L’eolico ad alta quota: arriva l’Abbondanza? - 13/07/09
(2381 _READS) 
 di Ugo
Bardi - «The Oil Drum: Europe»
Energia eolica raccolta
ad alta quota grazie all'uso di aquiloni: questa è l'idea
fondamentale della tecnologia Kitegen. In questa configurazione (detta
"a stelo"), l'aquilone raggiunge un'altitudine di circa 1000 metri ed
esercita una trazione su di un generatore elettrico posto al suolo.
L'energia eolica d'alta quota si prospetta come una tecnologia a basso
costo e di facile diffusione, capace, in teoria, di produrre
quantità di energia paragonabili, o addirittura superiori,
alla produzione odierna, basata sui carburanti fossili. (clicca
qui per vedere una rappresentazione animata del funzionamento
dello stelo).
Come mai l'energia é un problema? Dopotutto,
abbonda ovunque intorno a noi. Il Sole proietta sulla superficie
terrestre una dose quotidiana di energia che corrisponde a quasi
diecimila volte quella da noi prodotta (principalmente con lo
sfruttamento dei carburanti fossili). Inoltre, questa stima non include
l'energia geotermica né le prospettive possibili
dell'energia nucleare, specialmente se si parla di quella ottenuta
grazie alla fusione. E' sufficiente un assaggio a questo banchetto
energetico che ci circonda per offrirci più di quanto ci
serva.
Ma, ovviamente, le cose non sono così semplici. Per
soddisfare le nostre necessità dipendiamo ancora dai
carburanti fossili in maniera consistente e la conversione a fonti di
energia alternative si sta dimostrando un processo molto lento e
difficoltoso. La costruzione degli impianti nucleari tradizionali sta
diminuendo (WNA 2009) e l'energia prodotta dalla fusione rimane ancora
una frontiera lontana. Le fonti di energia rinnovabile tradizionali,
come la combustione del legno e l'idroelettricità, hanno
possibilità di espansione molto limitate, mentre le "nuove"
rinnovabili (principalmente la fotovoltaica e l'eolica) producono solo
una minuscola frazione del fabbisogno energetico del pianeta. Per la
prima volta nella storia, l'anno scorso, l'energia fornita da fonti
rinnovabili ha superato quella degli impianti tradizionali in Europa e
negli Stati Uniti (REN21 2009). Le fonti rinnovabili crescono
velocemente, ma possono farlo abbastanza rapidamente da compensare il
consumo dei carburanti fossili?
 E' un problema di costi. Il che può
essere inteso come mero costo monetario oppure come
redditività energetica dell'energia investita (definito con
la sigla EROEI). Come mostrato nei grafici di Charles Hall (2009),
l'EROEI delle fonti rinnovabili è, nella maggior parte dei
casi, ragionevolmente alto (con l'eccezione dei biocarburanti). Si
attesta intorno a 10 per gli impianti fotovoltaici e 20 per quelli
eolici: un ritorno simile a quello della tecnologia nucleare. Sono
ritorni eccellenti, considerando l'investimento, ma non arrivano al
livello che i carburanti fossili raggiunsero nella loro epoca d'oro.
Decenni fa, l'EROEI del petrolio raggiungeva la cifra 100, e forse
anche di più (Hall 2009). E' stato questo altissimo EROEI a
portare i carburanti fossili al predominio che detengono tutt'oggi sul
mercato. Incapaci di raggiungere EROEI così elevati, le
altre fonti energetiche non avevano alcuna possibilità di
competere. Ed, infatti, ancora oggi abbiamo bisogno di energia fossile
per costruire impianti che generano energia di tipo non-fossile. Ma,
con i carburanti tradizionali in netto declino, sarà molto
difficile sostenere la crescita di energie alternative ad un ritmo
abbastanza rapido da fornire una transizione dalle fonti convenzionali
a quelle nuove senza strappi. Possiamo immaginare un mondo
industrializzato che non necessita carburanti fossili, ma pare che non
riusciremo ad arrivarci abbastanza in fretta.
