Il futuro viene da Santa Barbara

Il Potere Del Vento
di Allison Bruce

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(tradotto ed adattato da VenturaCountyStar.com, 5 Agosto 2007)

Gene Kelley, nella foto sopra, mostra il suo WindWing, sviluppato in collaborazione con la W2 Energy Development Corporation. Egli crede, insieme ai suoi collaboratori, che il suo progetto possa rimpiazzare le attuali turbine di forma elicoidale producendo molta più energia e riducendo i costi.

(http://w2energycorp.com/technology)

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Una compagnia di Santa Barbara, California, potrebbe avere in mano una semplice soluzione per l’energia eolica: il trucco, secondo la W2 Energy, consiste nel guardare non all’elica, ma ad una parte differente dell’aereo.

Mentre la maggior parte delle turbine odierne è costruita a forma di elica, Gene Kelley è convinto che le ali siano un’alternativa migliore per catturare l’energia del vento. Nonostante i principi fisici ed il lavoro richiesto dal progetto non siano né di facile comprensione né di semplice eseguibilità, il concetto che sta alla base del progetto WindWing è abbastanza lineare anche per un bambino.

Chiunque abbia mai messo una mano fuori dal finestrino di un’auto in corsa ha capito come funziona il progetto WindWing. Quando si inclina leggermente la mano verso l’alto, il vento inizia a spingerla verso l’alto, esercitando una spinta sul palmo, fino ad una posizione pseudo-verticale. Analogamente, non appena la mano viene inclinata leggermente verso il basso, il vento, agendo sul dorso, la spinge nella medesima direzione, fintantoché le articolazioni lo consentono. Il movimento risultante, cioè un’oscillazione, è proprio ciò che fornisce energia al dispositivo WindWing.

Kelley, un appassionato di volo che aggiunge decenni di esperienza nell’aviazione al suo lavoro di “ingegnere dei fattori umani”, ha affermato che l’uso di un’ala, contrapposto a quello di un’elica, permette di catturare l’energia del vento in maniera più semplice e più efficiente.

Il concetto che prevede l’utilizzo dell’ala può essere applicato anche all’acqua. In verità, secondo Kelley, qualsiasi mezzo fluido è adatto allo scopo, anche se per il momento la W2 Energy si sta concentrando sull’esclusivo impiego dell’aria.

Nel 2005, Kelley spedì una richiesta di brevetto per il quale non è ancora stata concessa l’approvazione, ma le parole che accompagnano la presentazione del progetto sono davvero molto efficaci: “Vogliamo seguire un metodo migliore nel ricavare energia da qualsiasi tipo di fonte rinnovabile che esista”. Kelley, fondatore della InnovaTech LLC (una società nata con precisi scopi di ricerca nel Giugno del 2006), possiede un background culturale abbastanza variegato, in riferimento a progetti ed invenzioni. Nei suoi 40 anni di esperienza, infatti, ha lavorato a progetti i cui target spaziano dalle miniere di carbone alle portaerei, oltre ad aver fatto parte del team di ricerca che ha sviluppato le bande sonore applicate sul fondo stradale.

La W2 Energy Development Corporation è nata nel Marzo del 2007, con il preciso scopo di sviluppare e concretizzare il concetto che sta alla base del progetto WindWing. L’idea originale era quella di generare energia a basso costo, che fosse anche trasferibile presso quelle zone del mondo colpite da emergenze come tsunami e terremoti. In più, erano anche stati approntati dei piani per dar vita ad una fondazione che avesse l’obiettivo di realizzare e donare i dispositivi.

Tuttavia, il metodo migliore per sviluppare la tecnologia WindWing era costituire una società per azioni: così facendo, si sono create diverse opportunità di investimento, utili a far confluire fondi verso lo sviluppo dei progetti e della ricerca. Nonostante la situazione societaria attuale, Gene Kelley spera ancora di poter costituire una fondazione che gli permetta di raggiungere il suo originale obiettivo filantropico.

