Pale eoliche verticali: uno studio dell’Oxford Brookes University dimostra il loro maggiore potenziale su larga scala rispetto alle pale tradizionali

L’eolico verticale, per le sue caratteristiche, ad oggi è utilizzato per piccole-medie installazioni all’interno di siti caratterizzati da venti deboli. Ma si sta facendo largo l’ipotesi di una sua futura applicazione su più ampia scala, complici le turbine più compatte che, se impostate in coppia, aumenterebbero le prestazioni, l'una dell'altra, fino al 15%.

TAKEAWAY

  • Il 2020, nonostante la pandemia, è stato un anno record per la produzione mondiale di energia eolica, come riporta il Global Wind Report 2021. Ma resta ancora molto da fare per realizzare la transizione energetica a livello globale e raggiungere il traguardo della decarbonizzazione.
  • Le pale eoliche verticali, comunemente utilizzate per piccole-medie installazioni, potrebbero, in futuro, sostituire su larga scala le tradizionali pale orizzontali, perché più efficienti nella produzione di energia pulita.
  • Lo dimostra un recente studio britannico che, per la prima volta, analizza in modo completo i diversi aspetti relativi alle prestazioni delle pale eoliche verticali.

Le pale eoliche verticali – o turbine eoliche ad asse verticale, dette anche VAWTs (Vertical Axis Wind Turbines) – si differenziano dalle pale eoliche tradizionali per la posizione dell’asse del rotone che, in queste ultime, è orizzontale.

Riguardo al meccanismo di funzionamento, se quello delle pale eoliche orizzontali è molto semplice, in quanto assecondano la direzione del vento, nel generatore eolico ad asse verticale, indipendentemente da come è strutturata la turbina, una parte di essa ruoterà in direzione opposta al vento e una a favore. Il che significa che le pale eoliche verticali non assecondano passivamente l’energia eolica, ma la inducono.

Dal minimo impatto estetico sugli edifici, le turbine eoliche ad asse verticale risultano da sempre particolarmente adatte a utenze residenziali di aree urbane e a utenze agricole e industriali di piccole-medie dimensioni, all’interno di siti caratterizzati da venti deboli e soggetti a forte variabilità.

Un esempio di applicazione urbana di eolico verticale è il recente progetto per un mini impianto destinato all’O2 Arenadi Londra che, si stima, potrebbe produrre fino a circa 87.600 kWh all’anno, l’equivalente dell’elettricità totale utilizzata da 23 residenze private britanniche.

Ricordiamo, che il 2020, nonostante la pandemia, è stato un anno record per l’industria mondiale dell’energia eolica, come riporta il Global Wind Report 2021, a cura del Global Wind Energy Council (GWEC).

Con 93 GW di nuova capacità installata e un aumento del 53% su base annua, la crescita è stata trainata da un’ondata di installazioni in Cina e negli Stati Uniti – i due maggiori mercati mondiali di energia eolica – che, insieme, hanno installato quasi il 75% delle nuove installazioni nel 2020.

Oggi – rileva il Report GWEC – ci sono 743 GW di capacità eolica in tutto il mondo, contribuendo, in questo modo, a evitare oltre 1,1 miliardi di tonnellate di CO2 a livello globale, equivalenti alle emissioni annuali di carbonio del Sud America.

Ma la strada verso la decarbonizzazione è ancora lunga. E la ricerca sta assumendo un ruolo sempre più centrale nel mettere a punto soluzioni innovative che vanno in quella direzione.

Le pale eoliche verticali più efficienti delle tradizionali turbine eoliche ad asse orizzontale?

Un recente studio della Oxford Brookes University ha rilevato che il design della turbina verticale è molto più efficiente su larga scala rispetto a quello della turbina tradizionale. Addirittura, quando impostate in coppia, le turbine verticali aumenterebbero le prestazioni, l’una dell’altra, fino al 15%.

Più nel dettaglio, il team di ricercatori della School of Engineering, Computing and Mathematics (ECM) di Oxford Brookes, guidato dal professor Iakovos Tzanakis, ha condotto uno studio approfondito, con oltre 11.500 ore di simulazione al computer per dimostrare che i parchi eolici possono funzionare in modo più efficiente, sostituendo le tradizionali eliche ad asse orizzontale con quelle ad asse verticale per la produzione di energia green.

