Una turbina eolica è un dispositivo che trasforma l'energia cinetica del vento in energia meccanica , nota come energia eolica , che viene poi più spesso trasformata in energia elettrica . Le turbine eoliche che generano elettricità sono chiamate turbine eoliche , mentre le turbine eoliche che pompano acqua direttamente sono a volte indicate come turbine eoliche a pompa o pompe eoliche . Un'antica forma di turbina eolica è il mulino a vento .
I termini "parco eolico ", " parco eolico " o "parco eolico" sono usati per descrivere unità di produzione raggruppate, installate a terra o in mare .
I paesi del mondo con il maggior numero di parchi eolici sono Cina , Stati Uniti , Germania , Spagna , India , Regno Unito e, in proporzione alla popolazione, Danimarca (vedi Generation wind energy ).
Nel 1885 Ernest-Sylvain Bollée , inventore della turbina eolica Bollée , usò per la prima volta la parola “turbina eolica” come nome comune dall'aggettivo sostantivo ( energia eolica ). La parola trovò il suo posto in Larousse nel 1907.
L'antenato del vento è il mulino a vento , apparso in Persia durante l'anno 620 e seguire la pompa di vento , apparso nel IX ° secolo nell'attuale Afghanistan . Oggi vengono ancora utilizzati accoppiati ad una pompa dell'acqua , solitamente per drenare e prosciugare le zone umide o comunque irrigare le zone aride o consentire l'irrigazione del bestiame .
Nel 1888, Charles Francis Brush costruì una grande turbina eolica per fornire elettricità alla sua casa, con accumulo tramite batteria di accumulatori .
La prima turbina eolica "industriale" a generare elettricità fu sviluppata dal danese Poul La Cour nel 1890, per produrre idrogeno mediante elettrolisi . Negli anni successivi creò la turbina eolica “Lykkegard”, di cui vendette settantadue esemplari nel 1908.
Nel 1923, il genetista britannico John Burdon Sanderson Haldane scrisse:
“Se una turbina eolica nel giardino potesse produrre 50 kg di carbone al giorno (o può produrre l'equivalente in energia), le nostre miniere di carbone chiuderebbero domani. Personalmente, penso che tra 400 anni potremmo aver risolto il problema energetico in Inghilterra nel modo seguente: il paese sarà coperto da file di turbine eoliche metalliche, azionando motori elettrici che forniranno una corrente ad altissima tensione a un grande rete elettrica. Impianti grandi e ben distanziati useranno l'energia in eccesso dei periodi ventosi per effettuare la decomposizione elettrolitica dell'acqua in ossigeno e idrogeno. Questi gas saranno liquefatti e immagazzinati in grandi cisterne da vuoto a doppia parete, probabilmente sotterranee. (…) Con tempo calmo, i gas sarebbero ricombinati in motori a combustione interna collegati a dinamo per recuperare elettricità o, più probabilmente, in celle a combustibile. "
Una turbina eolica sperimentale da 800 kVA operata dal 1955 al 1963 in Francia, a Nogent-le-Roi, nella regione di Beauce . Era stato progettato dall'Ufficio studi scientifici e tecnici di Lucien Romani e gestito per conto di EDF . Contemporaneamente, due turbine eoliche neirpiche da 130 e 1000 kW sono state testate da EDF a Saint-Rémy-des-Landes ( Manche ). C'era anche una turbina eolica collegata al settore sulle alture di Algeri (Dély-Ibrahim) nel 1957.
Questa tecnologia è stata in qualche modo trascurata in seguito, non è stato fino agli anni '70 e al primo shock petrolifero che la Danimarca ha rilevato le installazioni delle turbine eoliche.
La turbina eolica più comune, ad asse orizzontale, è composta dai seguenti elementi:
opaco Permette di posizionare il rotore ad un'altezza sufficiente per consentirne il movimento (necessaria per gli aerogeneratori con asse orizzontale), oppure ad un'altezza dove il vento soffia più forte e più regolare che a livello del suolo. Il palo ospita generalmente parte dei componenti elettrici ed elettronici (modulatore, controllo, moltiplicatore, generatore, ecc .). Gli alberi sono generalmente realizzati in acciaio, ma gli alberi in cemento sono sempre più utilizzati da alcuni produttori (ad esempio in Francia, per circa 1.000 turbine eoliche assemblate dal 2004 all'inizio del 2013 da Enercon , 300 hanno un albero in cemento). Una navicella È montato in cima all'albero e ospita i componenti meccanici e pneumatici, alcuni componenti elettrici ed elettronici necessari per il funzionamento della macchina. La piattaforma può ruotare per puntare la macchina nella giusta direzione. Un rotore È costituito dal muso dell'aerogeneratore che riceve le pale (generalmente tre), fissate su un albero rotante in cuscinetti installati nella navicella. Il rotore, solidale alle pale, è mosso dall'energia del vento. È collegato direttamente o indirettamente (tramite moltiplicatore di velocità ad ingranaggi) al sistema meccanico che utilizza l'energia raccolta (pompa, generatore elettrico , ecc .).Elementi aggiuntivi, come ad esempio una stazione di erogazione per iniettare l'energia elettrica prodotta nella rete elettrica , completare l'installazione.
Una tale turbina eolica è modellata principalmente dalle sue caratteristiche aerodinamiche , meccaniche ed elettrotecniche . In pratica si distingue anche tra “grandi turbine eoliche”, che riguarda macchine oltre i 350 kW , turbine eoliche di media potenza (tra 36 e 350 kW ) e piccole turbine eoliche (inferiori a 36 kW ).
Una turbina eolica ad asse orizzontale è un'elica perpendicolare al vento, montata su un albero. L'altezza è generalmente di 20 m per le turbine eoliche di piccole dimensioni e più del doppio della lunghezza di una pala per i modelli di grandi dimensioni.
