Sistemi di generazione per l’energia elettrica basati su velivoli autonomi filoguidati: modellazione e strategie di controllo

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Introduzione
Contenuto
1.1 Energia e sostenibilità: la situazione oggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.1 "Green Economy": non deve essere un’utopia . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.2 Forme e fonti di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.1.3 Corsa al rinnovabile: stiamo facendo bene, ma non abbastanza . . . . 24
1.1.4 L’eolico in pole position per l’energia elettrica . . . . . . . . . . . . 26
1.2 La pala eolica "artefice dei propri mali": soluzioni? . . . . . . . . . . . . 29
1.2.1 L’impatto economico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.2 I limiti fisici e d’efficienza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.3 Le turbine eoliche e il punto sulla sostenibilità . . . . . . . . . . . . 33
1.2.4 Idee visionarie in soccorso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Con questo primo capitolo sarà fornito il contesto base da cui verterà tutta la trattazione. Verrà
discussa l’importanza e la necessità di stabilire un nuovo modello di economia nature-friendly,
sostenuta cioè da fonti di energia rinnovabili. Si proseguirà documentando il ruolo che l’eolico
ha oggi nel contesto delle energie sostenibili, i principali vantaggi così come i limiti che la
tecnologia attualmente più diffusa possiede.
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1.1 Energia e sostenibilità: la situazione oggi
La sostenibilità energetica è chiaramente una delle sfide più urgenti che riguardano il nostro
secolo. Lo sviluppo frenetico della civiltà, il continuo aumento della popolazione, l’inquinamento,
sono problematiche apparentemente distaccate tra loro che trovano però un minimo comune
denominatore nella capacità dell’essere umano di produrre energia.
1.1.1 "Green Economy": non deve essere un’utopia
L’ EIA stima che nel 2050, il consumo internazionale di energia avrà subito un incremento del
50 % rispetto a quello del 2018.
Figura 1.1: Consumo mondiale di energia misurata in EJ (exajoule), dal 2010 al 2050.
È la stessa agenzia a evidenziare come, quanto emerso, derivi decisamente dall’apporto dei paesi
no-OECD
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, dove la forte crescita economica degli ultimi anni (nello specifico di Cina e India)
sta avendo importanti ripercussioni in termini di aumento della popolazione, affollamento del
mercato concorrenziale e corsa agli investimenti. Una situazione ben diversa invece, si evince
dall’andamento molto più pacato che delinea le previsioni consumistiche di quella porzione di
globo che già affermata (paesi dell’OECD quali Francia, Italia, Germania, Stati Uniti, ecc.).
Per ciò che traspare dalla Fig. 1.1, un occhio superficiale giungerebbe ad apparenti ovvie conside-
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Organizzazione internazionale di studi economici avente lo scopo di stabilire un’economia globale
standardizzata. Fondata dalle superpotenze del XX secolo, ad oggi conta 35 stati membri.
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razioni: da un lato un’economia in stallo (investimenti e crescita sono comunque proporzionali ai
fabbisogni energetici) dei paesi "occidentali e occidentalizzati", dall’altro una chiara rivoluzione
industriale delle nazioni meno emergenti del III millennio. Una sorta di "inversione dei ruoli" in
quel gioco geopolitico che è sempre stato motore di capitalismo e globalizzazione.
Attraverso una prospettiva più critica e razionale invece, possiamo dire di essere di fronte a
un’occasione unica e da cui è possibile estrapolare tante considerazioni a favore di quanto si è
prefissato a inizio capitolo (la sostenibilità energetica). Questo perché, di base, un confronto è di
per sé costruttivo e se i protagonisti sono economie affermate e non, esso può condurre a notevoli
vantaggi e benefici. Primo fra tutti, ripercorrere la storia di scelte giuste o approcci risolutivi che
hanno contraddistinto i paesi "che ce l’hanno fatta", può sicuramente indirizzare bene e aiutare i
no-OECD a scartare decisioni istituzionali che, nel passato, portarono conseguenze negative per
chi li fece.
Se questa metodologia è pressoché utopistica per il forte egoismo e nazionalismo delle società di
oggi, dall’altro lato si presenta come un’ottima opportunità in termini di sostenibilità energetica.
