura del fabbisogno mondiale di energia tramite questa fonte di energia.

Verso la metà degli [anni 1920]], alcune aziende come la Parris-Dunn e Jacobs Vento-elettrico realizzarono turbine tra gli 1 e i 3 kilowatt[18] che trovarono una larga diffusione nelle grandi pianure dell'Ovest degli Stati Uniti. Tuttavia, a partire dagli anni 1940 la domanda sempre crescente di potenza elettrica e la diffusione di una rete di distribuzione più capillare, rese questi piccoli generatori obsoleti. [23]

[[File:Molen De Hoop Garderen.jpg|thumb|Un tipico [[mulino a vento]] nei [[Paesi Bassi]]]]

Nel 1931 l'ingegnere aeronautico francese, George Darrieus, ottenne il brevetto per la turbina eolica Darrieus che utilizzava profili alari per generare la rotazione[24] e un prototipo da 100 kW di generatore eolico orizzontale moderno fu installato a Yalta, in Urss. Nel 1956 Johannes Juul, un ex studente di La Cour, realizzò una turbina da 200 kW a tre pale a Gedser in Danimarca. Questo progetto influenzò il design di molte turbine successive. [22]

Per migliaia di anni, [[barche a vela]] e [[velieri]] hanno utilizzato l'energia eolica mentre gli [[architetti]] hanno usato la ventilazione naturale negli edifici fin dai tempi antichi. L'uso del vento per fornire [[energia meccanica]] è tuttavia iniziato un po' più avanti nella storia. La ruota a vento progettata dall'ingegnere greco [[Heron greca di Alessandria]] nel [[1° secolo dC,]] è il primo esempio noto per utilizzare l'energia eolica per alimentare una macchina. [10] [11]

Nel 1975 gli Stati Uniti Dipartimento di Energia ha finanziato un progetto per sviluppare turbine eoliche utilità scala. Le turbine eoliche NASA progetto costruito tredici turbine sperimentali che hanno aperto la strada per gran parte della tecnologia utilizzata oggi. [22] Da allora, le turbine hanno aumentato notevolmente di dimensioni con la Enercon E-126 in grado di erogare fino a 7,5 megawatt (MW). [nb 1] [25] La produzione Turbina eolica è esteso a molti paesi e si prevede che l'energia eolica a crescere in tutto il mondo nel XXI secolo.

I primi [[mulini a vento]] furono in uso in [[Iran]] almeno dal 9° secolo e forse già dal 7° secolo. [12] L'impiego di mulini a vento si diffuse subito dopo in tutto il [[Medio Oriente]] e nell'[[Asia centrale]] e più tardi anche in [[Cina]] e in [[India]].[13] Si ha notizia che, a partire dal 1000 dC, i mulini a vento furono utilizzati per pompare acqua di mare per estrarre il sale sia in Cina che in [[Sicilia]].[14] A partire dal 1180 furono ampiamente utilizzati in Europa nord-occidentale per macinare la farina, [13] mentre le pompe a vento furono utilizzate per drenare i terreni per l'agricoltura e per l'edilizia. [15] I primi immigrati nel [[Nuovo Mondo]] portarono con loro queste tecnologie. [15]

Negli [[Stati Uniti]], lo sviluppo delle pompe a vento fu il fattore principale per permettere la coltivazione e l'allevamento in vaste aree altrimenti prive di acqua facilmente accessibile [16]. Queste pompe contribuirono inoltre all'espansione della [[ferrovia|rete ferroviaria]] mondiale, grazie ai sistemi di pompggiopompaggio dai pozzi necessari per fornire l'indispensabile acqua per le [[locomotive a vapore]]. La turbina eolica a più pale posizionata in cima a una torre in legno o in acciaio, fu per oltre un secolo una presenza fissa nei panorami dell'America rurale. [17]

Nel 1881, [[Lord Kelvin]] propose di usare l'energia eolica quando "il carbone fosse finito". [18] Nello stesso periodo fu proposto anche lo sfruttamento dell'energia solare.[19]

===I primi sfruttamenti per generare potenza elettrica===

[[File:James Blyth's 1891 windmill.jpg|thumb|left|La turbina eolica di Blynth.]]