Nel 2017 la turbina eolica più grande era alta 187 m per una potenza di 9,5 MW . Nel 2019 il prototipo dell'Haliade X, installato a Rotterdam, con una potenza di 12 MW , ha raggiunto i 260 m di altezza.
Potere recuperabile teoricamenteLa potenza del vento contenuta in un cilindro di sezione è:
con:
: Velocità del fluido a livello della turbina eolica : Densità di aria (aria atmosferica secca, circa: 1,23 kg / m 3 a 15 ° C ea pressione atmosferica 1,0132 bar) : velocità del vento in m / sUna turbina eolica può recuperare solo una parte di questa potenza, perché il flusso non può avere velocità zero dopo essere passato attraverso la turbina (altrimenti, ciò equivarrebbe a "fermare il vento" ).
Formula di BetzL'energia recuperabile è inferiore all'energia cinetica dell'aria posta a monte dell'aerogeneratore, poiché l'aria deve trattenere l'energia cinetica residua affinché un flusso rimanga. Albert Betz ha dimostrato che la potenza massima recuperabile è pari a 16 ⁄ 27 della potenza incidente.
La potenza massima teorica di una turbina eolica è quindi fissata a:
è:
O :
A questa potenza massima viene quindi assegnato il coefficiente di prestazione specifico del tipo e modello di aerogeneratore e del sito di installazione. Questo coefficiente è generalmente compreso tra 0,20 e 0,70.
Per il calcolo della potenza di una turbina eolica tenendo conto dell'energia cinetica e potenziale, vedere: calcolo della potenza di una turbina di tipo eolico o di marea .
Generazione di energia elettricaA causa dell'intermittenza del vento e delle variazioni della sua potenza, è importante distinguere due concetti:
Potenza nominale una delle caratteristiche importanti delle turbine eoliche è la loro potenza elettrica nominale. Quindi riferirsi ad una turbina eolica da 2 MWp (megawatt-picco) significa che è in grado di fornire una potenza elettrica massima di 2 × 10 6 watt). La velocità minima del vento per raggiungere questa potenza massima è dell'ordine di 15 m / s , ovvero circa 55 km / h : al di sotto di questa velocità, l'aerogeneratore produce meno energia, ma al di sopra la produzione non è maggiore e quando la velocità del vento raggiunge la soglia di sicurezza (spesso da circa 25 a 35 m / s - da 90 a 126 km / h ), la turbina eolica viene limitata o addirittura spenta. La produzione effettiva di energia elettrica è quindi funzione della distribuzione statistica della velocità del vento sul sito. Fattore di carico Il rapporto tra l' energia elettrica prodotta in un dato periodo e l'energia che la turbina eolica avrebbe prodotto se avesse funzionato alla sua potenza nominale nello stesso periodo. Questo indicatore è spesso calcolato su un anno ed espresso in percentuale (%), come nel resto di questa sezione. In media in Europa, questo fattore di carico variava tra il 17,7 e il 21,0% tra il 2003 e il 2008, mentre in Francia era del 22% per gli anni 2009 e 2010.Nel 2009, l'energia eolica rappresentava l'1,3% della produzione mondiale di elettricità:
In Francia la produzione di elettricità da eolica ha rappresentato l'1,5% della produzione totale di elettricità nel 2009 e l'1,7% nel 2010. In Danimarca con una flotta di 3.482 MW nel 2009 e una produzione di 24.194 TJ , la generazione eolica ha rappresentato il 18,5% della produzione di energia elettrica (ovvero il 2,99% del consumo totale di energia).Turbine eoliche e linee elettriche vicino a Rye , Inghilterra.
Tramonto sul parco eolico di Guazhou in Cina, che comprende più di 200 turbine eoliche.
Parco eolico di Estinnes , Belgio, 11 turbine eoliche, visto su10 ottobre 2010.
Per ragioni di sicurezza, è necessario immobilizzare le pale quando il vento è troppo forte. Infatti, le pale si piegano sotto la forza del vento e, con un vento troppo forte, colpirebbero l'albero. L'inerzia della turbina è approssimativamente proporzionale al cubo della lunghezza delle pale mentre la superficie resistente al vento è proporzionale al quadrato di questa lunghezza. Le pressioni esercitate su una turbina eolica quindi aumentano molto rapidamente all'aumentare delle sue dimensioni. Pertanto la lunghezza massima di una lama è limitata dalla resistenza dei suoi materiali.
Le pale grandi sono realizzate con materiali compositi a base di fibra di vetro o carbonio e una resina epossidica o poliestere ; altri materiali possono essere utilizzati. Le turbine eoliche più piccole possono essere costruite con materiali meno costosi, come fibra di vetro, alluminio o legno lamellare.
Hub di una turbina eolica senza lama (Enercon E-70) sull'isola di El Hierro ( Isole Canarie ).
Pallido su un rimorchio.
Segmenti del montante sui rimorchi e una base della lama.
Lame di ricambio lunghe circa 15 m.
Le piccole turbine eoliche sono dirette verso il vento da una pinna posteriore, come una banderuola . Le grandi turbine eoliche hanno sensori che rilevano la direzione del vento e attivano un motore che fa ruotare il rotore.
Ogni pala rotante si comporta come un giroscopio , e per la forza di gravità esercitata su di essa è sottoposta ad una forza di precessione che, essendo perpendicolare sia all'asse di rotazione che alla forza di gravità, è orizzontale. Questa forza di precessione è quindi parallela alla lama quando questa è orizzontale, ed è perpendicolare ad essa quando la lama è verticale. In definitiva, queste variazioni cicliche di forza sulle pale possono stancarsi e causare la rottura della base delle pale e / o dell'albero della turbina .
