Come Dimensionare Un Impianto Eolico

1) Dimensionamento Eolico: Si Parte Dai Propri Consumi

Il primo passo per progettare correttamente un impianto eolico domestico consiste nel comprendere i propri fabbisogni energetici annuali. Questo è essenziale per evitare sovradimensionamenti costosi o, peggio ancora, impianti sottodimensionati che non soddisfano le reali necessità.

Nel contesto residenziale, l’energia eolica viene utilizzata principalmente per integrare la produzione elettrica della rete, abbattendo la bolletta energetica e migliorando l’autosufficienza. In questi casi, la taglia ideale di una turbina va da 1 a 5 kW. Tuttavia, se l’abitazione è completamente scollegata dalla rete elettrica nazionale (off-grid), i requisiti cambiano radicalmente e l’impianto dovrà essere in grado di coprire tutti i consumi, spesso in abbinamento a sistemi di accumulo (batterie) e impianti fotovoltaici ibridi.

Per iniziare il dimensionamento, occorre calcolare il consumo annuo in kWh, reperibile facilmente dalle bollette elettriche: di solito, si trovano valori medi attorno ai 2.500-3.500 kWh per una famiglia di 3-4 persone, ma questo dato può salire fino a 6.000-7.000 kWh se si utilizzano pompe di calore, sistemi elettrici di riscaldamento o veicoli elettrici.

Una volta noto il fabbisogno, bisogna considerare che la produzione reale di una turbina eolica dipende pesantemente dal sito e dalla velocità media del vento. È un errore comune pensare che la potenza nominale della turbina equivalga alla sua produzione costante: in realtà, i dati reali sono molto più bassi. È qui che entra in gioco il rendimento reale della macchina, leggibile nei datasheet tecnici sotto forma di curve di potenza, o stimabile attraverso campagne anemometriche, se si desidera un’analisi professionale del sito.

Una campagna anemometrica consiste nell’installazione temporanea (tipicamente per un periodo minimo di 6-12 mesi) di una centralina di rilevamento dotata di anemometro e datalogger, in grado di registrare i valori di velocità e direzione del vento a intervalli regolari. Solo con questi dati è possibile progettare un impianto affidabile ed economicamente sostenibile.

 

2) L’Incertezza Sulla Producibilità Elettrica

Uno degli aspetti più critici del dimensionamento eolico è legato all’incertezza sulla producibilità. Questo accade perché, a differenza del fotovoltaico, la fonte eolica è molto più instabile e imprevedibile, specie a bassa quota (dove operano le turbine domestiche).

Le turbine microeoliche, con potenze comprese fra 300 W e 5 kW, rappresentano la scelta più diffusa per applicazioni residenziali. Tuttavia, anche le turbine da 10-20 kW possono trovare impiego in contesti agricoli o aziendali. È importante comprendere che la potenza di targa, cioè quella dichiarata dal costruttore, viene raggiunta solo in condizioni ideali di vento (spesso a 12 o 15 m/s), che raramente si verificano nelle località abitate.

La producibilità reale, infatti, è solitamente compresa tra il 20% e il 35% della potenza nominale: questo valore è detto “capacity factor” e varia da sito a sito. Ad esempio, una turbina da 10 kW installata in una zona con venti deboli (4-5 m/s) potrebbe produrre solo 2.500-3.500 kWh l’anno, mentre la stessa turbina in una località costiera o collinare esposta potrebbe superare tranquillamente i 10.000 kWh annui.

La chiave per un dimensionamento affidabile è quindi la conoscenza approfondita della risorsa vento disponibile. In assenza di una campagna anemometrica, ci si può basare su mappe eoliche pubblicate da enti come ENEA, RSE o il GSE, che forniscono dati storici sulle velocità medie del vento a 25, 50 o 75 metri di altezza. Tuttavia, questi dati sono spesso poco precisi a scala locale.

La dipendenza della produzione elettrica dal vento è tale che una differenza di soli 1-2 m/s nella velocità media può tradursi in un raddoppio della producibilità. Per questo motivo, nelle zone con vento scarso (meno di 4 m/s) l’installazione di una turbina eolica non è quasi mai conveniente.

 

3) La Curva Di Potenza Di Una Turbina

La curva di potenza, o profilo di produzione, è il cuore tecnico della valutazione di una turbina. Essa mostra in modo dettagliato la potenza erogata dal generatore in funzione della velocità del vento, e viene fornita dal produttore come parte integrante del datasheet.

