Wind energy is soaring in the U.S.; the nation’s renewable energy capacity has more than tripled in the past nine years, and wind and solar power are largely responsible. Ora le aziende vogliono sfruttare ancora di più l’energia eolica, ad un prezzo più economico, e uno dei modi migliori per abbassare i costi è quello di costruire turbine più grandi. Ecco perché un’alleanza di sei istituzioni guidate da ricercatori dell’Università della Virginia sta progettando la più grande turbina eolica del mondo a 500 metri di altezza – quasi un terzo di un miglio di altezza, e circa 57 metri più alta dell’Empire State Building.

Le turbine sono già notevolmente più grandi di quanto fossero 15 o 20 anni fa. Le dimensioni variano, ma oggi le torri tipiche dei parchi eolici sono alte circa 70 metri, con pale lunghe circa 50 metri. La loro potenza dipende dalle dimensioni e dall’altezza, ma generalmente varia tra uno e cinque megawatt – nella fascia superiore, è sufficiente per alimentare circa 1.100 case. “C’è questa motivazione per passare a turbine eoliche più grandi, e la ragione è piuttosto economica”, spiega John Hall, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l’Università di Buffalo, S.U.N.Y. Una ragione per cui le turbine giganti sono più convenienti è che il vento soffia più forte e più costantemente ad altitudini maggiori. Così, “si cattura più energia” con una struttura più alta, dice Eric Loth, capo del progetto della turbina massiccia, che è finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).

Un altro motivo per cui gli esperti del vento dicono che più grande è meglio: le pale della turbina più lunghe catturano anche il vento in modo più efficiente, e le torri più alte consentono lame più lunghe. La potenza di una turbina è direttamente collegata alla sua “area spazzata” – l’area circolare coperta dalla rotazione delle pale – spiega Christopher Niezrecki, professore di ingegneria meccanica e direttore del Center for Wind Energy all’Università del Massachusetts Lowell. E questa relazione non è lineare: se la lunghezza delle pale raddoppia, un sistema può produrre quattro volte più energia, spiega Niezrecki. Egli nota che le turbine più grandi hanno anche una velocità di “taglio” più bassa, la velocità del vento alla quale possono iniziare a generare energia.

Il team di Loth vuole progettare un sistema da 50 megawatt con pale lunghe 200 metri, molto più grandi delle turbine eoliche di oggi. Se i ricercatori avranno successo, credono che la turbina sarebbe 10 volte più potente delle attrezzature esistenti. Ma gli scienziati non intendono semplicemente sovradimensionare i design convenzionali; stanno cambiando fondamentalmente la struttura della turbina. La macchina ultragrande avrà due pale invece delle solite tre, abbassando il peso della struttura e tagliando i costi. Loth dice che ridurre il numero di pale renderebbe normalmente una turbina meno efficiente, ma il suo team sta usando un design aerodinamico avanzato che, secondo lui, compensa ampiamente queste perdite.

Il team immagina anche queste strutture gigantesche in piedi almeno 80 chilometri al largo, dove i venti tendono ad essere più forti e dove le persone sulla terraferma non possono vederli o sentirli, secondo Loth. Ma potenti tempeste colpiscono questi luoghi, ad esempio sulla costa orientale degli Stati Uniti nell’Oceano Atlantico, quindi il team di Loth ha affrontato il dilemma di creare qualcosa di massiccio che sia anche relativamente leggero e ancora resistente di fronte agli uragani. Per affrontare il problema, i ricercatori hanno guardato a una delle soluzioni di design della natura: le palme. “Le palme sono molto alte ma strutturalmente molto leggere, e se il vento soffia forte, il tronco può piegarsi”, dice Loth. “Stiamo cercando di usare lo stesso concetto: progettare le nostre turbine eoliche per avere una certa flessibilità, per piegarsi e adattarsi al flusso.”

Nel progetto del team, le due pale si trovano sottovento alla torre della turbina, piuttosto che sopravento come nelle turbine tradizionali. Le pale cambiano anche forma con la direzione del vento, come una palma. “Quando le pale si piegano all’indietro con un angolo sottovento, non c’è bisogno di costruirle così pesanti o forti, quindi si può usare meno materiale”, spiega Loth. Questo design riduce anche la possibilità che i venti forti pieghino una lama rotante verso la sua torre, facendo potenzialmente cadere l’intera struttura. “Le pale si adattano alle alte velocità e iniziano a piegarsi, quindi ci sono meno forze dinamiche su di esse”, dice Loth. “Vorremmo che le nostre turbine fossero in grado di gestire venti superiori ai 253 chilometri orari” in condizioni non operative. Al di sopra di una velocità del vento di 80-95 chilometri all’ora il sistema si spegnerebbe e le pale si piegherebbero lontano dal vento, in modo da poter sopportare raffiche violente, aggiunge Loth.

La turbina da 500 metri deve ancora affrontare delle sfide – ci sono buone ragioni per cui nessuno ne ha ancora costruita una vicina a queste dimensioni: “Come si fanno le pale da 200 metri? Come si fa a metterle insieme? Come si erige una torre così alta? Le gru arrivano solo fino a un certo punto. E con l’eolico offshore, ulteriori complicazioni”, dice Niezrecki. Il progetto del team include una lama segmentata che potrebbe essere assemblata da pezzi sul posto, ma Niezrecki nota che l’industria eolica non ha ancora capito come segmentare le pale. “Ci sono molte domande di ricerca da affrontare”, dice. “È sicuramente ad alto rischio, ma c’è anche il potenziale per un’alta ricompensa. Non credo che questi problemi siano insormontabili”. Hall si chiede anche se una turbina così massiccia sia la dimensione ottimale. “Stiamo capendo che più grande è meglio. La domanda è: quanto più grande? Abbiamo bisogno di trovare quel punto dolce”, dice. “Impareremo molto da questo progetto”.

Loth e il suo team devono ancora testare un prototipo; attualmente stanno progettando la struttura e il sistema di controllo della turbina, e quest’estate stanno costruendo un modello molto più piccolo di quello reale – circa due metri di diametro. La prossima estate hanno in programma di costruire una versione più grande con due pale lunghe 20 metri, che produrrà meno di un megawatt di potenza e sarà testata in Colorado. Lo stesso Loth non è sicuro al 100% che la turbina mastodontica del suo team diventerà una realtà, ma è sicuro che vale la pena provare. “Questo è un concetto molto nuovo, quindi sicuramente non ci sono garanzie che funzionerà”, dice. “Ma se funziona, rivoluzionerà l’energia eolica offshore”.