Quando una potente turbina eolica ha più di una pala, queste vengono disturbate dall'aria spostata dalla pala precedente. Di conseguenza, la resa è ridotta.
Le vibrazioni diminuiscono all'aumentare del numero di lame. Oltre a stancare i meccanismi, alcune vibrazioni sono udibili e provocano inquinamento acustico. Tuttavia, le turbine eoliche con un numero inferiore di pale più grandi funzionano con un numero di Reynolds più elevato e sono pertanto più efficiente. Poiché il prezzo di una turbina eolica aumenta con il numero di pale, il numero ottimale per un sistema ad asse orizzontale è quindi tre, perché con due pale i problemi di squilibrio sarebbero maggiori. Infatti il numero di lame deve essere dispari affinché il bilanciamento sia ottimale.
I rotori con un numero pari di pale non richiedono necessariamente che ciascuna lama sia fissata individualmente a un mozzo. Inoltre, molte turbine eoliche commerciali hanno due pale, perché è più facile ed economico produrle in un unico pezzo. Generalmente le turbine eoliche a tre pale, più silenziose, devono essere montate in loco.
La maggior parte delle turbine eoliche fatte in casa hanno due pale, poiché sono costituite da un unico lungo pezzo di legno o metallo, montato su un generatore di recupero, come un alternatore di un'auto o un motore di lavatrice.
Poiché l'albero produce turbolenza dietro di esso, il rotore viene solitamente posizionato davanti all'albero. In questo caso, il rotore è posizionato abbastanza in avanti e il suo asse è talvolta inclinato rispetto all'orizzontale, per evitare che le pale colpiscano l'albero. Gli aerogeneratori a volte vengono costruiti con il rotore posto a valle dell'albero, nonostante i problemi di turbolenza, perché le pale possono così essere più flessibili e piegarsi senza rischiare di urtare l'albero con vento forte, riducendo così la loro resistenza al vento.
I vecchi mulini a vento sono dotati di vele al posto delle pale, ma queste hanno un'aspettativa di vita molto limitata. Inoltre, la loro resistenza all'aria è relativamente alta rispetto alla potenza che ricevono. Fanno girare il generatore troppo lentamente e sprecano l'energia potenziale del vento, la cui spinta richiede che siano montati su un albero particolarmente robusto. Questo è il motivo per cui oggi le preferiamo lame rigide profilate.
Quando una pala è in rotazione, la velocità relativa del vento rispetto alla pala è maggiore della sua velocità e dipende dalla distanza del punto considerato della pala dal suo asse di rotazione. Questo spiega perché il profilo e l'orientamento della lama variano nella sua lunghezza. La composizione delle forze esercitate sulle pale si riassume in una coppia utile che consente la produzione di energia elettrica dall'alternatore, e una forza di spinta assiale, riflessa sull'albero mediante un fermo. Questa spinta può diventare eccessiva quando il vento è troppo forte; questo è il motivo per cui gli aerogeneratori vengono poi fermati e orientati per offrire la minima resistenza al vento.
Sono stati effettuati test (2004) per utilizzare lame cilindriche e beneficiare dell'effetto Magnus .
Oltre alle turbine eoliche convenzionali con un asse orizzontale parallelo alla direzione del vento, le turbine eoliche cosiddette "asse verticale" hanno un asse perpendicolare alla direzione del vento. L'asse è spesso posizionato verticalmente, ma le turbine eoliche di questo tipo possono essere posizionate anche orizzontalmente. Questo tipo di turbina eolica è disponibile secondo diversi principi.
Il tipo DarrieusL'aerogeneratore tipo Darrieus si basa sull'effetto portanza subito da un profilo sottoposto all'azione di un vento relativo , come l'effetto esercitato sull'ala di un aeroplano . Ci sono diverse varianti attorno a questo principio, dal semplice rotore cilindrico - due profili disposti su entrambi i lati dell'asse - al rotore parabolico dove i profili sono curvi in troposkin e fissati alla parte superiore e alla base dell'asse verticale. Una turbina eolica di questo tipo ha operato in Quebec (al Parc Éole ) dal 1983 al 1992. Di grandi dimensioni (110 m di altezza), il prototipo si è deteriorato durante una raffica. È stato progettato per fornire 4 MW con un generatore a terra.
Il tipo SavoniusIl tipo Savonius , costituito schematicamente da due o più coppe semicilindriche leggermente sfalsate, presenta numerosi vantaggi. Oltre al suo ingombro ridotto, che permette di integrare l'aerogeneratore negli edifici senza stravolgerne l'estetica, è poco rumoroso. Inizia a basse velocità del vento e mostra una coppia elevata anche se varia sinusoidalmente durante la rotazione. Esiste una variante, chiamata Savonius elicoidale (o Savonius attorcigliato in inglese), che aumenta le prestazioni offrendo continuamente una presa di superficie al vento. Invece di avere semicilindri verticali, questi sono attorcigliati elicoidalmente attorno all'asse di rotazione. A causa del loro piccolo ingombro, delle loro buone prestazioni e della necessità di vento molto basso, vengono utilizzati in città sui tetti delle case, sulle barche, come l' Hornblower Hybrid , o nella Torre del Fiume delle Perle , una torre di energia positiva . Sono adatti anche per una posizione orizzontale, l'asse di rotazione rimanendo perpendicolare al vento e non nel profilo del vento, come le turbine eoliche convenzionali con un asse orizzontale.
Alcuni produttori hanno anche progettato turbine eoliche che incorporano sia la tecnologia Darrieus che la tecnologia Savonius, cercando di combinare i vantaggi di queste due tecnologie.
