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Energie rinnovabili

Energia verde

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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]

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 genera 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 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 seconda delle variazione previste nella produzione. [8] [9]

Storia

 

Raffigurazione medioevale di un mulino a vento

 

Mulino a vento cinese

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 Erone di Alessandria nel 1° secolo è il primo esempio noto di utilizzo dell'energia eolica per alimentare una macchina.^[1][2]

I primi mulini a vento furono in uso in Iran almeno dal 9° secolo e forse già dal 7° secolo.^[3] 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.^[4] Si ha notizia che, a partire dal 1000, i mulini a vento furono utilizzati, si in Cina che in Sicilia per pompare acqua di mare per estrarre il sale.^[5] A partire dal 1180 furono ampiamente utilizzati in Europa nord-occidentale per macinare la farina,^[4] mentre le pompe a vento furono utilizzate per drenare i terreni per favorire l'agricoltura e per l'edilizia.^[6] I primi immigrati nel Nuovo Mondo portarono con loro queste tecnologie.^[6]

 

Un tipico mulino a vento nei Paesi Bassi

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 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 che perimise la coltivazione e l'allevamento in vaste aree altrimenti prive di acqua facilmente accessibile.^[7] Queste pompe contribuirono inoltre all'espansione della rete ferroviaria mondiale, grazie ai sistemi di pompaggio 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.^[8]

Nel 1881, Lord Kelvin propose di usare l'energia eolica quando "il carbone fosse finito".^[9] Nello stesso periodo fu proposto anche lo sfruttamento dell'energia solare.^[10]

I primi sfruttamenti per generare potenza elettrica

 

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.^[11] I suoi esperimenti portarono, nel 1891, alla formalizzazione di un brevetto.^[12] 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.^[12] 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 Society of Wind Electricians.^[13]

Verso la metà degli anni 1920, alcune aziende come la Parris-Dunn e la Jacobs Wind-electric realizzarono turbine tra gli 1 e i 3 kilowatt^[9] 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.^[14]

Nel 1931 l'ingegnere aeronautico francese, George Darrieus, ottenne il brevetto per la turbina eolica Darrieus che utilizzava profili alari per generare la rotazione^[15] e a Yalta, in Unione Sovietica, fu installato un prototipo da 100 kW di generatore eolico orizzontale. 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.^[13]

 

Il Brazos Wind Farm. un moderno parco eolico del Texas.

Nel 1975 il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America ha finanziato un progetto per sviluppare turbine eoliche a grande scala. Il progetto si è concretizzato con la realizzazione di tredici turbine sperimentali da parte della NASA che hanno aperto la strada per gran parte della tecnologia utilizzata oggi.^[13] Da allora, le turbine hanno aumentato notevolmente le loro dimensioni con la Enercon E-126 in grado di erogare fino a 7,5 megawatt (MW).^[16]

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, 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.^[17]

L'energia eolica

 

Map of available wind power for the United States. Color codes indicate wind power density class. (click to see larger)

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

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {1}{2}}(Avt\rho )v^{2}={\frac {1}{2}}At\rho v^{3},}$ ^[18]

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:

${\displaystyle P={\frac {E}{t}}={\frac {1}{2}}A\rho v^{3}.}$ ^[18]

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

 

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]

Venti d'alta quota

La produzione di energia elettrica di solito proviene da venti molto vicino alla superficie terrestre. Tuttavia i venti in alta quota sono più forti e più stabili e possono avere una capacità globale di 380 TW.[30] Negli ultimi anni si sono visti significativi progressi nelle tecnologie destinate a produrre energia elettrica da queste correnti ventose.[33]

Parchi eolici

  Lo stesso argomento in dettaglio: Parco eolico.

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 Shepherds Flat Wind Farm (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===???

