Pale eoliche: come funzionano? Ecco come riescono a trasformare il vento in energia

Generare energia elettrica dal vento è oggi una realtà più che consolidata, grazie alle pale eoliche. L’eolico rappresenta uno degli investimenti per un futuro sostenibile degli ultimi anni, grazie alla crescente attenzione per l’energia rinnovabile. Ma come funzionano le pale eoliche? In che modo trasformano la forza del vento in energia elettrica?

Per quanto pensare alle pale eoliche rimandi alla mente degli strumenti modernissimi e sempre più tecnologicamente avanzati, le loro origini sono decisamente remote. Addirittura a più di 2.000 anni fa, quando lo stesso principio era sfruttato dalle antiche popolazioni per alimentare i primi mulini. Di seguito, alcune curiosità sicuramente utili.

Cosa sono le pale eoliche

Nel linguaggio comune, con la definizione di pale eoliche si identificano delle strutture ingegneristiche sviluppate per trasformare la forza del vento in energia elettrica. Note anche come turbine eoliche o generatori eolici, sono vere e proprie vele montate su un grande rotore che, muovendosi poiché sollecitate dal vento, generano energia elettro-meccanica.

Come detto, sono una delle principali forme di energia rinnovabile a disposizione dell’uomo, in grado di produrre corrente elettrica sfruttando elementi virtualmente infiniti, proprio come il vento. Non vi è il consumo di minerali e oli, come nel caso delle centrali elettriche basate su combustibili fossili. Inoltre, generare energia tramite l’eolico non immette in atmosfera anidride carbonica o altri gas nocivi.

Oggi si parla sempre più di veri e propri parchi eolici, visto che le turbine in questione raramente vengono installate singolarmente, bensì in gruppi di decine di esemplari. Eppure, per quanto moderna, questa tecnologia ha delle origini decisamente lontane: una storia utile da conoscere.

Storia dell’energia eolica

L’uomo sfrutta la forza del vento sin da tempi antichissimi: basti pensare come, sin dagli albori delle primissime civiltà, gli umani avessero compreso come approfittare delle correnti marine per sospingere le imbarcazioni sulla superficie dell’acqua.

La storia delle pale eoliche prende però le mosse da quella dei mulini, i cui primi reperti storici risalgono a oltre 2.000 anni fa, ai tempi dei babilonesi. Per trovare però delle strutture simili a quelle odierne bisogna risalire ai IX secolo, all’antica Persia, l’attuale Iran.

Le popolazioni locali erano infatti riuscite a costruire delle vele, di tessuto e foglie, che esposte al vento riuscivano ad attivare una ruota sottostante. Questa veniva quindi impiegata per macinare cereali, spremere frutti e per altre necessità relative al mondo contadino. Nei secoli successivi i mulini si diffusero rapidamente in Cina, in Medio Oriente e in Europa.

È verso la fine del 1800 che si incominciò a pensare ai mulini, o comunque a una loro evoluzione, per produrre energia elettrica. Nel 1887 lo scozzese James Blyth riuscì a collegare delle pale a un accumulatore, per alimentare le lampadine montate all’interno di un capanno. Nel 1931 venne quindi realizzato un prototipo in Russia capace di generare 100 kW e, nel 1956, un modello danese da 200 kW.

Negli anni ’70, più precisamente nel 1979,  la tecnologia inizia a trovare la definizione attuale, con una produzione in serie e un’implementazione in molti luoghi del mondo.

Tipologie di eolico

Parlare di pale eoliche è forse troppo generico, poiché vi sono diverse tipologie di impianti alimentati dal vento utili per generare energia. Fra questi, distinguiamo soprattutto:

• Generatore ad asse orizzontale: le pale sono montate in orizzontale, così come il rotore, e seguono la direzione del vento;
• Generatore ad asse verticale: rotore e pale sono poste in verticale e, anche in questo caso, si orientano in direzione del vento.

Per quanto le declinazioni della tecnologia siano oggi molteplici, le più diffuse sono:

• Turbine eoliche classiche: delle strutture, alte anche parecchie decine di metri, ad asse orizzontale e caratterizzate da un set di tre pale “a vela”;
• Pale eoliche domestiche: solitamente ad asse verticale e di piccole dimensioni, vengono installate sul tetto delle case per produrre l’energia sufficiente alle necessità della famiglia;
• Eolico offshore: pale del tutto identiche alle classiche, tuttavia montate su piattaforme in mare aperto oppure su strutture galleggianti, per approfittare delle grandi correnti d’aria che caratterizzano mari e oceani.

Come funzionano le pale eoliche

Ma come funzionano le pale eoliche, in che modo riescono a trasformare la forza del vento in energia elettrica? Il procedimento, almeno sulla pratica, è molto semplice. Innanzitutto, è necessario capire quali siano gli elementi che caratterizzano una pala eolica:

• Torre di sostegno: è letteralmente il palo che sorregge l’intera struttura, solitamente realizzato in acciaio e altre leghe metalliche. È pensato per assorbire le vibrazioni dovute alla rotazione delle pale;
• Navicella: si tratta di una struttura orizzontale semi-mobile, un vero e proprio contenitore, che ospita il rotore e l’albero su cui sono montate le pale, nonché il generatore. La navicella può muoversi in orizzontale, seguendo così la direzione del vento;
• Generatore: è l’elemento centrale di tutta la turbina eolica. Semplificando, si tratta di una ruota meccanica ricoperta da una bobina magnetica che, una volta in movimento, genera energia elettro-meccanica;
• Albero: è la struttura rotante collegata a un’estremità al generatore e dall’altra alle pale, questi elementi uniti formano il rotore. È pensato per trasmettere il movimento delle pale allo stesso generatore;
• Pale eoliche: si tratta di grandi vele allungate, sempre in acciaio o leghe metalliche, esposte all’azione del vento. Montate sull’albero, hanno la possibilità di ruotare seguendo la direzione delle correnti.