Dopo la costituzione della W2 (nome che, ovviamente, si riferisce alle due W che compaiono nella sigla del progetto WindWing, ndT), il primo passo è stato quello di realizzare un prototipo allo scopo di verificare che il concetto base fosse valido. Ci sono voluti mesi di lavoro e diversi rimasugli meccanici per realizzare il prototipo, lo stesso che ora occupa una piccola stanza in fondo ad un hangar del Santa Barbara Airport.

Gene Kelley e David Buckalew, vice presidente di W2, hanno realizzato il prototipo non senza difficoltà ed errori. Le ali erano state realizzate con fogli di metallo nel giardino della casa di Kelley, mentre alcune parti del dispositivo provengono dal meccanismo elettrico usato per controllare l’abbassamento e l’innalzamento dei finestrini delle automobili; il tutto unitamente all’impiego degli stessi pesi che si possono trovare in una qualsiasi palestra. Altre parti, infine, sono state realizzate su misura da un’officina meccanica.

Il prototipo è costituito da 4 ali posizionate ad un capo di un braccio meccanico e da una serie di contrappesi fissati all’altro capo delle stesso; il braccio meccanico, se visto di profilo, risulta essere ripartito da un fulcro in due segmenti, il più corto dei quali è quello alla cui estremità sono fissati i contrappesi: la sua lunghezza, infatti, è di 1 piede (poco più di 30 cm), mentre la lunghezza dell’altro segmento, quello al quale sono applicate le ali, è di 10 piedi (poco più di 3 metri). Kelley ha così rapportato il bilanciamento del braccio meccanico – o semplicemente “barra” – nel fulcro al bilanciamento dei pesi di un’altalena (in termini ingegneristici, si applica un semplice equilibrio alla rotazione scegliendo il fulcro come polo, considerando i momenti flettenti che si generano per effetto dei contrappesi da una parte, e delle ali dall’altra; ovviamente, data la differenza di peso tra le ali ed i contrappesi, per ottenere l’equilibrio dei momenti è necessario che la coppia generata dal peso delle ali abbia un braccio maggiore – il rapporto, infatti, è di 10 a 1 – di quella generata dai contrappesi, ndT).

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Amplificazione del sollevamento

Proprio perché il segmento cui sono collegate le ali è realizzato con una proporzione di 10 a 1 nei confronti dell’altro, la spinta esercitata dal vento nel sollevare la barra risulta amplificata: 200 libbre di spinta sulle ali (corrispondenti a circa 91 kg peso, ndT) equivalgono ad un ton (approssimabile intorno ai 1000 kg peso, ndT) di forza impiegabile. Nell’applicazione pratica, il rapporto tra spinta del vento e forza impiegabile sarà determinato da fattori quali le condizioni del vento e la lunghezza delle ali.

L’accensione di un ventilatore, nella stanza in cui è conservato il prototipo, genera una corrente d’aria che si muove ad una velocità di 6,7 miglia all’ora (cioè 10,8 km/h, ndT): tutto ciò è sufficiente a far muovere il segmento collegato alle ali verso l’alto. Quando esso raggiunge la posizione sommitale, scatta un sensore di posizione che modifica l’orientamento delle ali, facendole inclinare verso il basso e cambiando quello che viene definito “angolo di impatto”. Il segmento viene quindi spinto verso il basso finchè non raggiunge la posizione infima: a quel punto, viene di nuovo modificato l’angolo d’impatto, per permettere al segmento di risalire.

L’apparato si muove lievemente, possedendo delle molle che, posizionate sul fulcro, si comprimono quando il segmento con le ali si trova nelle due posizioni estreme (sommitale ed infima), e si decomprimono quando il segmento è in posizione intermedia, per conferirgli una spinta nella direzione opposta dalla quale esso proviene. Questo semplice accorgimento, con molle che si comprimono e decomprimono in continuazione, consente di non sciupare energia durante la fase di inversione direzionale del segmento cui sono attaccate le ali.