I generatori ad induzione, spesso usati per l'energia eolica, richiedono una potenza reattiva per l'eccitazione in modo sottostazioni utilizzati nei sistemi di raccolta di energia eolica sono notevoli batterie di condensatori per la correzione del fattore di potenza. [34] Diversi tipi di aerogeneratori comportano in modo diverso durante i disturbi della rete di trasmissione, in modo ampio modellazione delle caratteristiche elettromeccaniche dinamiche di un nuovo parco eolico è richiesto dai gestori dei sistemi di trasmissione per garantire un comportamento stabile e prevedibile in caso di guasti di sistema (vedi: corsa a bassa tensione attraverso). In particolare, generatori ad induzione non può sostenere la tensione di sistema in caso di guasti, a differenza di vapore o idro generatori sincroni a turbine. Macchine doppiamente alimentate generalmente hanno proprietà più desiderabili per l'interconnessione della rete. [35] [36] Sistemi di trasmissione operatori fornire uno sviluppatore parco eolico con un codice di rete per specificare i requisiti per l'interconnessione alla rete di trasmissione. Ciò comprende il fattore di potenza, costanza della frequenza e del comportamento dinamico delle turbine eoliche nel corso di un guasto del sistema. [37] [38]

Energia eolica off-shore

 

Middelgrunden, impianto eolico da 40 MW nello stretto di Oresund al largo di Copenaghen.

Con l'espressione "eolico off-shore" si intendono gli impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi, per meglio utilizzare la forte esposizione alle correnti di queste zone.

La Spagna ha effettuato uno studio di fattibilità della durata di un anno sull'intero territorio nazionale per determinare le aree maggiormente ventilate e con continuità, e quindi i siti candidati all'installazione di centrali di taglia medio-grande^[19]. La Spagna ha esteso le misurazioni mediante centraline fisse e mobili anche a tutta la costa, oltre che a zone collinari e di montagna, preferendo l'eolico off-shore. Dopo aver diffuso microimpianti nelle singole abitazioni, e un decentramento energetico, ora si realizzano pochi impianti centralizzati per la produzione di alcuni gigawatt per parco eolico.

Ad Havsui, in Norvegia, sorgerà il più grande impianto eolico off-shore al mondo, che potrà fornire 1,5 gigawatt di potenza elettrica^[20].

Nel Regno Unito verrà realizzata un'estesa serie di generatori off-shore in grado entro il 2020 di produrre abbastanza corrente elettrica da alimentare le utenze domestiche. Il piano prevede impianti per 20 gigawatt che si aggiungeranno agli 8 gigawatt di impianti già deliberati^[21]. Nel 2008 il Fondo di inversioni della corona britannica, che possiede le aree marittime della Gran Bretagna, fino a circa 20 km dalla costa, con il programma Clipper's Britannia Project, ha deciso di investire in grandi aerogeneratori off-shore di potenza superiore ai 5 megawatt^[22].

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 aziendeoperatrici 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.

Minieolico

 

Esempio di impianto minieolico presso un porto

Si tratta di impianti di piccola taglia, adatti ad un uso domestico o per integrare il consumo elettrico di piccole attività economiche tipicamente in modalità stand-alone, cioè sotto forma di singoli generatori, connesse poi alla rete elettrica (con contributo alla cosiddetta generazione distribuita) o ad impianti di accumulazione.

Di solito questi impianti sono costituiti da aerogeneratori del tipo ad asse orizzontale con diametro del rotore da 3 a 20 metri e altezza del mozzo da 10 a 20 metri. Solitamente per minieolico si intendono impianti con una potenza nominale fra 20 kW e 200 kW, mentre per microeolico si intendono impianti con potenze nominali inferiori ai 20 kW.

Per questi impianti di piccole dimensioni il prezzo di installazione risulta più elevato, attestandosi attorno ai 1500-3000 euro per kW installato, in quanto il mercato di questo tipo di impianti è ancora poco sviluppato; tra le cause le normative che, a differenza degli impianti fotovoltaici, in quasi tutta Europa non ne sostengono la diffusione. Questi impianti possono sfruttare le specifiche condizioni del sito in cui si realizza l'installazione. Sono impianti adattabili, che riescono a sfruttare sia venti deboli che forti e che riescono ad intercettare le raffiche improvvise tipiche dell'Appennino.

Per la valutazione dell’idoneità del luogo non si effettua solitamente una campagna di misure in sito (come avviene per installazioni medio-grandi), per l’elevata incidenza che tale costo potrebbe avere sull’investimento globale.

La valutazione, nel caso si ritenga sufficiente la disponibilità di vento (come velocità e continuità), deve considerare altri fattori quali:

• l’interferenza con altre strutture (edifici o altre turbine eoliche);
• l’inquinamento acustico;
• la semplicità di installazione;
• la lunghezza del percorso elettrico (costi interramento e dispersioni d’energia);
• esigenze di sicurezza ed incolumità fisica;
• eventuali vincoli ecologici (presenza di specie protette) o storico-archeologici.