Una variante di questo tipo di turbina eolica è il Moulinet, di cui l'anemometro è un buon esempio. Citiamo anche i modelli con schermo dove si nasconde il lato “controproducente” della macchina. Questo modello utilizza un sistema di orientamento dello schermo rispetto al vento, eliminando di fatto un vantaggio essenziale degli aerogeneratori ad asse verticale. Infine, il sensibile aumento di massa in funzione delle dimensioni rende l'aerogeneratore tipo Savonius inadatto alla produzione su larga scala in un parco eolico.
Il tipo ad ala rotanteIl tipo ad ala rotante (o panemone) è caratterizzato dall'ottimizzazione dinamica del settaggio della lama in tempo reale. Questi si comportano allo stesso modo della vela di una barca a vela che gira nell'acqua con un vento determinato. Le pale riproducono così fedelmente tutte le andature di una barca a vela seguendo la loro rotta tangenziale (angolo) rispetto alla direzione del vento. Di conseguenza, la spinta tangenziale sui bracci del rotore che supportano le pale è sempre ottimizzata. Questa forma di sfruttamento dell'energia eolica è molto antica (Iran, Creta, ecc.). Questo processo, che ha ricevuto la medaglia d'argento all'Esposizione Internazionale delle Invenzioni di Ginevra nel 2006, ha dato luogo a diversi esperimenti.
Altri modelli vengono costruiti da varie aziende per superare le limitazioni dovute alle dimensioni delle pale, alla loro velocità di rotazione e alla rumorosità. Il principio è quello di un rotore con asse verticale che ruota al centro di uno statore alettato. Questo tipo di soluzione riduce notevolmente la rumorosità consentendo il funzionamento con venti superiori a 220 km / he indipendentemente dalla loro direzione. L'ingombro complessivo è inferiore sia per lo spazio che per l'altezza. Per una turbina eolica di 3 m di diametro e 2 m di altezza, viene annunciata una produzione di 8.000 kWh / anno (2007) . Questo dispositivo è installato solo su turbine eoliche di piccole dimensioni; modifica le forze dell'aria sulle pale. Agisce per spostare il rotore fuori dal letto del vento in modo da ridurne gli effetti sulle pale.
Non è più un sistema in rallentamento, ma un arresto completo della turbina eolica.
Questo meccanismo viene attivato automaticamente quando la velocità raggiunge una certa soglia tramite un rilevatore di velocità. Se il vento rallenta, il freno viene rilasciato e la turbina eolica funziona di nuovo liberamente. Questo dispositivo può anche essere attivato quando viene rilevato un problema di rete elettrica.
Le turbine eoliche a passo fisso con regolazione di stallo spesso hanno due freni a disco per la sicurezza.
I modelli di turbine eoliche di classe III, appositamente adattati ai siti che beneficiano di velocità del vento medie su un anno fino a 7,5 metri al secondo, hanno subito significativi progressi tecnologici e hanno efficienze più elevate dell'ordine del 10-25% rispetto alla generazione precedente. Sono generalmente di altezza maggiore e hanno lame molto più lunghe, il che consente loro di ridurre il rapporto tra la potenza elettrica e l'area percorsa dalle lame, aumentando così notevolmente la vita utile delle macchine ( fattore di carico ). Anche la loro produzione è più regolare, il che limita le difficoltà di gestione dei picchi di potenza da parte delle reti elettriche. Infine, possono essere installati il più vicino possibile alle aree di consumo, il che consente di limitare gli investimenti nella rete di distribuzione. I siti meno ventosi sono anche molto più diffusi e spesso molto più facilmente accessibili rispetto ai siti di classe I (fortemente ventosi) o II (moderatamente ventosi), che aprono nuove prospettive nei mercati internazionali. Il lancio di molti modelli è annunciato per il 2017 da Nordex, Gamesa, Enercon, Vestas e GE Wind.
I criteri per la scelta di un impianto eolico dipendono dalle dimensioni, dalla potenza e dal numero di unità. Richiedono la presenza di un vento regolare (cfr. Atlante dei venti) e varie condizioni quali: vicinanza ad una rete elettrica per il collegamento degli aerogeneratori, assenza di zone di esclusione (compreso perimetro di monumenti storici, siti classificati, zone con fenomeni di eco in montagne, paesaggi,) e preferibilmente una zona chiamata "non conflitto" dai promotori dell'energia eolica (popolazione a bassa densità e che offre poca resistenza).
L'efficienza di una turbina eolica dipende in particolare dalla sua posizione. Infatti la potenza erogata aumenta con il cubo della velocità del vento , motivo per cui i siti vengono prima selezionati in base alla velocità e alla frequenza dei venti presenti. Un sito con venti in media di 30 km / h sarà otto volte più produttivo di un altro sito con venti in media di 15 km / h . Una turbina eolica funziona meglio quanto più i venti sono regolari e frequenti.
Un altro criterio importante per la scelta del sito è la costanza della velocità e della direzione del vento, ovvero la turbolenza del vento. Infatti, come regola generale, gli aerogeneratori possono essere utilizzati quando la velocità del vento è maggiore di un valore compreso tra 10 e 20 km / h , senza però raggiungere valori eccessivi (maggiori di 90 km / h ) che porterebbero alla distruzione dell'aerogeneratore o necessità di "disinnestarlo" (pale piumate) per limitarne l'usura. La velocità del vento deve quindi essere tra questi due valori il più spesso possibile per un funzionamento ottimale della turbina eolica. Allo stesso modo, l'asse di rotazione della turbina eolica deve rimanere parallelo alla direzione del vento per la maggior parte del tempo. Anche con un efficiente sistema di orientamento della navicella, è quindi preferibile avere la direzione del vento più stabile possibile per ottenere prestazioni ottimali ( alisei per esempio).
