Turbina eolica: come funziona, tipi e quanto dura

La turbina eolica è la macchina che trasforma il vento in elettricità: un rotore con le pale cattura l'energia del movimento dell'aria, un albero la trasmette a un generatore e un sistema di controllo decide quando partire, quanto spingere e quando fermarsi. In italiano si usa spesso anche il termine aerogeneratore, che indica la stessa cosa. Qui vediamo come è fatta dentro, che differenza c'è tra le turbine ad asse orizzontale e quelle ad asse verticale, come si legge la sua curva di potenza e quanto dura.

Turbina eolica o aerogeneratore: di cosa parliamo

Le turbine eoliche si dividono in due grandi famiglie, a seconda di come è orientato l'asse di rotazione. Secondo la U.S. Energy Information Administration, quasi tutte le turbine in funzione sono ad asse orizzontale, con pale simili a un'elica, di solito tre. Le turbine ad asse verticale hanno invece le pale fissate in alto e in basso a un rotore verticale.

Le taglie sono molto diverse. Una piccola turbina in grado di alimentare una sola abitazione può avere una potenza di circa 10 kW, mentre le macchine più grandi citate dall'EIA arrivano a circa 15 MW. Negli Stati Uniti, secondo il Land-Based Wind Market Report del Lawrence Berkeley National Laboratory, le turbine terrestri installate nel 2023 avevano in media una potenza nominale di 3,4 MW.

Come funziona una turbina eolica, dal rotore alla rete

Il vento investe le pale e mette in rotazione il rotore. Il movimento però è lento: nelle turbine con moltiplicatore l'albero lento gira a circa 8-20 giri al minuto, mentre molti generatori hanno bisogno di migliaia di giri al minuto. Per questo, come spiega il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, tra rotore e generatore si inserisce un moltiplicatore di giri (gearbox), che aumenta la velocità di rotazione e permette di usare un generatore più piccolo.

L'alternativa è la trasmissione diretta (direct drive): il rotore è collegato direttamente al generatore, senza moltiplicatore. In questo caso il generatore ha un grande anello di magneti che gira alla stessa velocità delle pale. Secondo il Dipartimento dell'Energia, questa soluzione semplifica i sistemi della navicella e può aumentare efficienza e affidabilità, perché evita i problemi legati al moltiplicatore.

Il resto del lavoro lo fanno i sistemi di controllo:

• Anemometro: misura la velocità del vento e invia i dati al controllore.
• Controllore: avvia la turbina quando il vento è sufficiente e la spegne quando è troppo forte, per evitare danni.
• Sistema di passo (pitch): cambia l'angolo delle pale rispetto al vento per regolare la velocità del rotore e l'energia catturata; con vento eccessivo mette le pale «in bandiera» per rallentare il rotore ed evitare danni.
• Sistema di imbardata (yaw): ruota la navicella per tenerla rivolta verso il vento nelle turbine sopravento.
• Freno: tiene fermo il rotore dopo lo spegnimento, ad esempio durante la manutenzione.

La torre, di solito in acciaio tubolare e montata in cantiere in tre sezioni, porta tutto in alto perché la velocità del vento cresce con la quota e, sopra i 30 metri circa, il flusso è meno turbolento.

Turbina eolica ad asse orizzontale e ad asse verticale

L'eolico verticale ha un vantaggio evidente: secondo l'Enciclopedia Britannica può sfruttare il vento da qualsiasi direzione, senza bisogno di orientarsi. Il tipo più noto è la turbina Darrieus, dal nome dell'ingegnere aeronautico francese Georges Darrieus, che la brevettò negli Stati Uniti nel 1931, con pale curve ad arco. Le prestazioni però restano inferiori: le turbine verticali in uso sono pochissime e, come nota la Britannica, la maggior parte non è economicamente competitiva con quelle orizzontali.

