1. Introduzione

In questa ricerca andremo a descrivere dal punto di vista meccanico, strutturale e ambientale il mondo delle centrali elettriche, studiandone il funzionamento e mostrandone qualche esempio. All’inizio verrà mostrato il funzionamento di base di tutte le centrali elettriche dal punto di vista fisico e ingegneristico, che come scopriremo è lo stesso per tutte, poi andremo a mostrare qualche esempio generale, per poi focalizzarci sulle centrali eoliche, approfondendo come esempio il parco eolico di Rivoli Veronese. Alla fine, dopo un accenno a degli sviluppi futuri legati all’intelligenza artificiale, concluderemo con un commento dal punto di vista pratico, economico e ambientale.

2. Come si genera corrente

Sostanzialmente, ogni centrale elettrica funziona allo stesso modo con il meccanismo turbina – generatore (alternatore) – trasformatore. Quello che differisce tra un tipo di centrale e le altre è solo il modo con cui si mette in moto questo meccanismo, ovvero la sorgente (vedi punto due). Il processo, come detto, parte dalla turbina, una macchina motrice rotativa a fluido, il cui organo essenziale è rappresentato da una ruota provvista di palette periferiche convenientemente profilate per ricevere energia cinetica da un fluido, sotto forma di velocità o di pressione. Attraverso un albero motore, la turbina, trasferisce il suo movimento rotatorio all’alternatore, il dispositivo che trasforma energia cinetica in energia elettrica. L’alternatore contiene delle spire conduttrici che ruotano in un campo magnetico. Le spire devono muoversi ininterrottamente, cioè avere sempre energia cinetica, affinché l’alternatore continui a fornire energia elettrica. Nel nostro l’alternatore è mantenuto in movimento dalla rotazione della turbina.

Le spire, dato il loro moto rotatorio all’interno del campo magnetico, risentono di un flusso del campo magnetico variabile, che per la legge di Faraday-Neumann-Lenz a sua volta genera una differenza di potenziale anch’essa variabile, che segue la variazione del flusso del campo magnetico. L’alternatore produce così una tensione alternata (con andamento sinusoidale) che cambia valore ma si ripete dopo un periodo T, che è il tempo impiegato dalla spira a fare un giro completo. La tensione alternata provoca a sua volta una corrente alternata che scorre con intensità variabile. Ecco come il movimento meccanico di una turbina ha generato corrente elettrica. Generata la corrente, però, bisogna fare i conti con un'altra problematica: la dispersione di energia elettrica in calore per mezzo dell’effetto Joule che avviene nei cavi della rete di trasmissione e di distribuzione. Per contenere le perdite di potenza durante il trasporto a lungo raggio conviene avere un’intensità di corrente bassa e una tensione elevata. Un trasformatore di corrente è un dispositivo che, a seconda delle sue proprietà costruttive, innalza o abbassa la tensione alternata (e allo stesso tempo riduce o aumenta la corrente) senza causare perdite significative di corrente (solitamente un trasformatore è efficiente al 99.5%). Si pensi che nelle cabine elettriche cittadine, grossi trasformatori abbassano la tensione da centinaia di kV a 10-20 kV, corrente che verrà poi ridotta ulteriormente prima che arrivi nelle case dove la tensione è 230 V. Un trasformatore è composto da due bobine di resistenza trascurabile, avvolte attorno a uno stesso nucleo di ferro. Le due bobine fanno parte di due circuiti diversi, non connessi l'uno all'altro da alcun filo. Il circuito primario è alimentato dalla tensione alternata da trasformare e produce un campo magnetico che varia nel tempo, nel circuito secondario, di conseguenza, si genera una forza elettromotrice indotta, che costituisce la tensione trasformata. Il nucleo di ferro aumenta l'intensità del campo magnetico e fa sì che tutte le linee di campo interne alla bobina del primario entrino anche nella bobina del secondario. In sostanza, le linee di campo restano intrappolate all'interno del nucleo di ferro e ne seguono la curvatura. Così, attraverso ogni sezione trasversale del nucleo stesso, il campo magnetico produce un uguale flusso del campo magnetico: tale flusso passa per la superficie circondata da ogni singola spira del circuito primario e del secondario. Scegliendo opportunamente il numero di spire dei due circuiti del trasformatore, è possibile modificare il valore efficace della tensione alternata nel modo che si desidera.