Il cambio di orientamento delle ali (in gergo chiamato “flapping”) è il diretto responsabile di uno dei tanti vantaggi che il prototipo WindWing ha rispetto alle tradizionali turbine elicoidali: la probabilità di impatto con i volatili è di molto ridotta.

Nel modello WindWing attualmente impiegato, all’estremità cui sono fissati i contrappesi (la quale, sottolineo forse in maniera superflua, asseconda i movimenti dell’altra estremità, essendo evidentemente la barra un corpo unico, ndT) è possibile collegare una pompa: il movimento direzionale su-giù della barra può essere sfruttato, infatti, per comprimere l’aria, per pompare l’acqua o per generare ulteriore elettricità.

Secondo le parole di Ron Pretlac, capo dell’ufficio operativo di W2, “Sarà una tecnologia di indiscusso successo. Data l’elevata varietà di applicazioni, essa genera una vastissima gamma di nuove soluzioni.”

Stando ai dati dell’American Wind Energy Association, l’energia eolica attualmente produce meno dell’1% del quantitativo di energia elettrica utilizzato su base annua negli Stati Uniti. Tale ente condivide col presidente Bush la convinzione che il vento può produrre fino al 20% del fabbisogno energetico della Nazione.

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Riduzione delle emissioni di CO2

Ancora secondo l’American Wind Energy Association, se il 10% del potenziale eolico dei 10 Stati più ventosi fosse catturato, le emissioni di anidride carbonica degli Stati Uniti potrebbero ridursi di un terzo. Christine Real de Azua, assistente alle comunicazioni dello stesso ente, ha ammesso che la domanda di impianti eolici è cresciuta ad un ritmo talmente elevato che si esaurirà la disponibilità di turbine entro l’inizio del 2008. Di conseguenza, i costruttori stanno investendo nella realizzazione di nuovi apparati produttivi per adeguarsi alle richieste.

Gli esponenti della W2 sono sicuri che il loro approccio nei confronti della questione possa convincere più persone dei meriti dell’energia eolica. Naturalmente, l’aspetto più importante riguarda l’efficienza energetica degli impianti. Una turbina odierna, a forma elicoidale, riesce a convertire in elettricità fino al 45% dell’energia impiegata dal vento per muovere le pale.
La produttività delle turbine elicoidali è aumentata in contemporanea al miglioramento della tecnologia delle pale, mentre la loro manutenzione è calendarizzata nei periodi in cui la velocità del vento è ridotta, in modo da garantire all’utenza un periodo di utilizzo più lungo.

Kelley non è in disaccordo col fatto che le turbine elicoidali possano catturare l’energia del vento con cui entrano in contatto, ma è preoccupato per tutto il vento che le tre pale costituenti la turbina elicoidale si lasciano sfuggire. Ciò accade poiché la superficie delle tre pale – o lame – che entra in contatto col vento è molto ridotta. Egli ritiene, inoltre, che questo particolare si traduca nel fatto che viene catturato soltanto il 5% del volume contenuto in una colonna cilindrica d’aria. Il vento, in più, tende a colpire parti diverse delle pale a velocità differenti: la turbina, pertanto, è costretta a regolare la propria posizione, impiegando parte dell’energia prodotta.

Il progetto WindWing garantisce alle ali una superficie d’impatto col vento sensibilmente superiore rispetto a quella delle pale. Tutto ciò si traduce, ovviamente, in un aumento del potere sollevante, e di conseguenza in un aumento dell’energia prodotta. Secondo la W2, l’efficienza produttiva del progetto WindWing può raggiungere il 60% (ciò significa, evidentemente, che se il vento esercita sulle ali una spinta complessiva di 100 kg peso, la produzione energetica si attesta sui 60 kg peso, mentre nel caso delle turbine elicoidali si arriva ai 45 kg peso, ndT).

Su un singolo pilone possono essere montati, a diverse altezze, più dispositivi WindWing: ognuno di essi può essere regolato, in funzione delle diverse velocità del vento alle varie altezze, in modo da ottimizzare la produzione energetica. L’angolo d’impatto può essere regolato anch’esso, in maniera tale da avere un angolo maggiore quando il vento è più debole, ed un angolo minore quando il vento è più potente.