Nel luglio 1887, un accademico scozzese, il professor [[James Blyth]], costruì una turbina eolica nel giardino della sua casa delle vacanze a Marykirk e utilizzò l'energia elettrica prodotta per ricaricare gli accumulatori che alimentavano le luci nel suo ''cottage''. [20 ] I suoi esperimenti portarono, nel 1891, alla formalizzazione di un [[brevetto]].[21] Durante l'inverno del 1887-1888, l'inventore statunitense [[Charles F. Brush]] produsse energia elettrica utilizzando un generatore alimentato dal vento che fornì la sua casa e il suo laboratorio fino al 1900. Nel 1890, lo scienziato e inventore danese [[Poul la Cour]], costruì turbine eoliche per produrre energia elettrica, che vennevennero poi utilizzatautilizzate per la produzione di [[idrogeno]] e [[ossigeno]] per [[elettrolisi]].[21] La Cour fu il primo a capire che la rotazione veloce delle turbine con un minor numero di pale del rotore era la soluzione più efficiente nella produzione di energia elettrica. Nel 1904 fondò la Compagnia''Society Elettricaof delWind VentoElectricians''.[22]

Verso la metà degli [[anni 1920]], alcune aziende come la Parris-Dunn e Jacobs Vento-elettrico realizzarono turbine tra gli 1 e i 3 kilowatt[18] che trovarono una larga diffusione nelle grandi pianure dell'Ovest degli Stati Uniti. Tuttavia, a partire dagli anni 1940 la domanda sempre crescente di potenza elettrica e la diffusione di una rete di distribuzione più capillare, rese questi piccoli generatori obsoleti. [23]

Nel 1931 l'ingegnere aeronautico francese, [[George Darrieus]], ottenne il brevetto per la [[turbina eolica Darrieus]] che utilizzava profili alari per generare la rotazione[24] e un prototipo da 100 kW di generatore eolico orizzontale moderno fu installato a [[Yalta]], in [[Urss]]. Nel 1956 [[Johannes Juul]], un ex studente di La Cour, realizzò una turbina da 200 kW a tre pale a Gedser in Danimarca. Questo progetto influenzò il design di molte turbine successive. [22]

Nel 1975 gliil Stati[[Dipartimento Unitidell'Energia Dipartimentodegli diStati EnergiaUniti d'America]] ha finanziato un progetto per sviluppare turbine eoliche utilità scala. Le turbine eoliche NASA progetto costruito tredici turbine sperimentali che hanno aperto la strada per gran parte della tecnologia utilizzata oggi. [22] Da allora, le turbine hanno aumentato notevolmente di dimensioni con la [[Enercon E-126]] in grado di erogare fino a 7,5 megawatt (MW). [nb 1] [25] La produzione Turbina eolica è esteso a molti paesi e si prevede che l'energia eolica a crescere in tutto il mondo nel [[XXI secolo]].

==L'energia eolica==

[[File:United States Wind Resources and Transmission Lines map.jpg|thumb|330px|left|Map of available wind power for the [[Wind power in the United States|United States]]. Color codes indicate wind power density class. (click to see larger)]]

Energia eolica è l'energia cinetica prodotta dall'aria in movimento, solitamente prende il nome di vento. il totale di energia eolica che fluisce attraverso una superficie immaginaria A durante il tempo t è:

Energia eolica è l'[[energia cinetica]] prodotta dall'aria in movimento, e solitamente prende il nome di vento. ilIl totale di energia eolica che fluisce attraverso una superficie immaginaria A durante il tempo t è:

E = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (Avt \ rho) v ^ 2 = \ frac {1} {2} A \ rho v ^ 3, [26]

:<math>E = \frac{1}{2}mv^2 = \frac{1}{2}(Avt\rho)v^2 = \frac{1}{2}At\rho v^3,</math><ref name=physics>{{cite web|url=https://dspace.lasrworks.org/bitstream/handle/10349/145/fulltext.pdf |title=Harvesting the Wind: The Physics of Wind Turbines |format=PDF |date= |accessdate=2013-01-11}}</ref>

dove ρ è la densità dell'aria, v è la velocità del vento; Avt è il volume di aria che passa attraverso A (che è considerato perpendicolare alla direzione del vento); Avtρ è quindi la massa m che passa per l'unità di tempo. Notare che ½ ρv2 è l'energia cinetica dell'aria in movimento per unità di volume.