3.1 Centrali Termoelettriche

Le centrali termoelettriche sono impianti che producono energia elettrica sfruttando il calore generato dalla combustione di combustibili fossili, come carbone, gas naturale o petrolio. Questo calore viene utilizzato per riscaldare acqua e trasformarla in vapore ad alta pressione, il quale aziona una turbina collegata a un generatore elettrico. Il funzionamento si basa su un ciclo termodinamico, solitamente il ciclo Rankine. L'acqua viene riscaldata in una caldaia fino a diventare vapore. Il vapore ad alta pressione fa girare la turbina, la cui rotazione viene trasformata in energia elettrica attraverso l'alternatore. Dopo aver attraversato la turbina, il vapore viene condensato nuovamente in acqua in un condensatore e riportato nel ciclo. Uno dei vantaggi delle centrali termoelettriche è la possibilità di produrre grandi quantità di energia elettrica in modo continuo, rendendole adatte a soddisfare la domanda di base delle reti elettriche. Tuttavia, presentano anche importanti svantaggi ambientali. La combustione dei combustibili fossili rilascia grandi quantità di anidride carbonica (CO₂), principale responsabile dell’effetto serra e dei cambiamenti climatici, e altri agenti inquinanti. Per ridurre l'impatto ambientale, alcune centrali moderne utilizzano tecnologie più efficienti come il ciclo combinato, che sfrutta sia una turbina a gas che una a vapore, aumentando il rendimento complessivo. Altre soluzioni includono l’utilizzo di filtri e sistemi di abbattimento degli inquinanti. In un contesto di transizione energetica e sostenibilità, le centrali termoelettriche tradizionali stanno gradualmente lasciando spazio a fonti rinnovabili come l’eolico e il solare, ma continuano a giocare un ruolo importante nella produzione elettrica globale, soprattutto nei paesi dove le risorse fossili sono abbondanti.

3.2 Centrali Geotermiche

Le centrali geotermiche sono impianti che producono energia elettrica sfruttando il calore naturale presente nel sottosuolo terrestre. Questa fonte di energia è considerata rinnovabile e sostenibile, poiché il calore interno della Terra è inesauribile su scala umana. Il funzionamento di una centrale geotermica si basa sull’utilizzo di fluidi caldi (come acqua o vapore) che si trovano in profondità, in aree geologicamente attive. Questi fluidi vengono estratti attraverso perforazioni nel terreno e utilizzati per azionare una turbina collegata a un generatore elettrico. Dopo aver ceduto la propria energia, i fluidi vengono reimmessi nel sottosuolo per mantenere il bilancio idrico e termico del sistema. Esistono diversi tipi di centrali geotermiche, tra cui quelle a vapore secco, a flash (o separazione istantanea) e a ciclo binario. Le centrali a vapore secco utilizzano direttamente il vapore proveniente dal sottosuolo, mentre quelle a flash separano il vapore dall’acqua calda. Le centrali a ciclo binario, invece, trasferiscono il calore a un fluido secondario (scambiatore di calore) con punto di ebollizione più basso, rendendole adatte anche a risorse geotermiche a bassa temperatura. Tra i vantaggi principali delle centrali geotermiche ci sono le basse emissioni di CO₂, l’affidabilità e la produzione costante di energia, indipendente dalle condizioni meteorologiche. Tuttavia, ci sono anche limitazioni geografiche, poiché gli impianti possono essere realizzati solo in aree con adeguata attività geotermica. Paesi come Islanda, Italia e Nuova Zelanda utilizzano in modo significativo questa tecnologia, contribuendo alla diversificazione delle fonti energetiche e alla riduzione dell’impatto ambientale.

