Cosa ne è stato della turbina eolica ad asse verticale?

Ci sono registrazioni di turbine eoliche ad asse verticale già nel 9° secolo in Persia o anche negli altipiani afgani del 7° secolo a.C. Questi primi VAWT erano semplici dispositivi basati sulla resistenza aerodinamica; un lato della turbina era coperto e il vento spingeva semplicemente le pale sull’altro lato. La VAWT molto più efficiente basata sulla resistenza aerodinamica fu inventata
da Georges Darrieus in Francia nel tardo 1920, brevettando sia la VAWT a pale curve “sbattitore di uova” (qui chiamata semplicemente turbina Darrieus) che la VAWT a pale diritte (qui chiamata rotore H). Anche se Darrieus stesso costruì un certo numero di modelli in piccola scala, sia a pale curve che a pale dritte, le prime VAWT che producevano potenza, basate sul sollevamento aerodinamico, furono costruite dal collega francese Jean-Baptiste Morel che negli anni ’50 costruì un certo numero di turbine Darrieus a pale dritte, fino a 7 kW, nella Francia meridionale.

I ricercatori del National Research Council of Canada (CNCR) reinventarono la VAWT a metà degli anni ’60, apparentemente ignari dei precedenti tentativi francesi dimenticati da tempo.

La ricerca canadese fu riscoperta negli anni ’70 dai Sandia National Laboratories, che oltre alla loro missione principale di sviluppare armi nucleari, erano stati assegnati dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti alla ricerca di risorse energetiche alternative.

Sandia costruì una turbina Darrieus da 60 kW vicino ad Albuquerque, NM, nel 1976, che al tempo divenne la più grande VAWT mai costruita. Anche se Sandia era al centro dello sforzo di sviluppo nordamericano delle VAWT durante gli anni ’70 e ’80, ha costruito solo una VAWT su scala industriale (con questo intendiamo ≥100 kW), una turbina Darrieus da 500 kW eretta nel 1988 a Bushland, TX. Questa turbina sperimentale presentava una velocità variabile, un design senza montanti ed era progettata in modo che la maggior parte delle parti potesse essere modificata per scopi di ricerca. La mancanza di montanti fu probabilmente il fattore principale nel raggiungimento di un coefficiente di potenza (rapporto tra la potenza elettrica in uscita e l’energia eolica in entrata) di 0,43, che molto probabilmente è ancora un record per le VAWTs di taglia utility.

Sforzi Darrieus nordamericani

Collaborando con, o utilizzando la tecnologia del CNRC o Sandia, diverse società hanno iniziato a cercare di commercializzare le VAWTs tipo Darrieus durante gli anni 1970/80.

In Canada, il produttore di alluminio DAF Indal era diventato il principale collaboratore di VAWT con il CNRC e nel 1977 hanno battuto il record di dimensioni stabilito da Sandia l’anno prima con la loro turbina Darrieus da 230 kW, che è stata installata sull’isola Magdalen nel Golfo di San Lorenzo in Quebec, Canada. Questa turbina è anche famosa per aver dimostrato che le VAWT possono davvero essere auto-avvianti. Nel 1978, i tecnici lasciarono il rotore disaccoppiato dalla trasmissione durante la notte, ma i venti forti durante la notte fecero andare il rotore in sovravelocità, il che portò a un guasto al tirante e il rotore alla fine si avvitò da solo al suolo.

Nel 1983-84, DAF-Indal costruì tre turbine da 500 kW, che fondamentalmente erano versioni più alte della turbina da 230 kW. Una delle turbine, che è stata collocata nel San Gorgonio Pass vicino a Palm Springs, CA, è crollata durante un test di tensione dei tiranti prima della messa in servizio, prendendo purtroppo la vita di un ingegnere che si trovava sopra di essa quando è caduta. Un’altra delle turbine, che si trovava a Prince Edward Island, cadde anch’essa al suolo, dopo la rottura di una lama nel 1985. DAF-Indal ha infine interrotto il suo programma VAWT nel 1991.