Difatti, è proprio quel capitalismo che si è cibato del pesante sfruttamento di combustibili fossili,
a essere stato determinante per la crisi ambientale che oggi stiamo vivendo. Fenomeni naturali
catastrofici, scioglimento delle riserve potabili del pianeta così come la perdita di biodiversità,
sono alcuni delle pesanti conseguenze che l’impatto dell’essere umano (nella sua evoluzione) ha
avuto e sta avendo sulla Terra.
Tra tutti gli studi che ne danno credito, un singolare dato proviene dal Global Footprint Network
nel rapporto sull’Earth Overshoot Day (in italiano, letteralmente: giorno del superamento). A
partire da questo giorno difatti, l’umanità avrà totalmente utilizzato il budget di risorse naturali
che il nostro pianeta mette annualmente a disposizione. La sua data si è spostata in avanti di due
mesi negli ultimi 20 anni fino all’attuale 29 luglio 2019, la data più anticipata in assoluto. Ciò
mette in risalto che l’uomo sta attualmente utilizzando la natura circa 1,75 volte più velocemente
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di quanto gli ecosistemi del nostro pianeta siano in grado di rigenerare. Siamo palesemente di
fronte a circostanze insostenibili sulle quali occorre intervenire immediatamente per scagionare
conseguenze irrimediabili.
Figura 1.2: Cronologia Eath Overshoot Day, dal 1971 al 2019.
L’obiettivo che occorre prefissarsi è dar origine a una "rivoluzione verde" estremamente perva-
siva, che vada a riscrivere ogni precetto economico e sociale già esistente con un’ottica il più
sostenibile possibile, senza però metterne a rischio l’integrità ed efficacia. Le modalità con cui
operare sono e devono essere diverse in relazione alla società che deve accoglierle: parliamo di
un approccio bottom-up (letteralmente "dal basso verso l’alto") per quei paesi sull’onda dello
sviluppo e di una metodologia top-down (letteralmente "dall’alto verso il basso") per quelle
nazioni già affermate. Rispettivamente (e tecnicamente), si parla di Green Economy e Green
Growth.
Il termine Green Economy appare per la prima volta in un report di economisti inglesi commis-
sionato verso la fine del ’900. L’idea alla base del concetto così espresso implicava la necessità di
definire "un’unità di misura" con cui catalogare quelle realtà che progredivano con più riguardo
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verso l’ambiente. Ad oggi invece, numerose sono le definizioni che è possibile accostare a questa
efficace sinestesia ([3], appendice 1); tutte convergono nel diagramma qui di seguito:
Figura 1.3: Diagramma sugli aspetti che compongono lo sviluppo sostenibile.
Ne possiamo derivare che la parola cardine di questo processo di "greenizzazione" sia com-
promesso. Occorre cioè perseguire una costante e dinamica intesa tra tutte e tre le dimensioni
dello sviluppo sostenibile (sociale, economica e ambientale). Esempi pratici affinché essa si
concretizzi possono essere l’introduzione di politiche rivolte alla sensibilizzazione di massa, così
come incentivi agli investimenti in fonti rinnovabili a svantaggio dei carbon-fossili, ecc.
Risulta allora giustificato quanto definito precedentemente: parlare di economia verde come
paradigma top-down, significa plasmare nuove politiche sociali, economiche e ambientali da
rifilare gradualmente in quelle società già ben assestate e quindi difficili da scardinare. E se
analizzassimo lo stesso processo ma "addosso" ai no-OECD? È chiaro che la probabilità di
successo crescerebbe in modo esponenziale: una nazione ancora tanto dinamica è molto più
volubile ai cambiamenti e quindi predisposta ad accettare scelte economiche e sociali anche
molto più pervasive. Dunque, proprio in questa prospettiva, si fa strada il cosiddetto Green
Growth, o anche "Crescita Verde". Pertanto un mondo rispettoso dell’ambiente, dovrebbe essere
diviso tra green economy ed economie in green growth, in cui le prime farebbero da motore
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per le seconde, e viceversa, con una nuova ideologia di progresso incentivata da una sorta di
"globalizzazione sostenibile".