Semplificando estremamente il funzionamento, quando le pale eoliche vengono colpite dal vento entrano in rotazione, trasmettendo questo movimento all’albero e al generatore. Ruotando, le bobine del generatore producono meccanicamente energia sfruttando i principi dell’induzione elettromagnetica. In altre parole, il movimento meccanico viene trasformato in una tensione elettrica interagendo con dei magneti.

Tale energia viene poi raccolta e convogliata in grandi cavi che raggiungono la base della torre di sostegno. Ancora, ogni turbina eolica prevede dei sistemi di controllo e di sicurezza per verificare non solo la tenuta meccanica della struttura, ma anche la corretta produzione di energia.

L’energia generata dalle singole pale del parco eolico viene poi convogliata verso appositi accumulatori: qui può essere stoccata, ad esempio, in batterie o immessa direttamente sulla rete.

Perché le pale eoliche si fermano

A molti sarà capitato di notare, attraversando ad esempio in auto le vicinanze di un parco eolico, delle turbine ferme nonostante delle correnti ventose sostenute. Perché le pale eoliche si fermano? I motivi possono essere i più disparati:

• Corrente troppo debole: la forza del vento non è sufficiente per inizializzare il movimento delle pale;
• Corrente troppo elevata: quando la forza del vento è eccessiva, e le pale hanno già raggiunto la loro potenza nominale, la rotazione viene bloccata da un apposito sistema di frenaggio e sicurezza. Questo impedisce che la furia del vento danneggi le componenti meccaniche della turbina;
• Manutenzione: quando le pale elettriche o altri elementi della turbina richiedono manutenzione, per un guasto o altre motivazioni, vengono messe preventivamente in stato di stop.

Dove si può installare l’eolico

I parchi eolici possono sorgere pressoché ovunque, ma sempre previa autorizzazione degli organismi statali preposti. Di norma vengono scelte delle aree perlopiù ventose, come grandi valli circondate da montagne, colline coinvolte frequentemente da correnti oppure in mare aperto, per l’eolico off-shore.

A livello domestico, date anche le dimensioni ridotte, le turbine eoliche possono essere installate in giardino o sul tetto della propria abitazione. Sempre però verificando il piano regolatore del luogo in cui si risiede.

Eolico: quanta energia produce

Di norma, le singole turbine eoliche installate nei grandi parchi – quindi parliamo di strutture anche di 80 metri d’altezza – hanno una capacità compresa tra gli 1.5 e i 3 MW. Va però ricordato come, proprio per l’andamento delle correnti, una turbina eolica non produrrà costantemente energia al 100% della propria capacità. Si stima, in genere, una resa tra il 40 e il 60% rispetto alla potenza nominale. Si parla comunque di diversi milioni di kWh immessi in rete ogni anno da ogni singola pala eolica.

I parchi eolici di ultima generazione, in particolare quelli offshore, sono in grado di raggiungere anche i 20 MW di potenza, pari a 40 GWh l’anno. In altre parole, producono energia sufficiente per soddisfare le necessità di quasi 20.000 famiglie.

Guadagno delle pale eoliche

Ma se si decidesse di installare un impianto eolico domestico, detto anche mini-eolico, quale sarebbe il guadagno rispetto all’acquisto di energia elettrica da fornitori già presenti sulla rete?

A seconda delle tipologie, della potenza e del tipo di impianto prescelto, la spesa può essere compresa tra i 5.000 e i 15.000 euro, inclusi anche lo stoccaggio in batterie al litio per non rimanere mai a secco d’energia. Considerando un vento medio, di circa 4/5 metri al secondo e una produzione per almeno 200 giorni l’anno, si genera energia sufficiente sia per i fabbisogni domestici che per rimetterla in rete, cioè venderla ai gestori.

Calcolando una media di circa 0.20 euro per kWh prodotto da un comune impianto mini-eolico, l’intera struttura si ripaga da sola in circa cinque anni.

Vantaggi e limiti delle pale eoliche

Ma quali sono i vantaggi e quali i limiti delle pale eoliche? Partiamo dai loro benefici:

• Produzione di energia pulita, senza l’immissione in atmosfera di gas serra o la necessità di depositare scorie nell’ambiente;
• Grande durata nel tempo degli impianti, con manutenzione ciclica;
• Fonte completamente rinnovabile.

Mentre fra i limiti si elencano:

• Alterazione del paesaggio naturale, per installare le turbine;
• Rumore nei pressi degli impianti, generato dalla rotazione delle pale;
• Problemi alle popolazioni di uccelli selvatici che, purtroppo, tendono a scontrarsi con le pale durante il loro funzionamento.