Nella fine degli anni ’70 la società di alluminio ALCOA di Pittsburgh, PA, ha iniziato a sviluppare VAWT sotto un accordo di trasferimento tecnologico con Sandia. ALCOA costruì un certo numero di grandi turbine Darrieus, comprese tre macchine da 500 kW, che nel 1980 divennero le più grandi VAWT costruite finora. Una delle turbine da 500 kW, situata nel San Gorgonio Pass,
CA, è crollata poco prima della conferenza della California Energy Commission del 1981 nella vicina Palm Springs. Un’interruzione di corrente ha fatto sì che il rotore andasse troppo veloce, e che le pale si staccassero dal loro attacco inferiore e tagliassero i cavi dei tiranti prima di volare via ad una distanza di circa 300 m, e che la turbina cadesse a terra. Naturalmente, la dimostrazione prevista ha dovuto essere cancellata ma, coraggiosamente, un video dell’incidente è stato invece mostrato durante la conferenza, ricevendo una standing ovation dal pubblico. Alla fine, ALCOA cancellò il suo programma VAWT, anche se parti di esso furono vendute alla neonata VAWTPOWER Inc, che installò 40 turbine nel San Gorgonio Pass tra il 1983 e il 1984. Questa struttura, la prima vera fattoria VAWT, era operativa dal 1988.

Quando si parla di fattorie VAWT, viene in mente FloWind. FloWind ha installato più di 500 turbine nel Tehachapi Pass vicino a Los Angeles e nell’Altamont Pass nella baia di San Francisco. I loro modelli da 170 kW e 200 kW sono stati installati tra il 1983 e il 1986 e la capacità totale installata ammontava a circa 95 MW. Quando le ultime turbine FloWind sono entrate in funzione, nel 2004, avevano generato quasi un totale di 1 TWh di elettricità durante la loro vita. Nel 2010 tutte le turbine FloWind erano state rimosse, anche se i resti possono essere trovati sotto forma di una barriera stradale in un passaggio sulla cresta di una collina nel Tehachapi Pass.

Nel 1986, una FloWind-19 ha avuto un guasto catastrofico che ha gettato una lama in un rimorchio di misurazione adiacente, distruggendo il computer DOE/Sandia all’interno. Questo fu l’inizio della fine, poiché questo spaventò gli investitori e FloWind andò in bancarotta.

In comune con gli altri sviluppatori di turbine Darrieus sopra menzionati, FloWind usava pale di alluminio, che erano progettate per flettere. A causa della scarsa capacità dell’alluminio di resistere allo stress ciclico, questo ha portato a guasti indotti dalla fatica. Questi problemi hanno fatto sì che le turbine FloWind sperimentassero più tempi morti delle turbine eoliche ad asse orizzontale installate in California nello stesso periodo. Dopo una riorganizzazione nei primi anni ’90, furono costruiti due prototipi con pale in fibra di vetro, ma questo si dimostrò essere troppo poco e troppo tardi, e una delle turbine con pale in fibra di vetro crollò durante i venti forti.

Una turbina Darrieus dal design un po’ insolito fu usata dalla società canadese Adecon, che impiegò una struttura a traliccio esterna per sostituire i cavi dei tiranti. Nel 1984 hanno costruito una turbina di 17 m e 125 kW sull’Isola del Principe Edoardo. La turbina, che aveva il rotore posizionato a 17 m dal suolo, funzionò solo per poche ore prima di andare in sovraccarico e distruggersi.

Dopo una riorganizzazione, Adecon installò dieci turbine da 150 kW vicino a Pincher Creek, Alberta. Queste turbine non avevano la struttura di supporto del rotore, ma usavano comunque dei tralicci al posto dei cavi di sostegno. I tralicci inducevano risonanze che provocavano guasti ai componenti. Ciò ha causato il crollo di due turbine e ha fatto sì che la maggior parte delle altre non fosse operativa per la maggior parte del tempo. Nel 2006 tutte e dieci le turbine erano state rimosse.

