Confronto tecnico economico tra impianti eolici off-shore e on-shore

1 Introduzione
L'energia eolica è stata tra le prime fonti energetiche rinnovabili ad essere stata sfruttata 
dall'uomo. Oltre al suo utilizzo nella navigazione a vela che ha origine intorno al 4000 a.C., 
grazie ai mulini a vento (probabilmente costituiti da un sistema ad asse verticale) che 
risalgono al 3000 a.C., l'energia del vento poteva essere convertita in energia meccanica e 
utilizzata per l'irrigazione o per la macinazione dei cereali. In Europa i primi mulini 
comparvero solo nel medioevo (intorno al 1100), ma si diffusero rapidamente, in quanto 
potevano essere impiegati sia per scopi agricoli che per scopi industriali. A metà del 1800 ad 
esempio in Olanda si contavano circa 9000 mulini in funzione. Proprio in questi anni l'energia 
eolica venne utilizzata per la prima volta per la generazione di energia elettrica, ma durante la 
prima metà del 1900 le turbine eoliche vennero soppiantate dalle centrali a carbone. Negli 
anni ''70  l'aumento dei costi energetici ha risvegliato l'interesse verso l'energia eolica, e molti 
paesi aumentarono i fondi per la ricerca e lo sviluppo dell'energia eolica. Attualmente, 
escludendo il grande idroelettrico, l'eolico rappresenta la fonte rinnovabile più importante.
Nonostante l'energia eolica rappresenti solo una piccola parte dell'energia elettrica prodotta in 
tutto il mondo, in alcune nazioni si riesce a soddisfare una consistente parte del fabbisogno 
elettrico nazionale.
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Tabella 1.1: Renewable 2007 Global Status 
Report
Eolico 74
Mini-idroelettrico 73
Biomasse 45
Geotermia 9,5
Fotovoltaico connesso alla rete 5,1
Fotovoltaico isolato 2,7
Solare termodinamico 0,4
Maree 0,3
207
Grande idroelettrico 770
4300
Potenza installata 
nel mondo [GW]
Totale delle rinnovabili (escluso 
il grande idroelettrico)
Potenza elettrica totale installata 
nel mondo
Il settore eolico ha avuto, e sta avendo, uno sviluppo molto rapido nel tempo ed è di fatto la 
risorsa energetica con il più alto tasso di crescita annua. Questa crescita così veloce è legata 
soprattutto all'abbattimento dei costi dell'energia eolica: oggi infatti il costo dell'energia eolica 
è la quinta parte del costo nel 1980. Particolare attenzione va posta all'eolico off-shore che, 
sebbene per ora rappresenti solo l'1,24% della potenza eolica installata nel mondo, si sta 
rapidamente guadagnando una porzione di mercato sempre più grande, soprattutto nei paesi 
del nord Europa. 
Nel seguente studio verranno quindi eseguito un confronto tra la tecnologia off-shore e quella 
on-shore.