È la prima volta che viene dimostrato, in maniera scientifica, il potenziale delle pale eoliche verticali nel superare – nell’ambito di applicazioni su larga scala, dunque non nelle classiche installazioni di piccole-medie dimensioni in aree dai venti deboli – le attuali turbine utilizzate nei grandi parchi eolici di tutto il mondo.

Le pale eoliche verticali ruotano attorno a un asse verticale rispetto al suolo e, se paragonate al noto design delle eliche ad asse orizzontale, mostrando un meccanismo di funzionamento opposto. Ebbene, la ricerca ha scoperto che, se disposte in formazioni a griglia, le turbine eoliche ad asse verticale aumentano le loro prestazioni. Il posizionamento delle turbine – finalizzato a massimizzare la resa – è fondamentale nella progettazione dei parchi eolici. Commenta il professor Tzanakis:

Questo studio dimostra come le turbine eoliche ad asse verticale, a differenza di quelle ad asse orizzontale, possono – proprio per la loro conformazione – essere progettate per stare fisicamente molto più vicine tra loro, aumentando in questo modo efficienza e prestazioni e, a lungo termine, contribuendo ad accelerare la transizione energetica verso le fonti rinnovabili

pale eoliche verticali
Parco eolico offshore costituito da pale verticali disposte a griglia, con minore distanza tra loro rispetto a quanto accade in un tradizionale parco eolico con pale orizzontali (Credit: Oxford Brookes University).

I limiti dei parchi eolici a pale orizzontali: prestazioni differenti in base alla posizione delle turbine

Joachim Toftegaard Hansen, ingegnere e tra gli autori principali del Global Wind Report 2021, fa un’osservazione interessante sotto il profilo tecnico:

I moderni parchi eolici verticali sono uno dei modi più efficienti per generare energia pulita, tuttavia hanno un grosso limite: quando il forte vento si avvicina alla prima fila di turbine, la turbolenza viene poi generata a valle, risultando dannosa per le prestazioni delle file successive. In altre parole, è stato dimostrato che la prima fila converte in elettricità circa la metà dell’energia cinetica del vento, mentre, per la fila posteriore, quel numero scende al 25-30%. Se teniamo conto che ogni turbina costa più di 2 milioni di sterline/MW, è naturale domandarsi se esiste un modo più economico per generare energia eolica

Lo studio del professor Iakovos Tzanakis è il primo ad analizzare in modo completo i diversi aspetti relativi alle prestazioni delle pale eoliche verticali, compresi l’angolo della matrice, la direzione di rotazione, la spaziatura della turbina e il numero di rotori. Ed è anche la prima ricerca a indagare i miglioramenti delle prestazioni delle turbine eoliche ad asse verticale sul piano della produzione energetica e deli costi.

L’importanza dell’utilizzo di metodi computazionali nella comprensione di tali meccanismi non può essere sottovalutata, sottolinea Tzanakis. E questo tipo di studio non rappresenta che una frazione dei costi rispetto alle enormi strutture di prova. Il che è particolarmente importante nella fase di progettazione iniziale ed è estremamente utile per le industrie, che puntano a ottenere la massima efficienza di progettazione e potenza in uscita.

Questo studio ha la possibilità, in futuro, di prendere in esame infrastrutture eoliche verticali più grandi, aggiungendo più turbine o diventando addirittura tridimensionale. Insomma, le potenziali applicazioni delle pale eoliche verticali sono infinite, perché le turbine sono più economiche e più facili da produrre e da manutenere.

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Paola Cozzi
Giornalista dal solido background acquisito lavorando presso i più prestigiosi Editori italiani | Ventidue anni di esperienza nello sviluppo di prodotti editoriali b2b, cartacei e digitali | Vent'anni alla direzione di una testata b2b in tema di Sicurezza anticrimine di tipo fisico | Attualmente si dedica al Giornalismo Digitale ed esplora nuove tecniche e nuovi stili di comunicazione
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