Alcuni siti vicini a grandi ostacoli dovrebbero quindi essere evitati, perché il vento è troppo turbolento (alberi, edifici, scarpate complesse in montagna, regioni con fenomeni di eco, ecc.).
Empiricamente, troviamo siti adatti per l'installazione di turbine eoliche osservando alberi e vegetazione . I siti sono interessanti se sono costantemente piegati dai venti, la curvatura degli alberi, nella stessa direzione, indica la regolarità dei venti. Gli insediamenti industriali utilizzano mappe della velocità del vento degli atlanti eolici (dove esistono) o dati accumulati da una vicina stazione meteorologica , meglio se effettuare la misura nel luogo di installazione.
In Francia, un progetto è considerato economicamente redditizio se la velocità media annua del sito è superiore a 6 o 7 m / s , o da 21 a 25 km / h . Questa redditività dipende da molti altri fattori, i più importanti dei quali sono il costo di connessione alla rete e il costo delle fondazioni (determinante nel caso di un progetto offshore) nonché i costi di riacquisto dell'energia elettrica e l'onere impatti ambientali (sulla fauna, sui paesaggi, da disturbi acustici e stroboscopici ).
Alcuni siti sono speciali in quanto aumentano la velocità del vento e sono quindi più adatti per un'installazione di turbine eoliche:
In generale, è sempre necessario effettuare un'accurata misurazione del vento per diversi mesi, al fine di garantire la potenzialità eolica del sito. Uno studio puntuale permette poi di estrapolare i dati e di determinare più o meno precisamente le caratteristiche annuali del vento (frequenza, velocità, ecc.) E la sua evoluzione negli anni.
Altri criteri sono presi in considerazione per la scelta del sito:
In un impianto eolico, è preferibile posizionare il generatore su un palo ad un'altezza di oltre 10 metri fino a circa 100 m , in modo da catturare venti più forti e meno disturbati dalle "asperità" del terreno. Nelle zone dove il rilievo è molto complesso, è possibile raddoppiare la quantità di energia prodotta spostando l'impianto di poche decine di metri. Misure in situ e modelli matematici consentono di ottimizzare il posizionamento delle turbine eoliche.
Per aree isolate esposte a cicloniPer queste aree sono state progettate speciali turbine eoliche: sono tirate in modo da poter essere adagiate a terra in 45 minuti e sono anche più leggere. Possono anche resistere ai terremoti più comuni. Non richiedono fondazioni profonde come le altre e possono essere trasportate in parti separate. Ad esempio, sette turbine eoliche da 275 kW garantiscono a Terre-de-Bas un surplus di elettricità, consentendole di fornirla alla Guadalupa . Dal 1990 al 2007 è stato quindi possibile installare in Guadalupa 20 MW di energia eolica. Possono essere tutti stesi a terra e stivati, come è avvenuto durante il passaggio degli uragani Ivan e José .
A metà 2007, nel mondo erano installate circa 500 di queste turbine, per una capacità totale di 80 MW . La potenza degli aerogeneratori che li equipaggiano è passata da 30 a 275 kW in dieci anni.
Mare profondoFinché si trovano abbastanza lontano dalla costa, le turbine eoliche offshore hanno un impatto minore sul paesaggio terrestre. D'altra parte, l'installazione di aerogeneratori in mare è molto più costosa che a terra: gli alberi devono essere progettati per resistere alla forza delle onde e della corrente, protezione dalla corrosione (particolarmente importante per via degli spruzzi e della salsedine) deve essere rinforzato, l'installazione in mare richiede attrezzature specializzate, il collegamento elettrico comporta cavi sottomarini costosi e fragili, e le operazioni di manutenzione possono richiedere notevoli risorse. In cambio, una turbina eolica offshore può fornire fino a 6 MW di potenza (rispetto alle turbine eoliche onshore limitate a 3 MW ), che può produrre energia utile di circa 15 GWh / anno in siti ben ventosi e con un carico fattoriale di 30 %, ovvero circa 2.500 ore / anno .
Nelle zone in cui il mare è poco profondo (es. Danimarca ) è abbastanza facile installarli con una buona efficienza. All'inizio del 2006, tutte le turbine eoliche (offshore o onshore) in Danimarca producevano il 23% dell'elettricità del paese. Questo paese è un pioniere e leader nella costruzione e nell'uso dell'energia eolica , con un progetto avviato negli anni '70 . Oggi sono in costruzione grandi parchi al largo delle coste dell'Inghilterra, nell'estuario del Tamigi , così come in Scozia, con una capacità totale di circa 4000 MW .
La Francia non dispone ancora di una flotta offshore nel 2018, ma i bandi di gara organizzati nel 2012 e 2014 hanno selezionato progetti di flotta a St-Nazaire-Guérande (da 420 a 750 MW ), Courseulles-sur-Mer (da 420 a 500 MW ) e Fécamp ( 480 a 500 MW ) e nella baia di Saint-Brieuc (480 a 500 MW ) nel 2012, poi nel 2014 alle isole di Yeu e Noirmoutier ( Vandea ) e Tréport (Seine-Maritime), per 500 MW ciascuna. Il parco eolico al largo di Dieppe e Le Tréport (62 turbine eoliche, 496 MW ) dovrebbe entrare in servizio nel 2021 e quello di Fécamp (83 turbine eoliche, 498 MW ) nel 2022.
Le turbine eoliche galleggianti possono essere installate a quote più lontane, dove l'acqua è molto più profonda e con venti più forti e più stabili, consentendo un fattore di carico più elevato. Mentre le turbine a terra possono funzionare in media 80 giorni all'anno, le turbine eoliche galleggianti possono generare elettricità per 160 giorni all'anno . Il primo parco eolico di questo tipo è stato costruito al largo delle coste della Scozia. Il campo di cinque turbine eoliche galleggianti, ciascuna delle dimensioni di 253 metri e del peso di 12.000 tonnellate, ha una capacità totale di 30 megawatt, ovvero il consumo di elettricità di circa 22.000 famiglie.