Una menzione obbligata è la possente ÉOLE (francese per Eolo, il dominatore del vento nella mitologia greca), che è stata completata nel 1987 e situata a Cap-Chat, sulla riva sud del fiume San Lorenzo in Quebec. Con un’altezza totale di 110 m, una massa rotante di 880 tonnellate e una potenza nominale di 3,8 MW, ÉOLE ha battuto tutti i record precedenti ed è ancora di gran lunga il più grande VAWT mai costruito. È bello sapere che ÉOLE è ancora in piedi e ospita visite guidate durante l’estate. Una visita è altamente raccomandata: ÉOLE è una leggenda per gli appassionati di energia eolica e la bella penisola di Gaspé è un posto fantastico in generale. Convenientemente, è possibile avere la visita guidata in inglese e se si paga qualche dollaro in più, si può essere portati sulla piattaforma superiore di ÈOLE da dove la vista è spettacolare.

Ci sono state altre turbine Darrieus su scala industriale, anche alcune costruite in Europa negli anni ’80. Ma i tentativi seri sono diventati sempre più rari. I problemi con l’affaticamento delle pale, la necessità di un terreno pianeggiante per ospitare l’attacco dei tiranti e gli svantaggi di avere il rotore così vicino al terreno sono stati tutti motivi per cui il “battitore di uova” Darrieus non è riuscito ad affermarsi come concorrente delle HAWT.

Nel frattempo in Europa

Parzialmente in sovrapposizione con gli sviluppi Darrieus del Nord America, le VAWT furono studiate anche in Europa, ma qui la maggior parte dell’attenzione fu posta sul concetto di rotore ad H, che ha alcuni vantaggi rispetto alla turbina Darrieus convenzionale. La cosa più importante è che di solito è collocata in cima a una torre indipendente, che rende il rotore più alto e rende superflui i cavi di collegamento.

Il progetto europeo VAWT più noto e forse più ambizioso fu quello intrapreso dalla società britannica VAWT Ltd negli anni 80/90, che nacque dalla ricerca condotta da Peter Musgrove alla Reading University nel Regno Unito.

All’inizio, il concetto VAWT Ltd presentava una geometria variabile, che permetteva di piegare le pale per regolare la potenza. Ma dopo aver valutato una turbina da 130 kW a geometria variabile, eretta nel 1986 nella baia di Carmarthen in Galles, si è ritenuto che la potenza potesse essere altrettanto bene controllata in stallo con pale fisse e diritte. Così, il successivo prototipo da 500 kW, eretto nel 1990, aveva pale diritte. Questa turbina sperimentò diversi guasti legati alla trasmissione di potenza e, infine, un guasto devastante di una delle pale in vetroresina. Poco dopo, il finanziamento governativo fu interrotto e il progetto finì.

Negli anni ’90, l’inventore e imprenditore tedesco Götz Heidelberg iniziò a sviluppare un concetto di rotore H a velocità variabile, con magnete PM, presso la società Heidelberg Motor GmbH di Monaco. Nel 1991, il loro primo prototipo su larga scala (300 kW) è stato installato a Kaiser-Wilhelm-Koog sulla costa tedesca del Mare del Nord. Utilizzava un generatore montato a terra ed era sostenuto da tiranti collegati a un cuscinetto superiore che permetteva all’intera torre di ruotare (proprio come una turbina Darrieus). Dopo aver abbandonato il generatore a terra, furono sviluppati cinque nuovi prototipi da 300 kW che avevano il grande generatore ad anello multipolare posto sulla cima di una torre tripode. Dopo che un problema di saldatura portò alla distruzione di una turbina all’inizio del 1995, le altre macchine furono messe fuori uso e infine smantellate, nel 1997. Questo portò anche all’abbandono di uno sviluppo finanziato dall’UE di una versione da 1,2 MW del concetto e questa fu anche la fine di questo sforzo VAWT.

Degno di nota è che Heidelberg ha installato la sua versione più piccola, da 20 kW, per ambienti estremi in una struttura di ricerca tedesca in Antartide che ha funzionato per 15 anni prima di essere smantellata nel 2008.

Sforzi continui

Se nemmeno l’ingegneria tedesca è riuscita a far stare insieme i VAWT, si potrebbe pensare che il concetto sia stato sicuramente abbandonato dopo la metà degli anni ’90. Ebbene, non è stato così, anche se ci è voluto fino al 2010 prima che il prossimo prototipo di rotore ad H su scala industriale fosse costruito, questa volta dalla società svedese Vertical Wind AB.