La curva di potenza: quando parte e quando si ferma

Ogni turbina ha una curva di potenza che lega la velocità del vento all'elettricità prodotta. Si leggono tre valori. La velocità di avvio (cut-in) è quella a cui la macchina comincia a produrre; la velocità nominale è quella a cui raggiunge la potenza massima; la velocità di arresto (cut-out) è quella oltre la quale si ferma per sicurezza. Tra la velocità nominale e quella di arresto la potenza resta di fatto costante, perché il sistema di passo «scarica» il vento in eccesso.

Un esempio concreto è la turbina di riferimento da 15 MW sviluppata nell'ambito del Task 37 dell'IEA Wind e documentata dal National Renewable Energy Laboratory: parte a 3 m/s, arriva alla potenza nominale a circa 10,6 m/s e si ferma a 25 m/s. Il rotore da 240 metri gira, alla potenza nominale, a circa 7,6 giri al minuto. È una macchina a trasmissione diretta, con un generatore sincrono a magneti permanenti.

Poiché il vento non soffia sempre alla velocità nominale, una turbina produce in un anno molto meno di quanto farebbe a piena potenza. Il rapporto tra energia prodotta e massimo teorico si chiama fattore di capacità. Negli Stati Uniti, secondo il Berkeley Lab, nel 2023 era in media del 33,5% sull'intero parco eolico terrestre e del 38,2% per gli impianti costruiti nel 2022.

Consiglio: quando leggete la presentazione di un nuovo impianto, non fermatevi alla potenza in megawatt. Il dato che conta per capire quanta elettricità arriverà davvero in rete è la producibilità attesa, espressa in MWh o GWh all'anno, che dipende dal vento del sito.

Quanto dura una turbina eolica

La vita utile delle turbine si è allungata con l'esperienza. Un'indagine del Lawrence Berkeley National Laboratory tra esperti del settore eolico statunitense, pubblicata nel 2019, ha rilevato che all'inizio degli anni Duemila si stimava una durata di circa 20 anni, salita a circa 25 verso la metà degli anni Dieci; oggi le ipotesi vanno da 25 a 40 anni e la maggior parte degli intervistati indica 30 anni.

Con l'età la produzione cala. Nei dati del Berkeley Lab, al ventesimo anno il fattore di capacità di un impianto mediano scende a circa il 70% di quello registrato nel secondo anno di esercizio. Per questo, a fine vita, chi gestisce un parco eolico può scegliere tra riparare e aggiornare le macchine, smantellarle e ripristinare il sito, oppure fare repowering, cioè sostituire le vecchie turbine con modelli nuovi e più efficienti nello stesso luogo.

Domande frequenti

Che differenza c'è tra turbina eolica e aerogeneratore?

Nessuna nella sostanza: sono due nomi per la stessa macchina, che converte l'energia del vento in elettricità.

Quanta energia produce una turbina eolica da 3 MW?

Dipende dal vento del sito. Come semplice ordine di grandezza, con un fattore di capacità del 33,5%, la media del parco terrestre statunitense nel 2023, una turbina da 3 MW produrrebbe circa 8.800 MWh all'anno (3 MW × 8.760 ore × 0,335). In un sito meno ventoso la produzione è più bassa.

A quanti giri al minuto gira una turbina eolica?

Il rotore gira lentamente: nelle turbine con moltiplicatore l'albero lento compie circa 8-20 giri al minuto, e la grande turbina di riferimento da 15 MW circa 7,6 giri al minuto alla potenza nominale. Il moltiplicatore porta poi la rotazione a migliaia di giri al minuto per il generatore.

Le turbine eoliche ad asse verticale convengono?

Per la produzione su larga scala no: rendono meno di quelle ad asse orizzontale e sono poco diffuse. Il loro punto di forza è che non devono orientarsi verso il vento, per questo la ricerca continua soprattutto per impianti integrati negli edifici.

Perché una turbina eolica si ferma con il vento forte?

Per proteggere la struttura. Oltre la velocità di arresto, 25 m/s nella turbina di riferimento da 15 MW, il controllore spegne la macchina: il sistema di passo mette le pale in bandiera e il freno tiene fermo il rotore.