Secondo il rapporto del 2019 dell'Agenzia internazionale dell'energia , l'eolico offshore potrebbe attirare 1 trilione di dollari di investimenti entro il 2040; il potenziale eolico in mare permetterebbe di soddisfare il fabbisogno elettrico di tutto il mondo, ma oggi rappresenta solo lo 0,3% della produzione mondiale. Questa energia rinnovabile potrebbe diventare la principale fonte di produzione entro il 2040.
AltitudineNuove turbine eoliche sono in grado di sollevarsi nel cielo per raggiungere i venti più forti, più potenti e più regolari. Per il momento, in fase sperimentale, sono di tre tipologie:
In un ambiente urbano, dove è difficile ottenere flussi d'aria potenti, è possibile utilizzare apparecchiature più piccole per far funzionare sistemi a bassa tensione. Le turbine eoliche sul tetto che operano in un sistema di energia distribuita alleviano i problemi di fornitura di energia e mitigano le interruzioni di corrente. Piccole installazioni come i router Wi-Fi possono essere alimentate da una turbina eolica portatile che carica una piccola batteria.
In Cina , diverse città tra cui Weihai , nella provincia di Shandong , o l'autostrada nella provincia di Hubei che collega Jingzhou alla diga delle Tre Gole , sono dotate di pali su cui sono accoppiati piccoli generatori eolici silenziosi e pannelli solari, per alimentare l'illuminazione dei lampioni; l'energia in eccesso può essere reimmessa nel circuito elettrico della città. La posizione del palo della luce è scelta con cura (vedi foto). Queste installazioni utilizzano generalmente turbine eoliche ad asse orizzontale. Sono ora emergenti installazioni dello stesso tipo, con una turbina eolica ad asse verticale di tipo Savonius elicoidale (Twisted Savonius) che offre 40 W di potenza eolica più 80 W di energia solare su un unico polo e una forma più compatta. Alcuni grattacieli alti , come la Pearl River Tower , includono turbine eoliche nella loro struttura, sfruttando così i forti venti causati dalle differenze di temperatura delle strutture in vetro di questi edifici, a seconda che siano sul lato ombreggiato o soleggiato. . Da un punto di vista energetico, queste turbine eoliche di tipo Savonius beneficiano anche dell'effetto Venturi causato dalle dimensioni del canale che le contiene quando il vento si precipita dentro. L'energia eolica è accoppiata con l'energia elettrica fornita dalle finestre di questa torre che sono costituite da pannelli solari trasparenti
Soluzioni sperimentaliEn ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical, hélicoïdales, à effet Venturi ou un mélange de ces différentes techniques, qui ont un rendement inférieur mais qui produisent de l'électricité même par vent faible et ne font pas de rumore.
Gli aerogeneratori possono essere posizionati anche sul tetto delle torri .
Nel 2012 l'energia eolica ha confermato il suo status di seconda fonte} di elettricità rinnovabile dopo quella idroelettrica: con una produzione mondiale di 534,3 TWh , rappresenta l'11,4% della produzione di elettricità rinnovabile e il 2,4 % della produzione totale di elettricità.
Una turbina eolica utilizzata per fornire elettricità alle reti fornisce circa 2 MW nell'entroterra e 5 MW in mare, ma sono disponibili anche modelli più piccoli.
Ad esempio, alcune navi sono ora dotate di turbine eoliche per azionare apparecchiature come l'aria condizionata. In genere, si tratta di modelli ad asse verticale progettati per fornire energia indipendentemente dalla direzione del vento. Una turbina eolica di questo tipo che eroga 3 kW si inserisce in un cubo con un lato di 2,5 m .
Alcune turbine eoliche producono solo energia meccanica, senza produrre elettricità, in particolare per pompare acqua in luoghi isolati. Questa modalità di funzionamento corrisponde a quella dei vecchi mulini a vento , che il più delle volte azionavano le macine di pietra; In effetti, la maggior parte dei 20.000 mulini a vento nel tardo XVIII ° secolo in Francia sono stati per il mulino .
La situazione competitiva del settore eolico differisce tra i due principali segmenti di mercato: nel settore eolico onshore, nel 2016, la concorrenza è stata ampiamente dispersa con un gran numero di attori, senza che emerga un produttore con un posto dominante nel mercato mondiale. La maggior parte dei principali attori industriali può contare su un mercato nazionale attivo, che fornisce loro una solida base per competere e conquistare quote di mercato sui mercati internazionali. Questo è in particolare il caso di GE Wind negli Stati Uniti, Enercon, Senvion e Nordex in Germania, Suzlon in India e Goldwind, United Power e Mingyang in Cina. Gli altri attori sono indeboliti e sono oggetto di un movimento di consolidamento del settore.
Il segmento del mercato dell'eolico offshore è molto più piccolo e ha ancora una diffusione internazionale limitata: limitato principalmente a pochi mercati nel Mare del Nord, nel Mar Baltico e al largo delle coste britanniche, rimane nelle mani di una minoranza di attori esperti, in primis tra cui la numero uno al mondo Siemens Wind Power con l'80% del mercato e MHI Vestas, la controllata congiunta costituita nel 2013 dal danese Vestas , numero uno al mondo nel paese, e dalla giapponese Mitsubishi . Altri produttori sono posizionati in questo mercato e hanno già consegnato le loro prime macchine, ma sono in difficoltà perché le prospettive di crescita non sono così grandi come sperate per il momento. Dal 2013, un'ondata di consolidamento ha interessato questo settore: nel 2013 Vestas e Mitsubishi si sono fuse, quindi nel 2014 è nata Adwen , una controllata congiunta di Areva e Gamesa. Nel 2015 la francese Alstom, che sta sviluppando la turbina eolica offshore Haliade 150 , è passata nelle mani dell'americana GE.