1.1.2 Forme e fonti di energia
Il paragrafo antecedente addita le metodologie non sostenibili per la generazione di energia,
come principale nemico delle green economy. Occorre allora discutere, più in dettaglio, motiva-
zioni e perché alla base di certe affermazioni.
Innanzitutto occorre dare un valido significato al concetto di energia e, per farlo, possiamo
ricondurci alla sua definizione più tecnica. L’energia è intesa come la capacità di un corpo
di compiere lavoro, dove quest’ultimo è definito nei termini di variazione di energia cinetica
posseduta da un sistema fisico in movimento (per definizione stessa). Dunque una domanda
sorge spontanea: che relazione c’è tra energia cinetica e tutte le varie accezioni che comunemente
sentiamo nominare (elettrica, termica, solare, eolica, ecc.)? La risposta proviene sempre dalla
fisica e, nello specifico, può essere tradotta dalla seguente efficace formulazione della prima
legge della termodinamica ([4], pag. 53): l’energia non si crea né si distrugge, ma solo si
trasforma, passando da una forma a un’altra. Che conclusione è possibile derivare? Un generico
corpo reale, sulla base della natura fisica con cui si esprime, è "portare sano" di una o più forme
di energia. Esse, per poter essere fisicamente usufruibili, verranno trasformate in energia cinetica
grazie all’apporto di fonti energetiche messe a disposizione dall’uomo o dalla natura.
Le principali forme di energia
• Energia chimica, contenuta nei legami molecolari.
• Energia elettromagnetica, più comunemente nota come elettrica, è quella posseduta da
una distribuzione di carica elettrica, legata ai campi magnetici ed elettrici che ne derivano.
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• Energia termica, caratterizzante qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo
zero assoluto.
• Energia nucleare, detta anche atomica, che si manifesta tramite trasformazioni dei nuclei
atomici (modifiche della struttura stessa della materia). È intesa sia forma che fonte allo
stesso tempo.
Le principali fonti di energia
• Combustibili fossili, derivanti dalla mutazione di sostanze organiche, nel corso delle
ere geologiche, in forme molecolari ricche di carbonio (per questo motivo detti anche
carbonfossili).
• Energia nucleare.
• Energia idroelettrica, che sfrutta la trasformazione dell’energia posseduta da una certa
massa d’acqua a una certa quota (detta energia potenziale gravitazionale) in energia
cinetica.
• Energia solare, associata alla radiazione solare.
• Energia eolica, ovvero quella che si ottiene sfruttando l’energia cinetica di masse d’aria in
movimento, ovvero dal vento.
• Energia geotermica, generata per mezzo di fonti energetiche di calore, anche direttamente
associabili al calore naturale della Terra.
A differenza delle forme di energia, dalle fonti energetiche si derivano dei criteri con cui è
possibile farne delle opportune classificazioni. Si distingue tra fonti di energia primarie e fonti di
energia secondarie per indicare il "livello di reperibilità" delle fonti: le prime sono quelle diretta-
mente presenti in natura, quali certi combustibili (petrolio grezzo, gas naturale, ecc.); le seconde
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sono prodotte a partire da fonti primarie, come la stessa energia elettrica (bruciando combustibili
fossili ad esempio). Un’altra tipologia di classificazione avviene invece "per esauribilità" e
prevede anch’essa due livelli, semplicemente articolati in fonti non rinnovabili o esauribili e fonti
rinnovabili o non esauribili. Le prime sono essenzialmente tutti i combustibili fossili e nucleari,
forniteci dalla Terra con disponibilità dettata da naturali tempistiche di rigenerazione (ovvero,
assolutamente non controllabili dall’essere umano). Le seconde invece, necessitano di un diverso
discorso per poter essere ben inquadrate.
Così come le fonti esauribili, anche le fonti di energia rinnovabili sono a discrezione intrinseca
del pianeta in cui viviamo ma, a differenza di queste, vengono naturalmente reintegrate in una
scala temporale umana, ovvero sono contraddistinte da un tasso di rinnovo maggiore o uguale
al tasso effettivo di consumo/utilizzo (luce solare, vento, maree e onde, calore geotermico,
ecc.). Inoltre, cosa anch’essa rilevante, vengono ricavate da risorse totalmente prive di emissioni
inquinanti durante il loro utilizzo. Per tutte queste motivazioni, si parla senza dubbio di energie
sostenibili e inesauribili.