dove ρ è la [[densità]] dell'aria, v è la [[velocità]] del vento; Avt è il [[volume]] di aria che passa attraverso A (che è considerato perpendicolare alla direzione del vento); Avtρ è quindi la [[massa]] m che passa per l[['unità di tempo]]. Notare che ½ ρv2 è l'energia cinetica dell'aria in movimento per unità di volume.

La potenza è l'energia per unità di tempo, per l'energia eolica incidente su A (ad esempio uguale all'area del rotore di una turbina eolica) è:

La [[potenza]] è l'energia per unità di tempo, per l'energia eolica incidente su A (ad esempio uguale all'area del rotore di una turbina eolica) è:

P = \ frac {E} {t} = \ frac {1} {2} A \ rho v ^ 3. [26]

:<math>P = \ frac {E} {t} = \ frac {1} {2} A \ rho v ^ 3.</math><ref name=physics [26]/>

L'energia eolica in una corrente d'aria aperta è quindi proporzionale alla terza potenza della velocità del vento: la potenza disponibile aumenta quindi di otto volte se la velocità del vento raddoppia. Turbine eoliche per la produzione di energia elettrica devono quindi essere particolarmente efficienti a una maggiore velocità del vento.

Il [[vento è]] il movimento dell'aria sulla superficie terrestre, tra zone di [[alta pressione]] e [[bassa pressione]]. [27] La ​​superficie della Terra è riscaldata in modo non uniforme dal [[Sole]], a seconda di fattori come l'angolo di incidenza dei suoi raggi sulla superficie (che differisce con la latitudine e l'ora del giorno) e se la zona è aperta o fitta di vegetazione. Inoltre, grandi masse d'acqua, come ad esempio gli [[oceani]] si riscaldano e si raffreddano più lentamente della terra. Le differenze di temperature quindi generano differenze di pressione. La presenza di due punti con differente pressione atmosferica origina una forza, detta forza del gradiente di pressione o [[forza di gradiente]], che agisce premendo sulla massa d'aria per tentare di ristabilire l'equilibrio e dunque dado luogo al fenomeno del vento. La rotazione della Terra, inoltre, trascina l'atmosfera intorno ad essa causando turbolenze ([[Forza di Coriolis]]). Questi effetti si combinano portando ad ad una costante variabilità dei venti. [27]

La quantità totale di energia economicamente estraibile dal vento è molto maggiore rispetto a quella attualmente fornibile da tutte le altre fonti. [28] Axel Kleidon del ''[[Max Planck Institute]]'' in [[Germania]], ha effettuato una il calcolo della quantità di energia eolica disponibile in toto, concludendo che potrebbero essere estratti dai 18 ai 68 TW.[29] Cristina Archer e Mark Z. Jacobson, in un calcolo differente da Kelidon, hanno calcolato che ad un altitudine di 100 metri sopra la le terre e il mare, vi sono 1700 TW di energia eolica. Di questi "tra 72 e 170 TW potrebbe essere estratti in modo pratico ed economicamente competitivo". [29] In seguito le stime si sono ridotte a 80 TW. 30] Tuttavia una ricerca effettuata presso l'Università di Harvard stima 1 Watt/m² in media e tra i 2 e i 10 MW/km² la capacità per i parchi eolici di grandi dimensioni, il che suggerisce che queste stime del totale delle risorse eoliche mondiali siano troppo alte per un fattore di circa 4.[31]

===Distribuzione della velocità del vento===

[[File:Lee Ranch Wind Speed Frequency.svg|thumb|right|Distribution of wind speed (red) and energy (blue) for all of 2002 at the Lee Ranch facility in Colorado. The histogram shows measured data, while the curve is the Rayleigh model distribution for the same average wind speed.]]