Eolico d'alta quota

 

Twind Technology

Proposte innovative prevedono la realizzazione del cosiddetto eolico d'alta quota, che sfrutta i venti di alta quota.

Tra i progetti attualmente allo studio o in fase di realizzazione troviamo il Kite Wind Generator (che prevede due filoni principali di progetto: il KiteGen Stem ed il KiteGen Carousel) il cui funzionamento si ispira a quello del kitesurfing. Questo sistema elimina i problemi statici e dinamici che impediscono l'aumento della potenza (cioè delle dimensioni) ottenibile dagli aerogeneratori tradizionali. Il problema di "catturare" il vento è risolto dall'idea di impiegare profili alari di potenza (Power Kites): nel Kitegen Stem, questi profili alari sono collegati tramite cavi ad una o più coppie di motori/generatori, che servono anche per il controllo dell'ala; il funzionamento prevede due fasi, in cui il profilo alare sale e scende in volo.

Durante la fase ascendente, il profilo alare esercita trazione sui cavi, che trasferiscono il moto ai generatori: è la fase "attiva" durante la quale si produce energia; durante la fase discendente, i generatori vengono sfruttati come motori per il recupero dei cavi e dell'ala (utilizzando circa il 5% dell'energia prodotta durante la precedente fase "attiva"). Nell'agosto 2006 è stato costruito un primo prototipo dal nome Mobilegen (di piccole dimensioni, trasportabile con un normale mezzo commerciale), che è già stato in grado di generare un picco di 80 kW di energia elettrica. Attualmente, è in fase di realizzazione a Sommariva Perno (CN) il primo prototipo "industriale" di pre-serie, per il quale si prevede una produzione iniziale di 1 MW, per passare infine a 3 MW, quando questa tecnologia esprimerà tutto il potenziale previsto.

Nel KiteGen Carousel, invece, i kites sono solidali al perimetro della turbina. I profili alari di potenza volano secondo traiettorie prestabilite, che permettono di trasformare la forza esercitata sui cavi in una coppia complessiva concorde che mette in rotazione le braccia di una giostra ad asse verticale. In pratica, i profili alari di potenza sono le pale della turbina, che le consentono di ruotare intorno ad un asse verticale, semplificando enormemente i problemi di fondazione e di rigidezza.

La Twind Technology si basa sull'utilizzo di una coppia di palloni aerostatici che stazionano a quote superiori agli 800 metri e frenati a terra da cavi che fungono anche da elemento di trasmissione del moto. Quando un pallone viene trascinato orizzontalmente dalla forza del vento che spinge sulla superficie della sua vela aperta, l'altro pallone, a vela chiusa, viene riportato sulla verticale della piattaforma trainato dallo stesso cavo collegato al primo pallone. Al termine dello srotolamento del cavo, giunto a fine corsa, un meccanismo automatico opera la chiusura delle ali a vela del primo pallone e opera l'apertura delle ali a vela del secondo; in questo modo le funzioni dei due palloni si invertono replicando la stessa dinamica. Questa tecnologia permette di ottenere energia mediante il continuo movimento alternativo del cavo agganciato a due palloni aerostatici.

Un altro progetto allo studio è lo Skymill, un generatore ad asse orizzontale la cui innovazione consiste nel posizionamento del generatore, e quindi della parte più pesante, direttamente a terra. Il rotore invece è in quota e viene collegato al generatore tramite un cavo speciale che trasmette la rotazione tra i due elementi. Il rotore, costruito con materiali molto leggeri, è sostenuto dal vento stesso tramite una vela insieme ad un pallone aerostatico che serve solo in totale assenza di vento o durante le operazioni di manutenzione per sollevare o portare a terra il sistema. Ciò consente di arrivare a quote più alte dei generatori orizzontali tradizionali e di conseguenza ad una producibilità maggiore^[23].