Quindi, siamo di fronte alla maledizione di Tantalo: siamo circondati
da enormi quantità di energia, ma non riusciamo a
sfruttarla. E questo sarà vero finché non
svilupperemo una tecnologia che abbia un EROEI molto migliore di quella
presente. Con un ritorno energetico molto rapido rispetto agli
investimenti, potremmo liberare il sistema energetico mondiale dalla
sua dipendenza dai carburanti fossili. E questo, sfortunatamente,
è più facile a dirsi che a farsi. Internet
è ricca di proclami di presunte rivoluzioni tecnologiche che
promettono molto ma spesso risultano essere solo sogni; o, in alcuni
casi, addirittura truffe. Però, potrebbe esistere una
tecnologia energetica, basata su principi fisici accertati, capace non
solo di promettere, ma di fornire un EROEI alto: l'energia eolica
d'alta quota.
L'idea fondamentale di questo tipo di energia è che il vento
è diventa molto più intenso man mano che ci si
sposta verso le fasce alte dell'atmosfera. La velocità media
del vento aumenta con l'altezza, in base ad una curva esponenziale
(chiamata "esponenziale di Hellman”) pari ad 1/7.
Ma l'energia contenuta in una massa d'aria in movimento aumenta al cubo
della sua velocità. Con un semplice calcolo, scopriremo che
elevando la turbina ad un'altezza di 800 metri, l'energia fornita
aumenta di un fattore di 8 rispetto a quella che otterrebbe a livello
del suolo. Sono possibili incrementi maggiori ad altitudini
più elevate, in cui i venti hanno anche una maggiore
costanza; in questo modo, si evita il problema dell'intermittenza,
tipico delle turbine eoliche tradizionali. Ma, ovviamente, è
impossibile raggiungere queste altezze con l'attuale tecnologia eolica,
che arriva al massimo a 100 metri, a causa del costo e del peso della
torre.
Questo concetto è palese da lungo tempo ed ha generato
svariate proposte per sfruttare l'energia eolica ad altitudini
maggiori. Ci sono due modi possibili per farlo: palloni aerostatici ed
ali. Potete seguire un riassunto degli ultimi sviluppi in materia nell'opera
di Big Gav (2009) pubblicata da TOD. Come potete vedere, ci
sono molte idee in questo campo, molte delle quali si limitano ad
essere semplici schemi su un foglio. In molti casi, la fornitura
energetica dei sistemi proposti è solo un'ipotesi, mentre in
altri casi (come quello dei palloni aerostatici) la
necessità di impiegare una risorsa non rinnovabile
è un limite considerevole.
Comunque, alcuni sistemi sono stati studiati a fondo ed altri testati
con il metodo sperimentale. I sistemi
basati sui rotori sono realizzabili ed quelli basati sugli
aquiloni, in particolare, sono estremamente promettenti. Saul Griffith
della Makani Power ha mostrato alcune
immagini di un esperimento in cui ha impiegato un aquilone a
tre corde. Anche Wubbo Ockels (della Delft University of Technology)
sta svolgendo esperimenti
basati sugli aquiloni. In questo campo, il sistema
più avanzato pare il Kitegen: un aquilone creato da Massimo
Ippolito della Sequoia
Automation, un'azienda italiana. I test sui prototipi di
questo sistema sono stati conclusi ed il primo impianto energetico di
questo tipo è attualmente in costruzione nell'Italia
settentrionale.
Il Kitegen è un semplice sistema aerodinamico: usa aquiloni
d'ultima generazione che ascendono in modo dinamico, volando a 70-80
metri al secondo, che è anche la massima velocità
raggiunta dalle estremità delle pale di una turbina eolica
convenzionale. Nella sua configurazione più semplice
(chiamata "a stelo"), il sistema impiega un solo aquilone, collegato ad
un generatore posto al suolo. L'aquilone si muove come uno yo-yo:
quando sale, genera energia che viene trasformata in
elettricità dal generatore. Quando raggiunge la sua massima
elevazione, viene posto in una configurazione aerodinamica di
stabilità, in modo che possa essere tirato giù
con un dispendio energetico minimo. Due steli che operano in sinergia
potrebbero funzionare come un motore a due cilindri, sebbene la fase in
cui si produce energia durerebbe il 90% del tempo, mentre a quella di
"ritiro" sarebbe molto più breve. Un solo stelo potrebbe
fornire un'energia massima di qualche Megawatt. Impianti più
grandi potrebbero essere utilizzati nella configurazione detta "a
giostra". In questo caso, gli aquiloni volano ad un'altezza costante, a
quota molto più elevata, esercitando una trazione su un
generatore che è disposto su un binario circolare. In questo
caso, l'energia massima ottenibile raggiunge uno o più
Gigawatt.