La forza del vento è variabile e un valore medio per un determinato luogo non è in grado di indicare da solo la quantità di energia che potrebbe produrre una turbina eolica lì posizionata. Per valutare la frequenza delle velocità del vento ad una posizione particolare, una funzione di distribuzione di probabilità è spesso usata per descrivere i dati osservati. Luoghi diversi avranno diverse distribuzioni di velocità del vento. Il modello di Weibull rispecchia da vicino l'effettiva distribuzione di ogni ora/dieci minuti la velocità del vento. Il fattore di Weibull è spesso vicino a 2 e quindi una distribuzione di Rayleigh può essere utilizzata come un modello meno accurato ma più semplice. [32]

La forza del vento è variabile e un valore medio per un determinato luogo non è in grado di indicare da solo la quantità di energia che potrebbe produrre una turbina eolica lì posizionata. Per valutare la frequenza delle velocità del vento ad una posizione particolare, una [[funzione di distribuzione di probabilità]] è spesso usata per descrivere i dati osservati. Luoghi diversi avranno diverse distribuzioni di velocità del vento. Il [[distribuzione di Weibull|modello di Weibull]] rispecchia da vicino l'effettiva distribuzione di ogni ora/dieci minuti la velocità del vento. Il fattore di Weibull è spesso vicino a 2 e quindi una [[distribuzione di Rayleigh]] può essere utilizzata come un modello meno accurato ma più semplice. [32]

===Venti d'alta quota===

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==Parchi eolici==

{{vedi anche|Parco eolico}}

Articolo principale: Azienda agricola di vento

Due delle turbine eoliche del Black Law eolico in Scozia

Si definisce [[parco eolico]] un gruppo di turbine eoliche poste nelle vicinanze e utilizzate per la produzione di energia elettrica. Un grande parco eolico può essere composto da diverse centinaia di singoli generatori eolici distribuiti su una estesa superficie, ma la terra tra le turbine può essere utilizzata anche per scopi agricoli o altro. Un parco eolico può anche essere localizzato in mare aperto.

Quasi tutte le grandi turbine eoliche hanno lo stesso disegno - una turbina eolica ad asse orizzontale, con un rotore di bolina con tre lame, collegati a una navicella sulla cima di una torre tubolare. In un parco eolico, le singole turbine sono interconnesse con una linea di media tensione (spesso 34,5 kV) e reti di comunicazione. In una sottostazione la corrente elettrica di media tensione viene poi elevata ad alta tensione con un [[trasformatore]] per poi essere emessa nella rete di distribuzione.

Molti dei più grandi parchi eolici onshore operativi sono situati negli Stati Uniti. A partire dal 2012, l'''Alta Wind Energy Center'' è il più grande parco eolico onshore nel mondo con una produzione di 1020 MW, seguito dai [[pastoriShepherds piattoFlat FattoriaWind del ventoFarm]] (845 MW) e la [[Roscoe Wind Farm]] (781,5 MW). A partire da settembre 2012, il [[Sheringham Shoal Offshore Wind Farm]] e il [[Thanet Wind Farm]] nel [[Regno Unito]] sono i più grandi parchi eolici off-shore del mondo con 317 MW e 300 MW rispettivamente, seguiti da [[Horns Rev II]] (209 MW), in [[Danimarca]].

===L'alimentazione in rete===???

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===Energia eolica offshore===

Articolo principale: l'energia eolica offshore

Veduta aerea del Lillgrund Wind Farm, Svezia

Per energia eolica off-shore ci si riferisce alla costruzione di parchi eolici nei mari per generare elettricità. Queste installazioni possono utilizzare i venti tipici di questi luoghi che sono più frequenti e potenti ed inoltre presentano un minore impatto estetico sul paesaggio terrestre. Tuttavia, i costi di costruzione e manutenzione sono notevolmente superiori. [39] [40] A partire dal 2011, i parchi eolici off-shore appaiono almeno 3 volte più costosi rispetto ai parchi eolici onshore della stessa potenza nominale, [41] ma tuttavia questi costi dovrebbero diminuire con la maturazione della tecnologia.[42]