Nel 2010, hanno eretto un prototipo da 200 kW, a trasmissione diretta e a velocità variabile vicino a Falkenberg, sulla costa occidentale svedese. La turbina, che presentava una torre di legno laminato e un generatore PM multipolare di produzione propria, è stata usata principalmente per le misurazioni, ma è ancora operativa, anche se a velocità del vento limitata. Vertical Wind ha interrotto il suo sviluppo dopo aver perso un investitore chiave nel 2010, ma continua a produrre generatori.

Come i programmi VAWT di DAF Indal e ALCOA degli anni ’70/80, che erano iniziative di produttori di alluminio, la società polacca VAWT Anew Institute, che è attiva oggi, è una filiale del produttore di acciaio Stalprodukt SA. Anew ha eretto un prototipo da 200 kW nel 2015 e soprattutto un prototipo da 1,5 MW nel 2017, che è secondo solo a ÉOLE, il più grande VAWT di sempre, in termini di capacità installata. Non sorprende che nella costruzione venga utilizzato quanto più acciaio possibile, ma per fortuna almeno le pale sono in fibra di vetro.

Che dire delle VAWT galleggianti?

Le turbine eoliche galleggianti sono state identificate (per esempio dall’associazione di categoria WindEurope) come una tecnologia chiave per una grande espansione dell’energia eolica offshore. Il basso centro di massa della VAWT si combina bene con una piattaforma galleggiante e questo ha causato un revival di interesse nel concetto, con un certo numero di progetti di VAWT galleggianti avviati nel corso del 2010.

MODEC, una società giapponese specializzata in piattaforme galleggianti per l’industria del petrolio e del gas, per esempio, ha sviluppato un sistema galleggiante di generazione di energia eolica e di corrente di marea ibrido chiamato skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus). Il concetto consisteva in un rotore ad H sopra la superficie e una turbina Savonius che raccoglieva le correnti sotto. Tuttavia, il loro prototipo da 500 kW è affondato due volte durante la messa in servizio nel 2013/14 e MODEC ha abbandonato le sue ambizioni VAWT.

Un altro tentativo di commercializzare VAWT galleggianti è stato fatto dalla società francese NENUPHAR, che mirava a sviluppare una piattaforma galleggiante offshore da più MW, con due turbine.

Nessuna grande VAWT galleggiante è mai stata impiegata, ma NENUPHAR ha installato un prototipo a terra da 600 kW a Fos-sur-Mer sulla costa francese del Mediterraneo nel 2014 per il quale sono state testate diverse configurazioni di pale. Tuttavia, nel 2018, NENUPHAR è entrata in liquidazione dopo essere stata abbandonata da un partner industriale.

Si potrebbero citare diversi altri sforzi di sviluppo di VAWT galleggianti che aspirano ad essere presto in grado di distribuire grandi prototipi. Ma questa breve retrospettiva è limitata ai progetti che, indipendentemente dal risultato finale, includevano la costruzione effettiva di turbine ad asse verticale su scala industriale. Quindi questi progetti “cartacei” sono omessi qui, ma potrebbero essere oggetto di un futuro rapporto.

La nicchia galleggiante ravviva l’interesse

In sintesi, da essere quasi estinto, il concetto di turbina eolica ad asse verticale ha goduto di un rinnovato interesse negli ultimi anni, specialmente per le piattaforme galleggianti offshore. Competere con il concetto di asse orizzontale, che è diventato sempre più sviluppato tecnologicamente da quando ha battuto le VAWT come standard delle turbine eoliche negli anni ’80, è diventato sempre più difficile, ma il mercato di nicchia galleggiante potrebbe essere l’opportunità che le turbine eoliche ad asse verticale stavano aspettando.

Informazioni sull’autore: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sweden ()

Per maggiori dettagli sulle VAWT menzionate e su altri progetti VAWT più piccoli non trattati qui, il seguente documento è disponibile in open-access: Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, ‘A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above’, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).