Ed ecco che si va a chiudere un primo ciclo di trattazione comprovando in toto quanto fin’ora è
stato discusso. Le risorse rinnovabili hanno un potenziale "sempreverde" estremamente prezioso
per ottenere energia al minimo impatto ambientale. Quindi indirizzare le economie verso una
strada green, rappresenta l’unica vera soluzione per disintossicare la Terra dai combustibili
fossili.
1.1.3 Corsa al rinnovabile: stiamo facendo bene, ma non abbastanza
Al 2017, circa l’80 % della domanda mondiale di energia (’ 600 EJ, Fig. 1.1) viene soddi-
sfatta attraverso l’impiego di combustibili fossili, nella fattispecie di petrolio e derivati, carbone
e gas naturale. Il rimanente 20 % è diversamente distribuito tra le tradizionali e più innovative
fonti di energia rinnovabile.
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Figura 1.4: Consumo mondiale di energia ripartito tra le varie fonti, 2017.
L’associazione internazionale REN21, composta da scienziati, governi e organizzazioni indu-
striali, ammette sì di esser sull’onda di un trend positivo, ma allo stesso tempo dà dei moniti non
incoraggianti. Innanzitutto, per pro, oggettiva è la sempre più crescente sensibilità di paesi e or-
ganizzazioni internazionali alle tematiche ambientali, con la sottoscrizione di un numero sempre
maggiore di accordi per obiettivi da raggiungere sul fronte della sostenibilità, appunto (nel 2018,
+169 tra paesi e organizzazioni e +230 città nel mondo al 2017). Cruciale è anche l’interesse dei
grossi investitori privati che, trovando sempre più concrete opportunità di guadagno in questo
settore, contribuiscono a un mercato fortemente competitivo (rispetto soprattutto al controreparto
fossile).
L’altra faccia della medaglia viene riassunta, nel report, attraverso il titolo "The world is
not on track to meet international climate and sustainable development goals" ([5], pag. 30) o,
in italiano, "Il mondo non è sulla buona strada per poter rispettare gli obiettivi internazionali
sul clima e sviluppo sostenibile". Difatti, in una prospettiva non immediata, la situazione non è
affatto promettente.
La previsione più rosea pronostica che solo intorno al 2050 potremo assistere alla vittoria delle
fonti rinnovabili su quelle non rinnovabili. All’aumento della domanda di energia, si continua
ancora a rispondere con sussidi a favore dei combustibili fossili (+11 % nel periodo 2016 - 2017).
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Figura 1.5: Proiezione sul consumo mondiale di energia con attenzione alle fonti che la generano.
È il comparto del raffreddamento/riscaldamento domestico e industriale a rappresentare un vero
e proprio cancro, tant’è che da solo è la causa del 40 % delle totali emissioni di CO
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.
Occorre allora svegliarsi e gonfiare l’onda verde anche scommettendo in direzioni diverse rispetto
a quelle già affermate (energia elettrica). Per esempio, una totale conversione del settore del
trasporto pubblico, è concretizzabile anche nel breve termine (scommessa già vinta nel settore
privato, dove rilevanti sono le vendite di auto elettriche o ibride).
1.1.4 L’eolico in pole position per l’energia elettrica
L’energia elettrica si conferma oggi come una delle forme di energia essenziali al nostro
vivere quotidiano. Il forte sviluppo tecnologico dell’ultimo secolo, ha reso di fatto l’elettricità
onnipresente in qualsiasi attività o interazione dell’essere umano con la realtà che lo circonda. A
favor di ciò, la cosiddetta energia elettromagnetica presenta numerosi vantaggi a livello tecnico e
ingegneristico: si basa su interazioni microstatiche, a livello atomico, ed è estremamente versatile
sia da trasportare sia nella trasformazione in altre forme di energia. Ne deriva, di conseguenza,
che una produzione sostenibile di energia elettrica rientra a pieno tra i requisiti cruciali di un
paese che intende profilarsi verso il basso impatto ambientale.
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