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Tabella 1.2: dati statistici Terna
Eolica Idrica Fotovoltaica Termica Geotermica Nucleare Totale
% [TWh ]
Danimarca 13,4 0,0 0,0 86,6 0,0 0,0 45,6
Spagna 7,8 9,9 0,1 62,0 0,0 20,2 298,0
Irlanda 6,6 4,7 0,0 88,9 0,0 0,0 27,9
Portogallo 6,0 23,4 0,0 70,5 0,2 0,0 49,1
Germania 4,8 4,2 0,2 64,4 0,0 26,3 636,5
MONDO 0,7 16,3 0,0 68,1 0,3 14,7 18971,9
Tabella 1.3: Renewable 2007 Global Status Report
Nazione
Danimarca 426 36,6%
Regno Unito 404 34,7%
Svezia 133 11,4%
Paesi Bassi 127 10,9%
Finlandia 30 2,6%
Irlanda 25 2,1%
Spagna 10 0,9%
Germania 7 0,6%
Cina 2 0,2%
Giappone 1 0,1%
Potenza installata off-
shore [MW]
% della potenza off-
shore mondiale
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Tabella 1.4: crescita della potenza eolica installata nel mondo
Anno
1980 10 10 0 0,0%
1981 25 15 150,0% 0 0,0%
1982 90 65 260,0% 0 0,0%
1983 210 120 133,3% 0 0,0%
1984 600 390 185,7% 0 0,0%
1985 1020 420 70,0% 0 0,0%
1986 1270 250 24,5% 0 0,0%
1987 1450 180 14,2% 0 0,0%
1988 1580 130 9,0% 0 0,0%
1989 1730 150 9,5% 0 0,0%
1990 1930 200 11,6% 0 0,0%
1991 2170 240 12,4% 5 0,23%
1992 2510 340 15,7% 5 0,20%
1993 2990 480 19,1% 5 0,17%
1994 3488 498 16,7% 7 0,20%
1995 4800 1312 37,6% 12 0,25%
1996 6100 1300 27,1% 29 0,48%
1997 7600 1500 24,6% 29 0,38%
1998 10200 2600 34,2% 32 0,31%
1999 13600 3400 33,3% 32 0,24%
2000 17400 3800 27,9% 46 0,26%
2001 23900 6500 37,4% 96 0,40%
2002 31100 7200 30,1% 256 0,82%
2003 39431 8331 26,8% 558 1,42%
2004 47620 8189 20,8% 623 1,31%
2005 59091 11471 24,1% 713 1,21%
2006 74133 15042 25,5% 924 1,25%
2007 94122 19989 27,0% 1165 1,24%
Potenza 
cumulativa 
installata [MW]
Crescita 
annua 
[MW]
Tasso di 
crescita 
annua [%]
Potenza cumulativa 
installata off-
shore[MW]
Potenza cumulativa 
installata off-shore 
[%]
2 L'energia eolica 
2.1 L'origine del vento
Il vento è uno spostamento di masse d'aria dovuto a l riscaldamento differenziato 
dell'atmosfera terrestre da parte del sole. Il sole però influenza solo indirettamente i fenomeni 
atmosferici. L'atmosfera è sostanzialmente trasparente alle radiazioni solari, che quindi 
incidono sulla superficie terrestre e possono essere assorbite, riflesse o diffuse. La parte di tali 
radiazioni che viene assorbita produce il riscaldamento della Terra, che a sua volta emette 
radiazioni termiche con una lunghezza d'onda maggiore di quelle solari, alle quali l'atmosfera 
non risulta trasparente. Assorbendo queste radiazioni l'atmosfera si riscalda. La diversa 
inclinazione con cui i raggi solari colpiscono la superficie terrestre genera un riscaldamento 
differenziato delle massa d'aria costituenti l'atmosfera, provocando variazioni di pressione e 
densità. Tali variazioni producono lo spostamento dell'aria dalle zone a pressione maggiore 
verso quelle a pressione minore. La forza che da origine al vento è quindi una forza di 
pressione, e la velocità del vento è proporzionale al gradiente barico tra le due zone.
Nelle zone polari ad esempio i raggi solari sono molto inclinati  e quindi c'è un minor 
riscaldamento rispetto alle zone equatoriali. L'aria che si riscalda nella zona calda diventa 
meno densa e sale, richiamando,a bassa quota, aria dalla zona fredda. Se la terra non ruotasse 
l'aria fluirebbe semplicemente dall'equatore verso i poli, poi raffreddandosi riscenderebbe e 
tornerebbe indietro. Un effetto della rotazione terrestre è la deviazione occidentale: una massa 
d'aria che passa da una quota maggiore a una minore incontra masse d'aria ad una velocità di 
rotazione minore (a causa della maggiore vicinanza all'asse di rotazione) e quindi assume una 
velocità apparente verso ovest. I venti inoltre sono sottoposti, sempre a causa della rotazione 
terrestre, alla forza di Coriolis che crea una deviazione verso destra nell'emisfero boreale e 
verso sinistra in quello australe, determinando così la classica forma di cicloni e anticicloni. 