Capacità di energia eolica e produzione

Articolo principale: energia eolica per Paese Generazione eolica in tutto il mondo fino al 2010

Verso la fine del 2012, nel mondo vi erano più di duecentomila turbine eoliche in funzionamento, con una capacità nominale complessiva di 282.482 MW.[44] La sola Unione europea passò i circa 100.000 MW di capacità nominale nel settembre 2012, [45] mentre gli Stati Uniti la Cina hanno superato i 50.000 MW nel mese di agosto 2012. [46] [47]

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]

Trend di crescita

Capacità mondiale installata 1997-2020 [MW], gli sviluppi e la prognosi. Fonte dati: WWEA [59] 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 dovuto 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 fornite 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]

Fattore di capacità

Capacità eolica installata nel mondo (Fonte: GWEC) [64]

Dal momento che la velocità del vento non è costante, la produzione annua di energia di una centrale eolica non è mai uguale a quella della capacità nominale del generatore moltiplicato per il tempo di un anno. Il rapporto di effettiva produttività annuale rispetto a questo massimo teorico è chiamato "fattore di capacità". Fattori di capacità tipici sono nell'ordine del 15-50%, con valori al limite superiore in siti favorevoli e grazie ai miglioramenti tecnologici delle turbine più moderne.[65][66][nb 2]

Alcuni dati sono disponibili per alcune località e il fattore di capacità può essere così calcolato dalla produzione annuale. [67] [68] Ad esempio, a livello nazionale, il fattore di capacità della Germania, analizzato su tutto il 2012, era di poco inferiore al 17,5% (45.867 GW·h/anno/(29,9 GW×24×366) = 0,1746) [69] mentre il fattore di capacità per i parchi eolici scozzesi arrivava, tra il 2008 e il 2010, alla media del 24%. [70]

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 dallo statunitense Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable 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

Per penetrazione dell'energia eolica ci si riferisce alla percentuale di energia prodotta dal vento, rispetto alla capacità totale di produzione disponibile. Non esiste un livello massimo generalmente accettato per quanto riguarda l'eolico. Il limite per una particolare zona dipenderà dalle centrali esistenti, dai meccanismi di tariffazione, dalla capacità di stoccaggio di energia, dalla gestione della domanda e da altri fattori. Una rete elettrica interconnessa comprenderà già la possibilità di generare elettricità di riserva e la capacità di ovviare ai vari guasti che potrebbero accadere alle apparecchiature. Questa capacità di riserva può anche servire per compensare la variabilità di generazione di energia prodotta da impianti eolici. Gli studi hanno indicato che il 20% del consumo di energia elettrica totale annuo può essere raggiunto con minime difficoltà.[74] Questi studi sono stati effettuati per luoghi dove gli impianti eolici erano dislocati geograficamente, vi era una certa possibilità di stoccaggio dell'energia (ad esempio tramite stazioni di pompaggio) e interconnessioni elettriche su vasta scala che permettono all'occorrenza di importare elettricità. Superato il 20% vi sono pochi limiti tecnici, ma le implicazioni economiche diventano più significative. Vi sono continui studi sugli effetti della penetrazione a larga scala dell'eolico per determinarne la stabilità e l'economia del sistema.[75] [76] [77] [78]

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 Electric 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

Articoli principali: fonte di energia intermittente e la previsione eolica Mulini a vento sono in genere installati in luoghi ventosi favorevoli. Nell'immagine, generatori di energia eolica in Spagna, nei pressi di un toro Osborne.

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 Meteorology and Climatology, 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]

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

Alcuni metodi di previsione vengono utilizzati per la produzione di energia eolica, ma la prevedibilità di un particolare parco eolico è comunque bassa in una breve scala temporale. Per ogni particolare generatore, vi è un 80% di probabilità che la sua produzione cambi per meno del 10% in un'ora e una probabilità del 40% che cambi più del 10% in 5 ore. [97]

Tuttavia, gli studi di Graham Sinden (2009) suggeriscono che, in pratica, le variazioni registrate su migliaia di turbine eoliche distribuite su diversi siti e diversi regimi di vento, vengono smussate.[98]

Così, mentre la produzione di una singola turbina può variare notevolmente e rapidamente, più turbine collegate tra di loro su aree più grandi, la potenza media diventa meno variabile e più prevedibile. [99]

La velocità del vento può essere prevista con precisione su grandi aree e quindi il vento può considerarsi una fonte di energia prevedibile per l'immissione in una rete elettrica. Tuttavia, a causa della variabilità e sebbene prevedibile, la disponibilità di energia eolica deve essere programmata.

