La tecnologia del vento: energia, trasporto e ricerca

Il vento è un elemento naturale affascinante e potente, sempre in movimento eppure mai uguale a sé stesso. Generato dalle instabilità di temperatura e pressione atmosferica, il vento rappresenta una forma di energia e forza presente in tutto il globo terrestre. La sua intensità, molto spesso variabile e imprevedibile, può apparire come una lieve brezza oppure come fenomeni intensi e catastrofici. Nel suo fluire, il vento è capace di modellare il clima e i paesaggi e di trasformarsi in una preziosa fonte di energia.

Questo movimento e forza possono essere utilizzati e sfruttati per ricavare energia e potenza utili nel mondo energetico, industriale, manifatturiero e molto altro. Per esempio, il mulino a vento fu ideato in epoca antica per sfruttare la forza eolica nella macinazione dei cereali, nel pompaggio dell’acqua e nel taglio del legno. Lavorazioni essenziali e modeste, ma che segnarono l’inizio dell'utilizzo della forza del vento. Al giorno d’oggi, l’evoluzione moderna del mulino a vento è rappresentata dalle turbine eoliche che producono energia elettrica.

La turbina eolica (o aerogeneratore) è un'opera ingegneristica alquanto semplice ma efficace. Esistono due tipi di turbine eoliche, distinte dal modo in cui le pale ruotano, quelle ad asse orizzontale e quelle ad asse verticale.

La turbina ad asse orizzontale (HAWT, in inglese Horizontal Axis Wind Turbines) è una torre d’acciaio di altezza superiore ai 80 metri. Sulla sommità è presente una navicella che contiene un generatore elettrico collegato ad un rotore. Il rotore, a sua volta, è connesso a pale lunghe dai 20 ai 60 metri. Il processo di conversione coinvolge vari tipi di energie, prima di tutto c’è l’energia cinetica dovuta al vento che viene convertita in energia meccanica tramite la rotazione del rotore, successivamente questa rotazione, prima lenta, viene velocizzata tramite un moltiplicatore di giri. La rotazione rapida consente il funzionamento di un generatore di corrente, convertendo efficacemente l'energia meccanica in energia elettrica. La turbina ad asse verticale (VAWT, in inglese Vertical Axis Wind Turbines) ha lo stesso principio di funzionamento della turbina ad asse orizzontale ma in questo caso la rotazione avviene attorno ad un asse verticale (perpendicolare al terreno). Il vantaggio principale della turbina VAWT risiede nella ridotta quantità di parti mobili. Inoltre a differenza della turbina HAWT (ad asse orizzontale), che richiede l'orientamento della navicella affinché le pale siano allineate con la direzione del vento, la turbina VAWT (ad asse verticale) è indipendente da questo fattore: essa è infatti in grado di ruotare ed operare indipendentemente dalla direzione da cui spira il vento.

Nonostante le turbine a vento ad asse verticale presentino alcuni vantaggi progettuali, sono quelle ad asse orizzontale a dominare il mercato, risultando oggi le più diffuse e le più efficienti per la produzione di energia su larga scala.

Per ragioni di sicurezza l’aerogeneratore è controllato da un sistema di protezione che gestisce l’erogazione di energia elettrica e l’arresto del sistema in caso di forte vento o anomalie del rotore o del generatore. In termini di potenza, le due turbine possono fornire valori di energia da pochi kW fino anche a MW in base alle velocità e costanza del vento. La scelta dei materiali per la costruzione delle pale eoliche, che richiedono elevata rigidezza, basso peso e lunga vita a fatica, ha seguito una variegata evoluzione storica. Partendo dal legno, si è poi passati a metalli come acciaio e alluminio, fino ad arrivare ai moderni materiali compositi, costituiti da polimeri rinforzati con fibre lunghe (di vetro o di carbonio). Recenti studi, condotti dall'Università di Kiel (Germania) in collaborazione con l'azienda Nuebold Yachtbau GmbH, stanno esplorando l'utilizzo di nuovi materiali naturali come fibre di lino, legno di balsa e paulownia. Oltre alle turbine eoliche da terra, recentemente nei laboratori in Cina della SAWES Energy Technology Co Ltd si stanno sviluppando turbine eoliche voltanti per generare energia da oltre 1.5 km d’altitudine.