 Considerati gli studi
dettagliati sul Kitegen, possiamo usarlo per fare una stima dell'EROEI
offerto dai sistemi eolici d'alta quota. Prima di farlo, comunque,
è meglio riassumere i dati che conosciamo sull'odierna
tecnologia eolica. Nalukowe e i suoi colleghi hanno recentemente
condotto una ricerca, per conto della LCA, sulle turbine eoliche
convenzionali da 3 Megawatt: secondo le loro stime, l'energia
necessaria per costruire e manutenere una turbina per un periodo di 20
anni è di circa 8000 Megawatt orari. Dato che il peso totale
della parte della struttura che emerge dal terreno è di 400
tonnellate, possiamo calcolare che abbia un fabbisogno energetico di
circa 20 Kilowatt orari per ogni chilo. La turbina produrrà
160,000 Megawatt orari durante la sua esistenza e quindi l'EROEI finale
è di circa 20.
Qual'è il risultato di un approccio simile alla tecnologia
Kitegen? Secondo Massimo Ippolito (informazioni pubblicate su www.kitegen.com)
l'energia necessaria per produrre un Kitegen da 3 Megawatt è
di 40 Kilowatt orari per chilo, oppure di 40 Megawatt orari per
tonnellata. Questo calcolo prende in considerazione tutti i materiali
necessari per la costruzione: l'acciaio che costituisce la struttura,
il rame dei cavi elettrici, il neodimio ed il boro necessari per i
magneti, il montaggio dei macchinari, il trasporto, la costruzione, et
cetera. Questa cifra include anche i costi energetici relativi al
lavoro degli operai all'impianto e alla periodica sostituzione dei cavi
e degli aquiloni, in un arco temporale di 30 anni.
E' evidente che il Kitegen richiede molta più energia al
chilo di una turbina eolica convenzionale; c'era da aspettarselo:
dopotutto è una tecnologia molto più complessa.
Ma lo stelo è anche più leggero. Un impianto da 3
Megawatt pesa circa 30 tonnellate. Quindi, potremmo stimare che
l'investimento energetico totale per la sua costruzione ruota intorno
ai 1200 Megawatt (30 tonnellate moltiplicate per 40 Megawatt orari a
tonnellata). Se supponiamo che il nuovo impianto funzioni 5mila ore
all'anno, a potenza massima, produrrà approssimativamente
15mila Megawatt orari all'anno, o 450mila in 30 anni. Il risultato
finale è un'EROEI di 375 (!!). Se supponiamo un'esistenza di
soli 20 anni, questa cifra potrebbe ridursi, ma risulterebbe comunque
enorme. Impianti Kitegen più grandi, del genere "a giostra",
riuscirebbero a raggiungere altitudini maggiori, attingere a venti
più forti ed avere un EROEI ancora maggiore. Questo calcolo
è valido per il caso specifico del sistema Kitegen, ma anche
altri sistemi basati su aquiloni o rotori avrebbero EROEI di questa
scala di grandezza.
Ovviamente, questi dati vanno presi con molta cautela, però
sono sufficienti per mostrarci l'enorme potenziale dell'energia eolica
d'alta quota. Gli EROEI più alti di 100 ci riportano
all'epoca d'oro dell'abbondanza e del basso prezzo dei carburanti
fossili, senza tutti i problemi e i pericoli annessi a questo tipo di
fonte energetica.