[[Siemens]] e [[Vestas]] sono i principali produttori di turbine per l'energia eolica offshore. [[DONG Energy]], [[Vattenfall]] e [[E.ON]] sono invece le principali aziendeaziendeoperatrici per quanto riguarda il mercato offshore.[43] A partire da ottobre 2010, 3,16 GW di capacità di energia eolica off-shore era operativa, soprattutto nel Nord Europa. Secondo [[BTM Consult]], più di 16 GW di capacità aggiuntiva saranno installati entro la fine del 2014 e il Regno Unito e la Germania diventeranno i due mercati maggiori. La produzione di energia eolica offshore dovrebbe raggiungere a livello mondiale entro il 2020, un totale di 75 GW, grazie ai significativi contributi da parte di Cina e Stati Uniti. [43]

A partire da settembre 2012, il [[Greater Gabbard eolico]] nel Regno Unito è il più grande parco eolico offshore del mondo con una capacità di 504 MW, seguito dal [[Walney Wind Farm]] (367 MW), anch'esso installato nel Regno Unito. Il [[London Array]] (630 MW) è il più grande progetto in fase di costruzione.

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La capacità mondiale di generazione eolica è più che quadruplicata tra il 2000 e il 2006, raddoppiando circa ogni tre anni. Gli Stati Uniti hanno aperto la strada ai parchi eolici, ma nel 1997 la capacità installata della Germania aveva superato quella statunitense per poi essere tuttavia superata nel 2008. La Cina ha iniziato l'edificazione dei suoi impianti eolici verso la fine del 2000 per poi superare nel 2010 gli Stati Uniti nel 2010 e diventare leader mondiale.

Alla fine del 2012, la capacità mondiale nominale di generatori eolici era di 282 gigawatt (GW), in crescita di 44 GW rispetto all'anno precedente.[44] Secondo la ''World Wind Energy Association'', un'organizzazione di settore, nel 2010 l'energia eolica aveva generato 430 TWh, pari a circa il 2,5% di tutta l'energia elettrica utilizzata a livello mondiale.[48] Nel 2008 essa copriva appena l'1.5% e nel 1997 solo lo 0,1% nel 1997. [49] Tra il 2005 e il 2010 la crescita media annua dei nuovi impianti è stata del 27,6%.[50] La penetrazione dell'energia eolica nel mercato dovrebbe raggiungere il 3,35% entro il 2013 e l'8% entro il 2018.[50][51]

Diversi paesi hanno già raggiunto livelli relativamente elevati, come il 28% della produzione di energia elettrica in Danimarca (2011), [52] il 19% in [[Portogallo]] (2011), [53] il 16% in [[Spagna]] (2011), [54] il 14% in [[Irlanda]] (2010) [55] e l'8% in Germania (2011). [56] A partire dal 2011, 83 paesi di tutto il mondo usavano energia eolica su base commerciale.[3]

Nel 2009 l'Europa possedeva il 48% della capacità mondiale di produzione di energia eolica totale. Nel 2010, la Spagna è diventata il principale produttore europeo, raggiungendo i 42.976 GWh. La Germania tiene il primo posto in Europa in termini di capacità installata, con un totale di 27.215 MW registrati al 31 dicembre 2010. [57]

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Installata eolica previsione di capacità di potenza in tutto il mondo (Fonte: Global Wind Energy Council) [60] [61]

Nel 2010, più della metà di tutta la nuova potenza eolica è stata installata al di fuori dei mercati tradizionali europei e nord americani. CIò è stato dovuodovuto in particolare alla forte crescita di installazioni in Cina che hanno rappresentato quasi la metà dei nuovi impianti eolici. (16,5 GW). [62]

Le cifre ornitefornite dalla [[Global Wind Energy Council]] (GWEC) mostrano che nel 2007 si è registrato un incremento di potenza installata di 20 GW, portando il totale della capacità installata di energia eolica a 94 GW, contro i 74 GW del 2006. Nonostante i vincoli che affrontano le industrie di produzione delle turbine eoliche, il mercato annuale ha continuato a crescere ad un tasso stimato del 37%, dopo una crescita del 32% nel 2006. In termini di valore economico, il settore eolico è diventato uno dei principali attori dei mercati energetici, con una valore totale delle nuove apparecchiature installate nel 2007 di 36 miliardi di dollari.[63]