3.3 Centrali Idroelettriche

Le centrali idroelettriche sono impianti che producono energia elettrica sfruttando l’energia dell’acqua in movimento, una fonte rinnovabile, pulita e largamente utilizzata nel mondo. Il principio di funzionamento si basa sulla trasformazione dell’energia potenziale gravitazionale dell’acqua in energia meccanica, e successivamente in energia elettrica. Una centrale idroelettrica è solitamente costituita da una diga, un serbatoio, delle condotte forzate, una turbina e un generatore. L’acqua viene accumulata nel bacino artificiale creato dalla diga e poi incanalata a forte pressione verso le turbine tramite le condotte. La forza dell’acqua fa ruotare le turbine, collegate a loro volta a un generatore che produce energia elettrica. Esistono diversi tipi di centrali idroelettriche: quelle a bacino, che sfruttano l’accumulo dell’acqua; quelle ad acqua fluente, che utilizzano il flusso continuo di un fiume; e le centrali a pompaggio, che funzionano come sistemi di accumulo, pompando l’acqua verso l’alto durante i periodi di bassa richiesta e rilasciandola quando c’è maggiore bisogno di energia. I vantaggi delle centrali idroelettriche includono la produzione di energia a basse emissioni, l’affidabilità e la possibilità di regolare la produzione in base alla domanda. Tuttavia, la costruzione di dighe può avere un impatto ambientale significativo: modificare il corso dei fiumi, sommergere habitat naturali e richiedere lo spostamento di popolazioni locali. Nonostante questi limiti, l’energia idroelettrica rappresenta una delle principali fonti di energia rinnovabile a livello globale.

3.4 Centrali Eoliche

L'energia del vento, o energia eolica, è conosciuta e sfruttata sin dai tempi più antichi, per navigare e per muovere le pale dei mulini utilizzati per macinare i cereali o per pompare l'acqua. L'energia eolica trova limiti per un'applicazione su larga scala in alcune sue caratteristiche: il vento ha, di solito, una potenza scarsa e intensità irregolare, può cambiare di direzione o mancare del tutto. Esistono però zone sulla Terra dove i venti spirano con regolarità per tutto l'anno, come ad esempio sulle coste o sulle isole. La macchina che trasforma l'energia del vento in energia elettrica è il generatore eolico o aerogeneratore. Il componente essenziale di un generatore eolico è il rotore, costituito da un certo numero di pale fissate sul mozzo e progettate per sottrarre al vento una parte della sua energia cinetica e trasformarla in energia meccanica di rotazione. Il rotore, che dunque è una turbina di per sé, tramite un moltiplicatore di giri, aziona il generatore elettrico (alternatore). > I generatori di piccola taglia hanno rotori del diametro di 12-20 m e una potenza variabile da 20 a 100 kW. Sono utilizzati generalmente da piccole aziende industriali o agricole che si trovano in zone isolate. Le macchine di media taglia hanno potenze dai 100 ai 1000 kW e rotori del diametro di 20-50 m. Le macchine di grande taglia, fine, hanno una capacità da 1000 a 4000 kW e rotori del diametro da 50 a oltre 100 m. In un parco eolico i singoli generatori elettrici di ogni aerogeneratore sono interconnessi con una linea di collegamento a media tensione (generalmente 34,5 kV) e con un sistema di comunicazione per il controllo e monitoraggio remoto. L'energia elettrica prodotta a media tensione viene poi convertita in alta tensione tramite il trasformatore in una sottostazione elettrica di trasformazione ed immessa nella rete elettrica di trasmissione in corrispondenza di una cabina primaria. L'energia elettrica generata dagli impianti varia da installazione a installazione e dipende strettamente dal numero e dalla potenza nominale dei singoli aerogeneratori, dalle condizioni di ventosità del sito e dalla presenza di eventuali vincoli di sito. In molti casi riescono a coprire il fabbisogno elettrico dei comuni ospitanti garantendo anche un surplus energetico, da cui l'operatore trae il profitto dell'investimento. I parchi eolici vengono comunemente distinti in due tipologie: on-shore (sulla terraferma) e off-shore (sul mare). I primi sono posti tipicamente in zone aperte o su rilievi collinari o montuosi, i secondi sul mare vicino a zone costiere. Sono possibili anche parchi eolici con aerogeneratori di tipo minieolico, in genere con potenze elettriche generate inferiori, ma minor impatto ambientale.