Un ulteriore vantaggio degli impianti a energia eolica d'alta quota
é l'ubiquità della loro edificabilità;
inoltre, possono fornire energia in maniera sostanzialmente
continuativa (Archer e Caldeira, 2009). Sebbene l'alto costo dello
stoccaggio di energia non possa essere completamente eliminato, ne
risulterebbe assai ridotto. Con l'eolico d'alta quota, potremmo sul
serio avere quel tipo di energia "troppo economica per tenerne conto"
che è stato profetizzato
negli ottimistici anni '50. Non solo avremmo energia economica, ma
potremmo averla in tempi brevi. Consideriamo una turbina eolica
tradizionale, con un EROEI di 20 ed una vita di 20 anni. In questo
periodo, l'energia generata potrebbe essere usata per costruire altre
20 turbine; in media, una all'anno. Un Kitegen, con un EROEI maggiore
di 200, potrebbe essere il "seme" per centinaia di altri Kitegen, con
una media di uno al mese. Con un EROEI di questa dimensione, l'energia
eolica d'alta quota non avrebbe bisogno della "stampella" dei
carburanti fossili: potrebbe crescere con le sue sole forze,
sostituendosi alle fonti fossili molto prima che si consumi l'ultima
goccia di petrolio. Potrebbe anche facilitare la lotta al riscaldamento
globale, offrendo un rapido taglio ai gas serra prodotti dai carburanti
fossili.
Ovviamente, tutto questo è da considerarsi un sogno,
finché non sarà testato e verificato. Ma, come
minimo, è un sogno dalle solide basi fisiche ed
ingegneristiche. Ma, anche se accettiamo in linea teorica il basso
costo e l'alto EROEI, dobbiamo tenere a mente che il pianeta Terra
è un sistema limitato. Quindi, quali sono i confini ultimi
dell'eolico d'alta quota?
Si stima che circa il 2% dell'energia solare che arriva sulla
superficie terrestre si trasformi in energia eolica. L'atmosfera non
è un motore termico molto efficiente, ma si tratta di una
quantità di energia tale che un semplice 2% risulterebbe
abbondante rispetto alle nostre necessità. Si stima che il
totale dell'energia accumulata in forma eolica corrisponda a circa 2000
Terawatt (Hurley 2009), o forse più, secondo altre stime.
Per capire la mole d'energia di cui si sta parlando, potremmo fare in
confronto: l'energia primaria totale che l'umanità produce
oggigiorno corrisponde ad una media di circa 16 Terawatt. Quindi non
c'è dubbio che l'energia eolica sia abbondante: secondo una
ricerca del 2005 di Archer e Jacobson, già a 80 metri
d'altezza troviamo un livello di energia tale che, con le attuali
energie eoliche, sarebbe sufficiente per generare un quantitativo di
energia eolica pari al totale della produzione energetica odierna. Ma
c'è n'è un quantitativo maggiore ad altitudini
più elevate e dovremmo sfruttarne solo una bassa percentuale
di esso per riuscire a soddisfare il nostro attuale fabbisogno.
Un problema potrebbe essere costituito dall'effetto dei rotori o degli
aquiloni sulla circolazione del vento atmosferico. Questo aspetto
è stato esaminato da Archer e Caldeira (2009) grazie all'uso
di modelli climatici. I risultati mostrano che attingere a questo tipo
di energia potrebbe ridurre le precipitazioni. Tale effetto sarebbe
comunque poco significativo (una riduzione delle precipitazioni dello
0,1%) se volessimo raggiungere un quantitativo energetico pari al
nostro fabbisogno odierno. Ciononostante, questo effetto collaterale
limita la portata della tecnologia eolica d'alta quota. Utilizzarla per
produrre un quantitativo di energia pari a dieci volte il nostro
fabbisogno odierno potrebbe risultare sconveniente. Si tratta comunque
di grandissime quantità di energia gratuita e a bassissimo
impatto sugli ecosistemi terrestri. Potrebbe essere anche accresciuta,
indirettamente, se impiegassimo l'energia eolica per fabbricare
pannelli fotovoltaici o altre tipologie di impianti solari. Non
dovremmo essere sorpresi da questo tipo di prospettive. Dopotutto, come
abbiamo detto, siamo circondati da alti quantitativi di energia e, se
riuscissimo a trovare il modo di sfruttarla, perché non
farlo?