Anche se l'industria eolica ha risentito della crisi finanziaria globale nel 2009 e del 2010, la crescita ha continuato fino al 2013. Negli ultimi cinque anni la crescita media di nuovi impianti è stata del 27,6% all'anno. La previsione per il 2013 attestava il tasso di crescita annuo medio al 15,7%.[50][51] Più di 200 GW di nuova capacità eolica potrebbero entrare in produzione entro la fine del 2013. Il potere di penetrazione dell'eolico nel mercato dovrebbe raggiungere il 3,35% entro il 2013 e l'8% entro il 2018. [50] [51]

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La valutazione del fattore di capacità è tuttavia influenzata da diversi parametri, tra cui la variabilità del vento nel sito, ma anche dalla dimensione del generatore. Un piccolo generatore sarebbe più economico e in grado di raggiungere un fattore di capacità superiore ma produrrebbe meno elettricità (e quindi meno profitto) nel caso di venti forti. Viceversa, un grande generatore costerebbe più ma nel caso di bassa velocità del vento genererebbe poca potenza, così che un fattore di capacità ottimale sarebbe di circa il 40-50%. [66] [71]

In uno studio del 2008 pubblicato daldallo [Dipartimentostatunitense di''Department Ufficioof EnergiaEnergy's diOffice efficienzaof energeticaEnergy edEfficiency energieand rinnovabiliRenewable negli USA]]Energy'', il fattore di capacità raggiunto dalle turbine eoliche presenti nel paese si è dimostrato di essere in aumento, grazie sopratutto ai miglioramenti tecnologici. Il fattore di capacità raggiunto nel 2010 dalle nuove turbine eoliche ha raggiunto quasi il 40%. [72] [73]

===Penetrazione===

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Un modello di penetrazione dell'energia eolica può essere specificato per diversi periodi di tempo. Su base annua, a partire dal 2011, poche sistemi elettrici possedevano livelli di penetrazione superiori al 5%: Danimarca - 26%, Portogallo - 17%, Spagna - 15%, Irlanda - 14%, e Germania - 9%.[79] Per gli Stati Uniti, nel 2011, il livello di penetrazione è stato stimato introno al 2,9%.[79] Per ottenere un ipotetico 100% annuale dall'energia eolica, sarebbe necessario un sistema di accumulo dell'energia molto esteso. Su base mensile, settimanale, giornaliera o oraria, il vento può essere in grado di il 100% o più dell'uso corrente, con il resto conservato o esportato. L'industria può usufruire dei periodi di scarso utilizzo dell'energia eolica, come di notte quando l'energia prodotta può essere superiore alla domanda. Tali settori industriali possono includere la produzione di [[silicio]], di alluminio, di acciaio o di idrogeno. La produzione di quest'ultimo può permettere, grazie ad una sua successiva riconversione nelle celle a combustibile, uno stoccaggio dell'energia a lungo termine, facilitando il raggiungimento del 100% di produzione di energia da fonti rinnovabili. [80] [81]

La ''[[General EletrciElectric]]'' ha installato un prototipo di turbina eolica con una batteria integrata equivalente a 1 minuto di produzione. Nonostante la piccola capacità, si è resa sufficiente per garantire una potenza costante, indipendentemente dalla condizioni atmosferiche. Una maggior prevedibilità dei consumi e delle condizioni meteo, possono portare a rendere conveniente una penetrazione da parte dell'energia eolica fino al 30%-40%. Il costo della batteria può essere ripagato con la vendita di energia su richiesta e sulla riduzione del fabbisogno di ricorrere a impianti a gas di supporto.[83]

===Variabilità===

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La produzione di energia elettrica tramite lo sfruttamento del vento, può essere altamente variabile su diverse scale temporali: oraria, giornaliera o stagionale. Variazioni annuali possono anche verificarsi, ma non sono così significative.

Poiché la la generazione istantanea di energia elettrica e i consumi devono rimanere in equilibrio per mantenere la stabilità della rete, questa variabilità può presentare difficoltà considerevoli per integrare grandi quantità di energia eolica in un sistema strutturato. L'Intermittenza della produzione può comportare costi aggiuntivi per la regolamentazione e, ad alti livelli di penetrazione, potrebbe rendersi necessaria un aumento della complessità del sistema, il ricorso a soluzioni di stoccaggio e l'interconnessione con sistemi ''[[High Voltage Direct Current]]'' (HVDC).