Una tipica curva di potenza è suddivisa in tre regioni: la prima inizia dalla velocità di cut-in (spesso 2-3 m/s), cioè il minimo vento necessario per avviare la rotazione; la seconda rappresenta la fase di crescita della potenza, fino al valore nominale; la terza è il plateau, in cui la turbina mantiene la potenza massima fino alla velocità di cut-out (solitamente 20-25 m/s), oltre la quale si arresta per evitare danni strutturali.

Ad esempio, se una turbina da 10 kW produce effettivamente 7,5 kW a 10 m/s, e tale velocità si mantiene per un’ora, allora la produzione energetica sarà di 7,5 kWh. Tuttavia, se la velocità scende a 7 m/s, la produzione potrebbe crollare a 3,5 kW. È evidente quindi che conoscere il profilo di produzione è fondamentale per stimare la resa energetica.

È anche importante sottolineare che esistono due grandi famiglie di turbine: quelle ad asse orizzontale (più diffuse e produttive) e quelle ad asse verticale (più compatte, silenziose e adatte a contesti urbani, ma con rendimenti inferiori).

Per impianti di piccola taglia, la variabilità della curva di potenza tra modelli simili può essere elevata. Per questo motivo è preferibile scegliere turbine certificate secondo standard IEC 61400, le quali sono state testate in condizioni controllate per verificare la coerenza delle prestazioni dichiarate.

 

4) La Dipendenza Dal Cubo Della Velocità

Una delle caratteristiche più peculiari dell’energia eolica è la sua dipendenza dal cubo della velocità del vento. Questo significa che l’energia contenuta in un flusso d’aria cresce in modo esponenziale con la velocità: se la velocità del vento raddoppia, l’energia disponibile cresce di otto volte (2³ = 8).

La formula fisica che descrive questa relazione è:

E = ½ × ρ × V³

dove:

• E è la potenza disponibile nel vento (in W/m²),
• ρ è la densità dell’aria (circa 1,22 kg/m³ a livello del mare),
• V è la velocità del vento (in m/s).

Questa dipendenza esponenziale rende l’energia eolica estremamente sensibile alle variazioni della velocità del vento: ad esempio, un sito con velocità media di 6 m/s produce quasi il doppio rispetto a uno con 5 m/s. Ciò spiega perché impianti installati in zone marginali risultano spesso deludenti nonostante la taglia della turbina.

Tuttavia, va ricordato che la turbina non riesce a trasformare tutta l’energia del vento in elettricità. Il limite teorico massimo, stabilito dalla legge di Betz, è pari al 59,3% dell’energia cinetica disponibile. In pratica, le turbine commerciali hanno rendimenti compresi tra il 35% e il 45%.

Un calcolo rapido: se V = 6 m/s, la potenza per m² è:

E = 0,5 × 1,22 × (6³) = 132 W/m².

Di questi, al massimo 78 W/m² potranno essere convertiti in energia elettrica, se la turbina è ben progettata e collocata.

 

5) La Distribuzione Delle Velocità: Il Fattore Di Weibull

Oltre alla velocità media, un altro elemento cruciale per il dimensionamento è la distribuzione statistica del vento. Infatti, due siti con identica velocità media (es. 5 m/s) possono avere una producibilità molto diversa a seconda della variabilità del vento. Per modellare questa variabilità si utilizza la distribuzione di Weibull, una funzione probabilistica che consente di stimare la frequenza delle diverse velocità del vento.

La distribuzione di Weibull è caratterizzata da due parametri:

• k (fattore di forma), che descrive la variabilità;
• c (parametro di scala), che è legato alla velocità media.

Valori bassi di k indicano vento molto variabile (tipico delle zone montane), mentre valori alti indicano vento costante e regolare (come sulle isole o coste aperte). Ecco alcuni valori tipici del fattore k in funzione dell’area geografica:

Il valore del fattore k è determinante nella progettazione e deve essere inserito nei software di simulazione (come RETScreen, Homer, WindPRO) per ottenere una stima realistica della produzione annua.

Nel caso di installazioni professionali o aziendali, si effettua una valutazione anemometrica su più anni per ottenere la distribuzione di Weibull specifica del sito. Questo consente di dimensionare correttamente la turbina e ottimizzare l’investimento.