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Illustrazione 1: rappresentazione delle differenze di temperature. Le zone più calde sono in 
rosso e giallo, mentre quelle più fredde sono in blu e celeste
Ad alta quota a causa della mancanza dell'effetto di trascinamento dovuto all'attrito con la 
terra questo fenomeno è ancora più accentuato e i venti (venti geostrofici) sono il risultato del 
bilancio tra forza di Coriolis e la forza dovuta al gradiente di pressione. A quote inferiori a 
1000 metri il vento (vento di superficie) è influenzato dalla superficie terrestre e può assumere 
direzioni e velocità differenti da quelle del vento geostrofico. Per quanto riguarda lo 
sfruttamento dell'energia eolica l'interesse ricade sui venti di superficie. Questi sono 
influenzati dalle condizioni climatiche locali, come nel caso delle brezze di mare e di terra. 
Nelle ore diurne il terreno si scalda molto più velocemente dell'acqua e quindi riscalda lo 
strato d'aria che lo sovrasta. L'aria calda tende a salire verso l'alto  e provoca un abbassamento 
della pressione che genera un vento dal mare verso terra. Di notte il fenomeno si inverte. Un 
fenomeno simile si osserva nelle zone montuose, grazie anche alla conformazione del 
territorio. Durante la mattinata le pendici dei monti si scaldano di più delle pianure e quindi 
scaldano l'aria sopra di loro che risale il versante verso la cima. Di pomeriggio la situazione si 
inverte.
Come si è già detto i venti superficiali sono fortemente influenzati dalla superficie terrestre. In 
genere si distinguono tre diversi fenomeni: la rugosità del terreno, gli ostacoli e l'orografia del 
territorio.
2.2 La risorsa eolica
Allo spostamento di una massa d'aria m con una velocità v corrisponde una certa quantità 
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Illustrazione 2: A sinistra è rappresentata la brezza di valle e di monte, a 
destra la brezza di mare e di terra
di energia cinetica:
E=
1
2
mv
2
La massa d'aria che in un certo tempo t attraversa un mulino tradizionale che spazza una 
superficie A , è data dal volume del cilindro che ha per base A , e per lunghezza
h=v∗t .
Indicando con  la densità dell'aria si ha:
E=
1
2
A h v
2
La potenza sarà quindi data da:
P=
dE
dt
=
1
2
A
dh
dt
 v
2
=
1
2
A v
3
Essendo la potenza proporzionale al cubo della velocità del vento, piccoli incrementi di 
velocità portano a grandi incrementi di potenza, perciò la media matematica della velocità del 
vento non dà informazioni corrette sulla potenza disponibile in un sito.
2.3 Lo strato limite atmosferico
Le masse d'aria in movimento sono rallentate in corrispondenza della superficie terrestre a 
causa della sua rugosità. In particolare la velocità delle particelle prossime alla superficie è 
idealmente nulla, mentre quella delle particelle lontano dalla superficie terrestre tende alla 
velocità della corrente indisturbata. Gli strati fluidi stra il suolo e la corrente indisturbata 
costituiscono lo strato limite. In particolare l'altezza dello strato limite è definita come la 
distanza tra il suolo e il punto in cui la velocità del vento raggiunge il 99% di quella del flusso 
indisturbato. Maggiori sono le irregolarità del suolo, ovvero la rugosità, maggiore sarà lo 
spessore dello strato limite: in zone con piccole asperità, come zone desertiche o la superficie 
del mare lo strato limite atmosferico arriva ad altezze di circa 300 m, mentre in regioni con 
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Illustrazione 3: massa d'aria spazzata dalle pale