Come detto, l'energia eolica è molto variabile, ma durante i periodi di mancanza di vento essa può essere sostituita da altre fonti di alimentazione. Attualmente, le reti di trasmissione possono far fronte alle interruzioni nella produzione e alle variazioni giornaliere della domanda elettrica. Attualmente, i sistemi di distribuzione energetica con grande penetrazione dell'eolico, richiedono la presenza di centrali a gas naturale in grado di sopperire alla perdita totale di energia elettrica nel caso in cui le condizioni non siano favorevoli per la produzione dal vento.[84][85][86] Quando vi è una bassa penetrazione degli impianti eolici, questi problemi risultano minori.

Un'analisi effettuata in Danimarca, ha osservato che la loro rete di energia eolica aveva fornito meno dell'1% della domanda media per 54 giorni nel corso del 2002. [87] I sostenitori dell'eolico ritengono che questi periodi di bassa ventosità possono essere affrontati riavviando le centrali a combustibili fossili già presenti o ricorrendo alle interconnessioni HVDC.[88] Tuttavia la risposta delle centrali termoelettriche ad un bisogno di energia è piuttosto lento e perciò è necessario avere la disponibilità anche di impianti di generazione di energia idroelettrica.[87] Secondo uno studio del 2007 della ''Stanford University'' pubblicato sul ''Journal of Applied meteorologiaMeteorology eand climatologiaClimatology'', l'interconnessione di dieci o più impianti eolici può permettere di produrre il 33% dell'energia totale in maniera affidabile, a condizione che siano rispettati i criteri minimi come la velocità e l'altezza della turbina.[89] [90]

Al contrario, nelle giornate particolarmente ventose, anche con livelli di penetrazione del 16%, la produzione di energia eolica si è dimostrata in grado di superare tutte le altre fonti di energia elettrica. In Spagna, il 16 aprile 2012, la produzione di energia eolica ha raggiunto la più alta percentuale di produzione di energia elettrica mai raggiunta, con gli impianti eolici che hanno coperto il 60,46% della domanda energetica totale.[91]

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Un forum per l'energia condotto nel 2006, ha presentato i costi per la gestione dell'intermittenza, in funzione della quota di energia eolica totale per diversi paesi, ciò è mostrato nella tabella a destra. Tre studi emessi nel 2009 sulla variabilità del vento nel Regno Unito concordano sul fatto che la variabilità del vento deve essere presa in considerazione, ma tuttavia ciò non rende il sistema ingestibile. I costi aggiuntivi, che sono comunque modesti, possono essere quantificati. [92]

L'[[energia solare]] tende ad essere complementari al vento. [93] [94] Le zone ad [[alta pressione]] tendono a portare cielo sereno e bassi venti di superficie, mentre le aree di [[bassa pressione]] tendono ad essere più ventose e più nuvolose. Su scale temporali stagionali, vi si registrano picchi di energia solare in estate, mentre in molte zone l'energia eolica è più bassa in estate ma più performante nella stagione invernale.[Nb 3] [95] In questo modo le intermittenze tra energia eolica e solare tendono ad annullarsi a vicenda. Nel 2007 l'Istituto per l'energia solare Tecnologia di approvvigionamento dell'Università di Kassel, ha testato un impianto pilota combinato di energia solare, eolica, [[biogas]] e hydrostorage allo scopo di fornire energia elettrica in modo costante per tutto il giorno tutto l'anno, interamente da fonti rinnovabili.[96]

===Prevedibilità===

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===Accumulo dell'energia===

In generale, l'energia eolica e l'energia idroelettrica si integrano molto bene. Quando il vento soffia con forza, le centrali idroelettriche possono temporaneamente pompare indietro la loro acqua e quando il vento cala, il rilascio a valle dell'acqua può rapidamente compensare la manzanzamancanza di energia, mantenendo stabile l'offerta.