Nell'eolico onshore, hanno annunciato la tedesca Nordex e la spagnola Acciona ottobre 2015la loro intenzione di unire le loro forze per entrare nella top 5 mondiale. I dirigenti di Gamesa hanno annunciato il29 gennaio 2016di aver avviato discussioni con Siemens al fine di fondere la loro attività eolica, creando il peso massimo del settore globale con una quota di mercato di circa il 15% davanti a General Electric (11%) e Vestas (10%). Queste discussioni hanno portato a un accordo annunciato su17 giugno 2016 : la sede della nuova società sarà situata in Spagna e rimarrà quotata alla Borsa di Madrid; Siemens deterrà il 59% della nuova entità e pagherà agli azionisti di Gamesa un pagamento in contanti di 3,75 euro per azione, o in totale più di un miliardo di euro; Areva avrà tre mesi per scegliere tra vendere la sua partecipazione in Adwen o acquistare la quota di Gamesa e poi vendere l'intera società a un altro giocatore; La General Electric sarebbe interessata. Nelnovembre 2017, Siemens e Gamesa hanno annunciato una ristrutturazione fino a 6.000 posti di lavoro in 24 paesi. Quando la loro unione è stata annunciata a metà 2016, i due produttori avevano 21.000 dipendenti, di cui 13.000 Siemens. Il fatturato è sceso del 12% tra aprile esettembre 2017, a causa di una “sospensione temporanea” del mercato indiano, e il gruppo prevede un forte calo nel 2018.
Nella prima metà del 2016, Vestas ha visto il suo fatturato aumentare del 23%.
Nel 2015, secondo uno studio pubblicato su 22 febbraio 2016di Bloomberg New Energy Finance (BNEF), General Electric è stata detronizzata dal gruppo cinese Goldwind che ha installato 7,8 GW di turbine nel mondo nel corso dell'anno, davanti a Vestas (7,3 GW ) e General Electric ( 5,9 GW ). Nel 2014 Goldwind si è classificata al 4 ° posto con 4,5 GW installati. La Cina ha rappresentato nel 2015 la metà del mercato mondiale e cinque produttori cinesi figurano tra i primi 10. Siemens è la prima classifica europea del 2015, il 4 ° mondo con 5,7 GW , di cui 2,6 GW offshore, segmento in cui è il leader indiscusso, quattro volte più grande del numero due; la sua fusione in discussione con il Gamesa spagnola (3,1 GW ) potrebbe portarlo al 1 ° posto a livello mondiale.
I primi dieci produttori nel 2015 sono stati:
NB: Vestas rimane a 1 ° posto per le vendite con 8400 milioni di € contro i 4180 milioni di € per la Goldwind.
Nel 2012, le quote di mercato globali dei principali produttori di turbine eoliche secondo BTM Consult erano le seguenti:
General Electric Wind conclude la sua ascesa, Vestas perde il primo posto dopo dodici anni di regno; i tedeschi stanno tornando in forze; I quattro principali produttori cinesi di turbine eoliche Goldwind, United Power, Sinovel e Mingyang sono tra i primi 10, ma nessuno è tra i primi 5.
Nel settore delle turbine eoliche offshore , hanno firmato due dei principali produttori, Areva e Gamesaluglio 2014un accordo per la creazione di una joint venture partecipata in parti uguali dai due gruppi, con l'obiettivo di una quota di mercato del 20% in Europa nel 2020, nonché di collocarsi sul mercato asiatico, in particolare cinese, in vetta alla fase off. Gamesa ha un prototipo di turbina eolica da 5 MW e macchine Areva da 5 a 8 MW , di cui 126 unità installate alla fine del 2014, ovvero 630 MW , e 2,8 GW nel portafoglio del progetto. Prendendo il meglio da ciascuna tecnologia, la joint venture intende ottenere un'unica piattaforma da 5 MW .
Nel 2010, le quote di mercato globali dei principali produttori di turbine eoliche, secondo Make Consulting, erano le seguenti:
I principali produttori di turbine eoliche costruiscono macchine con una capacità da circa 1 a 6 MW . Ci sono molti, molti altri produttori di turbine eoliche, a volte molto piccole per applicazioni individuali o di nicchia.
I principali produttori di turbine eoliche provenivano inizialmente principalmente da Danimarca e Germania, paesi che hanno investito molto presto in questo settore. Nel 2010, alcuni paesi stanno aumentando i loro investimenti per recuperare il ritardo, come gli Stati Uniti con GE Wind, che ha quasi raddoppiato la sua quota di mercato in cinque anni, o la Francia con Areva , che fino al 2007 deteneva il 70% del capitale. 12 ° classificato 2010). Il mercato è stato segnato nel 2010 dall'emergere di player asiatici (8 sui primi 15), che sono riusciti a conquistare i mercati occidentali.
Elenco non esaustivo di produttori:
Nel gennaio 2009Secondo la Renewable Energies Union (SER), il settore dell'energia eolica ha creato una media di 33 nuovi posti di lavoro al giorno in Europa nei cinque anni precedenti.