3.5 Centrali Nucleari

Le centrali nucleari sono impianti che producono energia elettrica sfruttando il calore generato da reazioni di fissione nucleare. In questo processo, i nuclei di atomi pesanti, come l’uranio-235 o il plutonio-239, vengono bombardati con neutroni e si spaccano in nuclei più leggeri, liberando una grande quantità di energia sotto forma di calore. Questo calore viene utilizzato per trasformare l’acqua in vapore, che mette in movimento una turbina collegata a un generatore elettrico. > Una centrale nucleare è composta da diverse parti fondamentali: il reattore nucleare, dove avviene la fissione; i barre di combustibile che contengono il materiale fissile; i moderatori che rallentano i neutroni; i controlli di sicurezza, come le barre di controllo che regolano la reazione; e infine i circuiti di raffreddamento, essenziali per mantenere il reattore a temperatura sicura. Tutto il sistema è racchiuso in una struttura altamente protetta, chiamata contenimento, progettata per impedire la dispersione di materiale radioattivo. Uno dei principali vantaggi delle centrali nucleari è la loro elevata capacità produttiva: una singola centrale può fornire grandi quantità di energia in modo continuo e stabile, senza emissioni dirette di gas serra, come la CO₂. Ciò le rende una soluzione interessante per combattere il cambiamento climatico. Tuttavia, esistono anche svantaggi significativi. Tra i principali vi è la gestione delle scorie radioattive, che restano pericolose per migliaia di anni e richiedono sistemi di smaltimento sicuri e costosi. Inoltre, il rischio di incidenti gravi, come quelli avvenuti a Chernobyl nel 1986 o a Fukushima nel 2011, solleva preoccupazioni sulla sicurezza dell’energia nucleare. Nonostante ciò, diversi paesi, tra cui Francia, Stati Uniti, Cina e Russia, continuano a investire in energia nucleare, anche attraverso nuove tecnologie come i reattori di quarta generazione e i reattori modulari di piccola taglia (SMR), pensati per aumentare la sicurezza e ridurre i costi. Le centrali nucleari, quindi, rappresentano una fonte energetica potente ma controversa, il cui ruolo nel futuro dipenderà dall’equilibrio tra benefici ambientali, costi economici e gestione dei rischi.