Affidabilità

Raramente l'energia eolica soffre di guasti tecnici, dato che un malfunzionamento di un singolo aerogeneratore comporta un relativamente basso impatto sulla potenza erogata complessiva in grandi parchi eolici.[100] Altre metodologie di produzione di energia elettrica, possono risentire, anche in maniera grave, di interruzioni imprevedibili.

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 mancanza 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 dell'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

Circa a metà degli anni 2000, l'energia eolica ha raggiunto il Grid parity rispetto alle altre fonti tradizionali, ovvero il punto in cui la sua produzione ha lo stesso prezzo dell'energia prodotta tramite fonti di energia tradizionali. Inoltre i costi in continua discesa fanno supporre che l'energia eolica diventerà la fonte di energia più economica tra quelle disponibili su larga scala.[111] Tuttavia, una quantità significativa di risorse di energia eolica del Nord America rimane sopra la grid paity a causa delle lunghe distanze di trasmissione.

Trend dei costi

Il costo di produzione di energia eolica è in costante ribasso, ma presenta comunque un discreto investimento iniziale. 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 miglioramento 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]

Una relazione della British Wind Energy Association ha fornito un costo medio per la generazione di energia eolica onshore di circa 3,2 pence (tra US 5 e 6 centesimi) per kW · h (2005). [118] Il costo per unità di energia prodotta è stata stimata nel 2006 di essere paragonabile al costo di generazione elettrica per Stati Uniti mediante il carbone e il gas naturale: il costo dell'eolico è stato stimato a 55,80 dollari per MW · h, il carbone a $ 53.10/MW · h e il gas naturale a $ 52,50.[4] Risultati simili comparativi con il gas naturale sono stati ottenuti in uno studio governativo nel Regno Unito effettuato nel 2011.[119] Uno studio sull'energia eolica risalente al 2009 effettuato in Spagna dalla re Juan Carlos University ha concluso che per ogni MW installata di energia eolica ha portato alla perdita di 4,27 posti di lavoro.[120] Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha espresso forti perplessità sullo studio, giudicandolo gravemente carente e con conclusioni non supportate dalle evidenze.[121] Il ricorso all'energia eolica, anche se sovvenzionata, è in grado di ridurre i costi per i consumatori (5000000000 € / anno in Germania), riducendo il prezzo marginale e l'utilizzo di costose centrali tradizionali. [122]

Capacità di energia eolica e produzione

 

Produzione di energia eolica nel mondo fino al 2010

Verso la fine del 2012, nel mondo vi erano più di duecentomila turbine eoliche in funzionamento, con una capacità nominale complessiva di 282.482 MW.[44] La sola Unione europea passò i circa 100.000 MW di capacità nominale nel settembre 2012, [45] mentre gli Stati Uniti la Cina hanno superato i 50.000 MW nel mese di agosto 2012. [46] [47]

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.^[24]

10 maggiori nazioni per capacità nominale di energia eolica (2012 year-end)[25] Nazione Nuova capacità nel 2012 (MW) Totale capacità eolica (MW) % totale mondiale Cina 12,960 75,324 26.7 Stati Uniti 13,124 60,007 21.2 Germania 2,145 31,308 11.1 Spagna 1,122 22,796 8.1 India 2,336 18,421 6.5 Regno Unito 1,897 8,845 3.0 Italia 1,273 8,144 2.9 Francia 757 7,564 2.7 Canada 935 6,200 2.2 Portogallo 145 4,525 1.6 (rest of world) 6,737 39,853 14.1 Totale mondiale 44,799 MW 282,587 MW 100%

Top 10 countries by windpower electricity production (2011 totals)[26] Nazione Produzione di energia eolica production TWh) % totale mondiale Stati Uniti 120.5 26.2 Cina 88.6 19.3 Germania 48.9 10.6 Spagna 42.4 9.2 India 24.9 5.4 Canada 19.7 4.3 Regno Unito 15.5 3.4 Francia 12.2 2.7 Italia 9.9 2.1 Danimarca 9.8 2.1 (resto del mondo) 67.7 14.7 Totale mondiale 459.9 TWh 100%

Trend di crescita

 

Worldwide installed capacity 1997–2020 [MW], developments and prognosis. Data source: WWEA^[27]

 

Worldwide installed wind power capacity forecast (Source: Global Wind Energy Council)^[28][29]

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 dovuto 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 fornite 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]

Fattore di capacità

 

Worldwide installed wind power capacity (Source: GWEC)^[30]