Un metodo utilizzato per sfruttare e immagazzinare la produzione in eccesso dalle turbine eoliche consiste nell'accoppiarle a impianti di stoccaggio di pompaggio all'interno di centrali idroeoliche : un parco eolico genera elettricità utilizzando turbine eoliche. Una parte di questa elettricità viene inviata alla rete per fornire i consumatori, l'eccesso viene utilizzato per pompare l'acqua in un serbatoio di altitudine. Durante i periodi di vento debole, l'acqua del serbatoio viene turbinata in una centrale idroelettrica e immagazzinata in un serbatoio basso; l'energia elettrica così ottenuta viene inviata in rete.
Un progetto di questo tipo è operativo nelle Isole Canarie sull'isola di El Hierro dal 2014. Questo sistema da 11,5 MW evita il trasporto annuale di 6.000 tonnellate di olio combustibile da parte di petroliere e l'emissione di 18.000 tonnellate di CO 2. Nella sua prima metà di funzionamento, questo sistema ha coperto in media il 30,7% della domanda di elettricità dell'isola, secondo i dati in tempo reale rilasciati dall'operatore di rete Red Eléctrica de España (REE).
Eole Water è un'azienda francese nel settore dei sistemi di produzione di acqua per condensazione ad aria. Ha sviluppato capacità di produzione di acqua potabile da energia eolica o solare.
Alla fine della sua vita o quando diventa obsoleto, una turbina eolica può essere sostituita da un modello più efficiente. Viene quindi rivenduto sul mercato internazionale dell'usato o smantellato.
Se si padroneggia il riciclaggio dell'acciaio che compone l'albero, il rame e le apparecchiature elettroniche, il trattamento delle lame rappresenta un problema. Composti da una miscela di fibra di vetro e fibra di carbonio legati con resina poliestere, la loro combustione genera microparticelle che intasano i filtri degli inceneritori.
Alcune società (la cui controllata Remondis Olpe gruppo tedesco Remondis (de) ) si specializzano nel riciclaggio e nel trattamento complesso delle pale (anche il materiale composito è vicino a quello degli scafi delle imbarcazioni da diporto ). Le grandi lame vengono tagliate in situ in frammenti di 13 metri o meno, quindi portate in un impianto di lavorazione (ce ne sono tre nel Nord Reno-Westfalia ). I metalli vengono riciclati ei compositi vengono frantumati e rivenduti come combustibile per cementifici, la silice nella fibra di vetro fornisce anche un ingrediente utile nel cemento. I componenti elettrici ed elettronici vengono riciclati da un settore specializzato. Così, nella prima metà del 2015, in Germania sono state smantellate 158 turbine eoliche e il mercato a medio termine è saturo (in Germania sono attive 24.800 turbine eoliche).
Le fondamenta della turbina eolica vengono livellate solo fino a una profondità di 1 m , consentendo la ripresa dell'attività agricola, ma lasciando interrati nel seminterrato grandi plinti in cemento armato.
In Francia, l'installazione di una turbina eolica domestica è regolamentata; le regole applicabili variano a seconda delle dimensioni dell'aerogeneratore. Il sito Service-public.fr specifica le regole da osservare per una turbina eolica di altezza massima di 12 metri senza permesso di costruzione, il mancato rispetto di queste regole espone l'autore del reato a una multa di € 1.200. Oltre i 12 metri di altezza, la richiesta del permesso di costruire è obbligatoria. È probabile che non tutte le aree riceveranno un'installazione di turbine eoliche domestiche; quattro aree principali sono off-limits. Altre regole devono essere prese in considerazione. Ad esempio, è necessario richiedere un'autorizzazione allo sgombero se il terreno su cui verrà installata l'aerogeneratore aveva una destinazione forestale. Per una turbina eolica di lunghezza inferiore a 50 metri, deve essere rispettata una distanza di almeno tre metri rispetto alla linea di demarcazione del vicinato. I vicini devono essere informati in anticipo dell'installazione di una turbina eolica. La norma EN 50 308 : "Generatore eolico, misure di protezione, requisiti per la progettazione, il funzionamento e la manutenzione" si applica all'energia eolica.
Per quanto riguarda l'acustica dei parchi eolici, il decreto ICPE del 26 agosto 2011, applicabile da 1 ° gennaio 2012, regola quest'area. Questo decreto riguarda tutti i parchi di opere pubbliche e private francesi, ovvero “i lavori riguardanti gli edifici e le loro attrezzature soggette a procedura di dichiarazione o autorizzazione”. Alcune circostanze caratterizzano l'interferenza con la tranquillità del vicinato o il danno alla salute come "il mancato rispetto delle condizioni stabilite dalle autorità competenti per quanto riguarda l'esecuzione dei lavori, o l'uso o il funzionamento di materiali o attrezzature" , "L'insufficienza di precauzioni adeguate per limitare questo rumore", o anche "comportamento anormalmente rumoroso".
Al fine di verificare il rumore proveniente dalle turbine eoliche, vengono effettuati studi di sviluppo in futuri parchi eolici, queste misurazioni vengono effettuate a livello di zone di emergenza regolamentate (ZER) per una o più settimane. L'obiettivo è quindi quello di determinare il rumore ambientale del sito su cui verranno posizionate le turbine eoliche modellando prima il rumore delle future turbine eoliche.
Dopo la costruzione delle turbine eoliche vengono effettuate nuove misurazioni, queste misurazioni vengono effettuate alternando fasi di spegnimento e fasi di funzionamento delle turbine eoliche. Se durante queste misurazioni si verifica un overshoot da 3 a 5 dB sopra i 35 dB, è necessario calcolare un programma di bloccaggio della macchina per ridurre il rumore.
Il regolamento ICPE consente al Prefetto, in caso di reclami da parte dei residenti, di richiedere una perizia sul sito. Se questo dimostra che le norme sul rumore non sono state rispettate, il parco può essere fermato. Tuttavia, in pratica, non è mai avvenuta la chiusura di un parco per mancato rispetto della normativa acustica.