4. Il Parco Eolico di Rivoli Veronese

Un esempio di parco eolico on-shore è quello di Rivoli Veronese, nominato “parco eolico del monte Mesa”. Rivoli Veronese è un piccolo comune montano nella provincia di Verona, relativamente vicino al Lago di Garda e ai piedi del Monte Baldo allo sbocco della Val d’Adige. L'impianto è stato realizzato da AGSM Verona tra il 2012 e il 2013 e conta 4 aerogeneratori da 2 MW ciascuno, per una potenza totale installata di 8 MW a regime. Nel 2017 sono state aggiunte altre 2 pale eoliche, sempre da 2 MW ciascuna, nel comune limitrofo di Affi portando la potenza complessiva dell'installazione a 12 MW. La gestione dell'impianto è ora affidata a AGSM AIM Power. Tutti gli aerogeneratori di questo impianto sono di tipo MM92 con altezza massima tra i 117 e i 146 metri. > Ovviamente il comune di Rivoli Veronese è un luogo caratterizzato da un alta ventosità, dove il vento notturno, il Pelèr, dopo essere stato incanalato naturalmente dalla Val d’Adige acquista maggior forza nelle prime ore della mattina grazie all’aumento delle temperature. Nelle prime ore del mattino delle giornate di alta pressione soffia normalmente alla velocità di 10-14 m/s. morfologici e pedologici dell’area interessata dal parco eolico, oltre ad un processo di partecipazione che ha coinvolto i cittadini residenti, attraverso assemblee pubbliche, dalla progettazione alla realizzazione, associazioni territoriali e oltre all’Amministrazione Comunale. La realizzazione del parco eolico ha comportato numerosi studi e azioni finalizzate al mantenimento e salvaguardia delle bellezze naturalistiche di questa area. Già due anni prima dei lavori, il Corpo Forestale dello Stato ha iniziato l’attività propedeutica al ripristino e mantenimento dei prati aridi, per esempio a protezione delle varie specie di orchidee. È stato inoltre realizzato un percorso ciclabile che collega le piazzole con l’esistente pista ciclabile della Val d’Adige, consentendo in tal modo di arrivare in bicicletta nei pressi dell’impianto. È stato infine creato un “percorso didattico” che, seguendo il crinale del Monte Mesa, permette di visitare gli aerogeneratori passando a fianco dei prati aridi e di documentarsi sulle particolarità tecnico-ambientali del sito, usufruendo di pannelli e didascalie di spiegazione dell’impianto eolico e delle specie floristiche del sito. Dalla sua inaugurazione l’impianto soddisfa il fabbisogno di circa 5.000 famiglie all’anno. Grazie alla produzione di energia elettrica di questo parco eolico, oltre alle royalties previste per il Comune, i residenti del Comune di Rivoli Veronese potranno aderire ad un nuovo contratto di fornitura dell’energia elettrica, fornita dalla stessa AGSM a prezzi agevolati. L’aerogeneratore MM92, progettato e prodotto a partire dal 2005, ha precisamente una potenza nominale di 2050.0 kW, con una velocità di accensione di 3.0 m/s e una velocità nominale col vento di 12.5 m/s (rispettivamente 10.8 km/h e 45 km/h), la velocità di spegnimento è di 24.0 m/s. Il diametro delle pale collegate al rotore è di 92.5 m, mentre la superficie del rotore è di 6720.0 m². L’MM92 è strutturato per avere tre pale, dette anche foglie, collegate al rotore, con una velocità di punta di 73 m/s (263 km/h). Il generatore, con un rapporto di trasmissione 1:120, porta alla formazione di corrente a 690.0 V, poi collegato alla rete elettrica IGBT. Il traliccio ha un altezza del mozzo tra i 70 e i 100 metri, ogni pala pesa 8 tonnellate, il mozzo 17.5 e il rotore ben 41.5 tonnellate.

5. Sviluppi futuri

Negli ultimi anni, in ogni ambito tecnologico, sempre di più si è entrati in contatto con l’Intelligenza Artificiale, detta AI. Anche nel settore energetico, dunque, l’AI sta entrando a far parte di diversi ambiti, dai singoli edifici fino alle reti energetiche su larga scala. Essa viene utilizzata per esempio per il monitoraggio e l’analisi dei consumi, l’ottimizzazione dei processi energetici, o anche per impostare una manutenzione predittiva. Essa potrebbe dunque rappresentare un passaggio fondamentale e di enorme aiuto a tutta l’impresa energetica globale, per rendere più efficiente il lavoro già svolto da ingegneri, fisici, operai e addetti di tutto il mondo potendo arrivare, in futuro, ad operare anche all’interno dello sviluppo delle risorse rinnovabili. Anche in ambito energetico, però, bisogna ricordarsi che l’AI è uno strumento sì utile, ma come ogni cosa va utilizzato nel modo corretto, senza privarsene ma neanche abusandone.