Sebbene le turbine eoliche rappresentino una fonte fondamentale di energia pulita, bisogna considerare anche il loro impatto sull’ambiente, come l’impatto sulla fauna: negli Stati Uniti, si stima che circa 800.000 pipistrelli siano morti a causa delle collisioni con le pale eoliche.

Abbiamo visto come il vento possa essere convertito in energia pulita tramite le turbine. Tuttavia, il suo potenziale nella lotta al cambiamento climatico non si ferma alla generazione di energia elettrica. Esiste un settore molto difficile da decarbonizzare, dove il vento potrebbe fare veramente una differenza importante: il trasporto cargo. Quest’ultimo è responsabile di una piccola percentuale del totale annuo di emissioni di CO2 nel mondo, però questa percentuale aumenterà maggiormente col passare del tempo se non verranno adoperate nuove tecnologie ecosostenibili. Ecco perché tecnologie e sistemi di propulsione eolica di nuova generazione stanno emergendo come soluzione concreta per ridurre le emissioni delle grandi navi mercantili. Su questo tema esistono vari studi e ricerche come vele rigide per imbarcazioni, strutture dure e aerodinamiche per generare portanza. Grandi aquiloni, come quelli per fare parapendio, per trainare parzialmente l’imbarcazione. E infine Rotori flettner, cioè grandi cilindri installati verticalmente sulla nave che sfruttano l’effetto Magnus, cioè la forza che fa curvare la traiettoria di un oggetto rotante in movimento in un fluido. Quando il vento impatta sul cilindro lo fa ruotare e la differenza di pressione ai lati dell’oggetto rotante genera una spinta in avanti.

Il vento oltre ad essere sfruttato per generare energia elettrica e per rendere più pulito il settore delle navi cargo, può essere generato anche in modo artificiale. Soprattutto per lo studio, ricerca e sviluppo di componenti aerodinamiche nel mondo dell’aerospazio, automobilistico, ferroviario e molto altro. Il tutto ruota attorno alla galleria a vento, una struttura utilizzata nella ricerca per studiare l’andamento di un fluido (in questo caso aria) attorno ad un corpo fisico. Esistono due tipi di gallerie a vento.

Ciclo aperto: l’aria viene prima aspirata dall’esterno poi viene fatta passare sul modello e infine viene espulsa di nuovo all’esterno. Questo tipo di galleria è utilizzata per l’ottimizzazione dei piani velici per imbarcazioni o per studiare la risposta al vento turbolento di modelli aeroelastici (es. ponti).

L’aria viene prima accelerata nel restringimento, colpisce il modello e poi rallenta fuoriuscendo all’esterno. La ventola funziona “ad aspirazione”, cioè risucchia l’aria attraverso il tunnel ed è posta alla fine per evitare turbolenze generate dalle pale.

Ciclo chiuso: l’aria ricircola all’interno di un circuito sigillato, mantenendola in movimento continuo. Usata molto spesso per lo studio del comportamento aerodinamico di veicoli ferroviari e stradali.

Il vento quindi, da antica forza motrice per i mulini a elemento chiave delle moderne tecnologie ecosostenibili, sottolinea la costante ricerca di soluzioni energetiche pulite. Abbiamo visto come la sua forza possa far muovere strutture gigantesche e generare energia elettrica e come i suoi flussi siano studiati nelle gallerie a vento per l’ottimizzazione aerodinamica di modelli fisici. Continuare a investire tecnologia in questa risorsa non è solo una scelta ecologica, ma una necessità per plasmare un futuro più green e più pulito.