Dal momento che la velocità del vento non è costante, la produzione annua di energia di una centrale eolica non è mai uguale a quella della capacità nominale del generatore moltiplicato per il tempo di un anno. Il rapporto di effettiva produttività annuale rispetto a questo massimo teorico è chiamato "fattore di capacità". Fattori di capacità tipici sono nell'ordine del 15-50%, con valori al limite superiore in siti favorevoli e grazie ai miglioramenti tecnologici delle turbine più moderne.[65][66][nb 2]

Alcuni dati sono disponibili per alcune località e il fattore di capacità può essere così calcolato dalla produzione annuale. [67] [68] Ad esempio, a livello nazionale, il fattore di capacità della Germania, analizzato su tutto il 2012, era di poco inferiore al 17,5% (45.867 GW·h/anno/(29,9 GW×24×366) = 0,1746) [69] mentre il fattore di capacità per i parchi eolici scozzesi arrivava, tra il 2008 e il 2010, alla media del 24%. [70]

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 dallo statunitense Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable 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

Per penetrazione dell'energia eolica ci si riferisce alla percentuale di energia prodotta dal vento, rispetto alla capacità totale di produzione disponibile. Non esiste un livello massimo generalmente accettato per quanto riguarda l'eolico. Il limite per una particolare zona dipenderà dalle centrali esistenti, dai meccanismi di tariffazione, dalla capacità di stoccaggio di energia, dalla gestione della domanda e da altri fattori. Una rete elettrica interconnessa comprenderà già la possibilità di generare elettricità di riserva e la capacità di ovviare ai vari guasti che potrebbero accadere alle apparecchiature. Questa capacità di riserva può anche servire per compensare la variabilità di generazione di energia prodotta da impianti eolici. Gli studi hanno indicato che il 20% del consumo di energia elettrica totale annuo può essere raggiunto con minime difficoltà.[74] Questi studi sono stati effettuati per luoghi dove gli impianti eolici erano dislocati geograficamente, vi era una certa possibilità di stoccaggio dell'energia (ad esempio tramite stazioni di pompaggio) e interconnessioni elettriche su vasta scala che permettono all'occorrenza di importare elettricità. Superato il 20% vi sono pochi limiti tecnici, ma le implicazioni economiche diventano più significative. Vi sono continui studi sugli effetti della penetrazione a larga scala dell'eolico per determinarne la stabilità e l'economia del sistema.[75] [76] [77] [78]

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 Electric 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

 

Windmills are typically installed in favourable windy locations. In the image, wind power generators in Spain, near an Osborne bull.

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.

Increase in system operation costs, Euros per MWh, for 10% & 20% wind share^[31]

Country	10%	20%
Germany	2.5	3.2
Denmark	0.4	0.8
Finland	0.3	1.5
Norway	0.1	0.3
Sweden	0.3	0.7

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 Meteorology and Climatology, 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]

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

Alcuni metodi di previsione vengono utilizzati per la produzione di energia eolica, ma la prevedibilità di un particolare parco eolico è comunque bassa in una breve scala temporale. Per ogni particolare generatore, vi è un 80% di probabilità che la sua produzione cambi per meno del 10% in un'ora e una probabilità del 40% che cambi più del 10% in 5 ore. [97]

Tuttavia, gli studi di Graham Sinden (2009) suggeriscono che, in pratica, le variazioni registrate su migliaia di turbine eoliche distribuite su diversi siti e diversi regimi di vento, vengono smussate.[98]

Così, mentre la produzione di una singola turbina può variare notevolmente e rapidamente, più turbine collegate tra di loro su aree più grandi, la potenza media diventa meno variabile e più prevedibile. [99]

La velocità del vento può essere prevista con precisione su grandi aree e quindi il vento può considerarsi una fonte di energia prevedibile per l'immissione in una rete elettrica. Tuttavia, a causa della variabilità e sebbene prevedibile, la disponibilità di energia eolica deve essere programmata.

Affidabilità

Raramente l'energia eolica soffre di guasti tecnici, dato che un malfunzionamento di un singolo aerogeneratore comporta un relativamente basso impatto sulla potenza erogata complessiva in grandi parchi eolici.[100] Altre metodologie di produzione di energia elettrica, possono risentire, anche in maniera grave, di interruzioni imprevedibili.

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 mancanza 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 dell'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]

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