La W2 sta ricercando il massimo numero di dispositivi WindWing installabili su un singolo pilone. Il progetto consente che le ali abbiano dimensioni variabili, da quelle di un tavolo usato per le conferenze a quelle di un Boeing 747. Alla luce di questo, impiegando ali dalla superficie maggiore è possibile contenere il numero di piloni da installare sul territorio, producendo lo stesso quantitativo di energia delle turbine elicoidali: secondo Kelley, infatti, un singolo pilone WindWing può sostituire da 8 a 12 piloni con turbine elicoidali.

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Una soluzione meno costosa

Una turbina elicoidale delle più comuni, con pale che hanno una lunghezza di 40 metri e che generano una potenza di 1,8 megawatts, possono arrivare a costare più di 1,5 milioni di dollari (più di 970.000 euro, ndT). Turbine più piccole, dedicate a singoli insediamenti residenziali o industriali, possono costare fino a 80.000 dollari (qualcosa in più di 50.000 euro, ndT), secondo l’American Wind Energy Association.

Nonostante si trovi ancora allo stadio iniziale, Kelley crede che la tecnologia WindWing possa avere dei costi (di acquisto ed esercizio) attestabile intorno al 10%, al massimo, dei costi di una normale turbina elicoidale. Naturalmente, nel determinare il costo complessivo concorrono importanti fattori, tra i quali spicca la posizione del sito d’istallazione.

Per aumentare i vantaggi di istallazioni di questo tipo, si è pensato anche a montare celle fotovoltaiche sulla superficie delle ali. L’idea di avvicinare il più possibile il sistema WindWing all’utenza, ma soprattutto alle necessità dell’ambiente, ha portato verso la convinzione che sia la tecnologia WindWing che quella WaterWing possano essere impiegate per gli impianti di sollevamento che afferiscono agli acquedotti e per generare energia sfruttando il passaggio dell’acqua nelle condotte.

Attualmente, secondo Kelley, la raccolta di fondi di investimento per la produzione e l’installazione della tecnologia proposta dalla W2 necessita di una cifra compresa tra i 5 ed i 7 milioni di dollari, permettendo al progetto di evolvere dallo status di prototipo a prova di concetto a quello di un nuovo prototipo, più grande e funzionale.

La W2, inoltre, è alla ricerca di parti di territorio sulle quali, previo accordo di affitto con i proprietari, installare per prova tre differenti prototipi. Una volta realizzato, il sito-prove avrà la funzione di dimostrare fattivamente – e dal vivo – i pregi dei progetti. Una parte degli sforzi dello staff della W2 è diretta, naturalmente, verso l’individuazione del modo migliore per entrare sul mercato, potendo contare sul potenziale interesse del settore agricolo, di quello industriale e delle abitazioni dei privati.

In conclusione, nonostante la W2 non disdegnerebbe il supporto delle istituzioni, quando i suoi tecnici osservano il prototipo andare su è giù nel retro dell’hangar, non pensano affatto ai soldi o alla politica: sanno che sono lì ad osservare cosa il potere del vento può fare.

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L'Eolico in Numeri (2005)

Fonte: American Wind Energy Association

• Capacità generante installata negli USA: 11603 Megawatts
• Capacità generante installata nel mondo: 74225 Megawatts
• Elettricità generata dal vento negli USA: 31 miliardi di kwh, cioè lo 0,7% del fabbisogno totale nazionale
• Quantità di CO2 emessa con 31 miliardi di kwh da combustibili fossili: 19 milioni di tonnellate
• Potenziale dell'Eolico negli USA: 10770 miliardi di kwh all'anno
• Tasso medio di crescita dell'industria eolica negli USA: 22% negli ultimi 5 anni
• Numero medio di abitazioni USA servito da 1 megawatt di Eolico: 250-300
• Numero indicativo di abitazioni USA servito dalla capacità installata: 3190825 (su un totale di 106884524, cioè il 3% circa, secondo il sito www.census.gov).