Le centrali Idroelettriche di pompaggio o altre forme di immagazzinamento dell'energia possono stoccare l'energia sviluppata in periodi particolarmente ventosi e rilasciarla quando vi è la necessità.[102] L'immagazzinamento necessario dipende dal livello di penetrazione dellledell'energia eolica nel sistema: una bassa penetrazione richiede uno stoccaggio a breve termine, mentre una alta penetrazione necessita di stoccaggio sia a breve che lungo termine, fino a un mese o più. L'energia immagazzinata aumenta il valore economico dell'energia eolica in quanto può essere utilizzata durante i periodi di picco della domanda e cioè quando il suo costo è più elevato. Questo guadagno può compensare i costi e le perdite dovute all'immagazzinamento. Il costo dello stoccaggio energetico può arrivare a incrementare del 25% il costo dell'energia eolica prodotta, ma ciò tenderebbe a diminuire nel caso di grandi produzioni energetiche. Ad esempio, nel Regno Unito, la ''Dinorwig Power Station'' da 1,7 GW è in grado di uniformare i picchi di domanda elettrica e garantire ai fornitori di energia elettrica di far funzionare i propri impianti al massimo del loro rendimento. Anche se i sistemi di pompaggio presentano solo circa il 75% di efficienza e hanno alti costi di installazione, i loro bassi costi di gestione e la capacità di ridurre la richiesta di energia da fonti combustibili possono far abbassare i costi totali di generazione elettrica.[103][104]

In particolare in alcune regioni geografiche, il picco di velocità del vento può non coincidere con i picchi di richiesta di energia elettrica. Ad esempio, in [[California]] e in [[Texas]], i caldi giorni estivi sono caratterizzati da una bassa velocità del vento e da una forte domanda elettrica per via dell'utilizzo dell'[[aria condizionata]]. Alcune sovvenzioni per l'acquisto di pompe di calore geotermiche, al fine di ridurre la domanda di energia elettrica nei mesi estivi, ha reso l'aria condizionata fino al 70% più efficiente. [105] Un'altra opzione è quella di interconnettere aree geografiche ampiamente disperse con sistemi di rete HVDC. Si stima che negli Stati Uniti aggiornamento del sistema di trasmissione in tal senso richiederebbe un investimento di almeno $ 60 miliardi. [106]

La Germania ha una capacità installata di eolico e di solare che supera la domanda giornaliera e sta esportando la potenza di picco nei paesi vicini. Una soluzione più pratica sarebbe l'installazione di un sistema di stoccaggio sufficiente per almeno 30 giorni, in grado di fornire l'80% della domanda. Proprio come l'Unione europea che impone ai paesi membri di mantenere 90 giorni di riserve strategiche di [[petrolio]], si può prevedere che i paesi vadano a installare sistemi di stoccaggio di energia elettrica.[107]

==Economia==

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===Trend dei costi===

Il costo di produzione di energia eolica è in costante ribasso, ma presenta comunque un discreto [[investimento]] inzialeiniziale. Una volta che l'impianto è stato costruito, il costo è stimato a meno di 1 cent per kW·h.[113] Tale costo tende a ridursi ulteriormente grazie al migioramentomiglioramento della tecnologia delle turbine. Ora gli impianti dispongono di pale più lunghe e più leggere e turbine più efficienti e migliori in termini di prestazione. Inoltre i costi di manutenzione degli impianti sono in continua decrescita.[114]

Il costo medio stimato per unità comprende il costo di costruzione delle turbine e degli impianti di trasmissione, il costo del reperimento dei fondi e della tutela del rischio, nonché la manutenzione dell'impianto che generalmente ha una vita utile superiore ai 20 anni. Le stime dei costi energetici sono fortemente dipendenti da questi dati e possono differire in modo sostanziale da impianto a impianto. Nel 2004, l'energia eolica costa un quinto rispetto a quanto costava nel 1980, e alcune previsioni vendono un trend al ribasso con la produzione di grandi turbine su larga scala.[115] A partire dal 2012 i costi di investimento per i parchi eolici sono sostanzialmente inferiori rispetto al 2008-2010 ma sono ancora al di sopra dei livelli del 2002. [116]