Con in mano questi dati eccezionali, potremmo essere tentati dal
considerate l'energia eolica d'alta quota una tecnologia energetica
quasi senza confini. Ma sarebbe un errore. La produzione dell'energia
non è statica: procede congiuntamente all'economia e, se
l'economia è alimentata da una fonte di energia economica ed
abbondante, tende a crescere esponenzialmente. La crescita esponenziale
è pericolosa ed ingannevole: potremmo sbattere la testa sul
limite massimo della sfruttabilità dei venti d'alta quota
molto prima di quanto ci si aspetterebbe.
Ma esiste un problema ancor più serio: l'energia non
è l'unico parametro da cui dipende l'economia. L'abbondanza
di un bene non equivale all'abbondanza di tutti gli altri.
Un'abbondanza di energia elettrica non si traduce necessariamente in
un'abbondanza di alimenti, sebbene è certo che
l'elettricità possa essere usata come sostitutivo
dei carburanti fossili nei processi agricoli. Che il nostro
problema non sia solo relativo all'energia è confermato dai
modelli sviluppati per la serie "I limiti della crescita" (Meadows
2004). I modelli in questione possono essere impiegati con scenari che
presuppongono alti (o addirittura infiniti) quantitativi di energia
disponibile, ma il risultato è che un sistema economico
collassa a causa dell'impatto generato da una combinazione di
sovrappopolazione ed inquinamento sull'agricoltura e sull'ambiente. Per
evitare il collasso, sarebbe necessario bloccare sia l'economia che la
popolazione ad un livello stazionario. Ed, anche se ci riuscissimo, il
consumo graduale dei minerali ci costringerebbe a produrre quantitativi
energetici sempre maggiori per mantenere invariato il flusso attuale
dei beni minerali (Diederen 2008, Bardi 2008). Quindi, anche con un
livello abbondante di energia, avremmo bisogno di riciclare e riusare i
beni prodotti.
Detto questo, anche se il livello di energia è abbondante,
è necessario considerare la limitatezza del sistema
energetico del pianeta Terra. In ogni caso, l'energia eolica d'alta
quota ci offre la speranza di un futuro di relativa abbondanza, e anche
di prosperità, se saremo capaci di mantenere stabili
l'economia e la popolazione ed evitare di sfruttare in maniera
eccessiva le nostre risorse minerali e l'agricoltura.
Riconoscimenti: l’autore ringrazia Massimo Ippolito per i
suoi commenti e spunti per questo articolo.
Nota: l’autore non è finanziariamente collegato
alla Kitegen Research S.r.l, la società che sta sviluppando
il sistema kitegen descritto nel presente articolo. Ha, tuttavia, un
piccolo interesse finanziario in "Wind Operations Worldwide" (WOW),
formata da un gruppo di piccoli investitori che intendono finanziare lo
sviluppo dell’energia eolica ad alta quota, in particolare
del sistema kitegen.
References
Archer, C. L., and Jacobson, M.Z., 2005, "Evaluation
of global wind power".
Archer, C. L. and Caldeira, K, 2009, ."Global assessment of high
altitude wind power".
Bardi, U, 2008, "The universal
mining machine".
Big Gav, 2008, "Alternative Wind
Power Experiments - SkySails and Airborne Wind Turbines"
Diederen A., 2008 , "Minerals
scarcity: A call for managed austerity and the elements of hope"
Hall, C and Lambert, J. G., 2009 (accessed) "The
balloon diagram and your future"
Hurley, B. 2009, "How much wind energy is there?" "How
much wind energy is there?"
Meadows, D. Randers, J, and Meadows D., 2004 "The Limits to Growth, the
30 years update", # ISBN 1-931498-58-X,
REN21, 2009, , "Renewables:
global status report"
WNA (World Nuclear Association) 2009, "World
Nuclear News 2009".
Fonte: http://europe.theoildrum.com/node/5538
Traduzione a cura di Massimo Spiga per
Megachip
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