6. Conclusioni

Abbiamo dunque, all’interno di questa ricerca, mostrato l’esempio pratico del parco eolico presente a Rivoli Veronese dopo aver illustrato come un parco eolico effettivamente funziona, non prima di aver dato delle spiegazioni generali sulla produzione di corrente elettrica nelle varie centrali nei primi due punti. Come detto, abbiamo analizzato sotto vari aspetti la produzione di energia a partire dal vento, e da qui possiamo trarre qualche conclusione: l’eolico innanzitutto è una fonte di energia pulita e rinnovabile, e questo è un primo importante punto a favore. Per quanto riguarda gli impianti on-shore e near-shore è anche di facile istallazione, in quanto una volta istallata la pala e gli elettrodotti che portano al trasformatore, il parco eolico non necessita di altre costruzioni, al contrario magari di altre centrali che necessitano svariate serie di strutture e anche precisi e costosi impianti di sicurezza. Quelle off-shore, invece, sono di più complessa istallazione, ma risolvono quello che sembra essere il principale problema dell’eolico: l’inquinamento visivo e acustico. A questo, si aggiunge anche l’impossibilità di poter costruire parchi eolici ovunque, ma solo dove ci siano venti regolari, e che la produzione di energia dipenda esclusivamente da essi, che potrebbero in determinate circostanze essere più deboli del previsto o anche talvolta completamente assenti. Inoltre, gli impianti eolici con la loro azione, vanno a impattare sulla velocità del vento, il che può ridurre anche del 20% la capacità produttiva delle installazioni poste sottovento rispetto ad altri aerogeneratori, fino a 35-40 km di distanza. figura 8: il parco eolico di San Severo (FG) da 54 MW L'impatto sulla velocità del vento risulta inferiore con l'adozione di turbine eoliche di capacità superiore rispetto ad un impianto di pari energia complessiva ma costituito con più turbine eoliche di capacità inferiore. Le installazioni eoliche, in alcuni casi, portando alla riduzione della velocità del vento (circa l'8-9%) e inducono un disturbo nel flusso di esso rischiando dunque di influire sul clima locale. Se sufficientemente grandi, i parchi eolici possono persino alterare la struttura dei sistemi meteorologici come la corrente a getto verso il basso, che portano a impatti modesti sulle condizioni climatiche, come l'aumento delle precipitazioni anche del 10% in alcune aree. Altre criticità di analisi, però, si potrebbero estendere a qualsiasi altro tipo di centrale elettrica. Le centrali che si basano su combustibili fossili hanno i due grandi problemi da sempre discussi: inquinano molto e si basano su risorse che prima o poi finiranno. Le centrali solari e fotovoltaiche si basano sul sole, e una giornata nuvolosa farebbe tornare una cittadina che si basa solo su essa all’età della pietra: senza corrente. Anche per altri tipi di centrali si possono trovare situazioni problematiche, analoghe o differenti: il nucleare è pericoloso ed estrarre e trasportare l’uranio arricchito è un enorme costo, l’idroelettrico muta gli ecosistemi fluviali, e l’energia a partire dai rifiuti necessita di filtri dell’aria costosissimi, e così via. Cosa fare, dunque? È evidente, sotto gli occhi di tutti, che i combustibili fossili siano la soluzione più vantaggiosa: costo moderato, trasportabili e utilizzabili ovunque, di semplice applicazione... ma, anche se non per ragioni ecologiche, bisogna puntare per forza su fonti alternative, perché prima o poi finiranno. L’idea più completa che permetterebbe una transizione moderata e funzionale sarebbe quella di investire un po’ su tutte le altre tipologie di centrali elettriche, per arrivare a un’indipendenza energetica e svincolarci dai combustibili fossili. Ciò andrebbe attuato posizionando centrali eoliche dove c’è vento, centrali che sfruttano sole in zone più soleggiate e meno piovose, alcune centrali elettriche in prossimità delle dighe dei maggiori fiumi e, per colmare il divario per raggiungere il fabbisogno energetico, centrali nucleari, centrali che bruciano rifiuti, centrali geotermiche e anche centrali a combustibili fossili. Il futuro riserverà poi sicuramente altre tipologie di centrali, la più famosa su cui si sta lavorando è per esempio quella a fusione nucleare, ma per poter arrivare a quel futuro in condizioni non irreversibilmente compromesse, tutta l’umanità deve tentare di collaborare nella stessa direzione, una direzione più aperta ad investimenti su energie rinnovabili, più improntata sulla ricerca dell’autosufficienza energetica e ad un uso più responsabile dell’energia.