Superconduttori per le Turbine Eoliche di nuova Generazione

In un’ottica di produzione energetica su larga scala, l’eolico offshore è una delle tecnologie rinnovabili più promettenti. Infatti, l’installazione di aerogeneratori in mare aperto consente di sfruttare venti più continui ed intensi. Inoltre, la mancanza di vincoli paesaggistici permette di massimizzare la dimensione delle turbine, e quindi, l’output dell’impianto. Ne è esempio il mastodontico progetto Hornsea Two, a largo delle coste dello Yorkshire. Con i suoi 1.8 GW di potenza in un’area di 400 km², sarà il più grande parco eolico al mondo.

Uno dei problemi di questa tecnologia deriva dalle crescenti dimensioni, i.e. peso, delle turbine. È stato calcolato che, se la tecnologia odierna fosse utilizzata per costruire aerogeneratori da 20 MW, la torre dovrebbe sostenere un peso di 1800 tonnellate a 170 metri sopra le onde.

Come diminuire il peso delle turbine con i super-conduttori?

Gli aerogeneratori ad asse verticali presentano tre componenti fondamentali: (1) Il rotore che consta di pale e mozzo, (2) La navicella contenente albero di trasmissione, generatore, la strumentazione di controllo, e (3) La torre che sostiene i primi due componenti. Una parte fondamentale per il funzionamento degli aerogeneratori è il moltiplicatore di giri alloggiato nella navicella. Mentre il rotore non può raggiungere velocità troppo elevate per esigenze di resistenza meccanica, il generatore ad induzione necessita che l’albero ruoti ad alto numero i giri per generare potenze significative. Si può infatti dimostrare che la potenza erogata dal generatore è proporzionale al prodotto tra campo magnetico statorico e velocità di rotazione. Per ovviare a questa disparità, il moltiplicatore è inserito tra rotore e generatore. Il moltiplicatore può costituire fino al 38% del peso totale della turbina e necessita continua manutenzione. Una delle soluzioni più suggestive per snellire il complesso navicella-rotore fa uso di materiali superconduttori per eliminare il moltiplicatore. Una serie di magneti super-conduttori al di-boruro di magnesio sono utilizzati per sostituire i magneti permanenti o gli avvolgimenti statorici nel generatore. A causa del crollo della resistenza elettrica a temperature criogeniche (decine di Kelvin), i super-magneti possono essere utilizzati per produrre fortissimi campi magnetici senza incorrere in forti perdite per effetto Joule. Inoltre, i forti campi magnetici statorici possono compensare per la bassa velocità dell’albero, eliminando la necessità di inserire il moltiplicatore, e quindi diminuendo il peso del complesso navicella-rotore.

I materiali super-conduttori ed il ruolo dell’Italia

Un materiale è detto superconduttore si comporta come un perfetto conduttore elettrico al di sotto di una certa temperatura critica. Si parla di materiali superconduttori ad alta temperatura quando la temperatura critica è maggiore di quella dell’azoto liquido (77 K). Sebbene il di-boruro di magnesio (MgB2) sia superconduttivo solo a temperature inferiori a 40 K, il prezzo di questo materiale per fini di produzione e manifattura batte quello di tutti i superconduttori ad alta temperatura (circa 4€ al metro di cavo). Tra le aziende leader nello sviluppo di superconduttori al di-boruro di magnesio c’è la Culumbus Superconductors, con sede a Genova. L’azienda è stata partner, tra gli altri, di Suprapower e del US Department of Energy, e gioca un ruolo di primo piano nello sviluppo di questa tecnologia che potrebbe rendere le dimensioni dell’eolico off-shore ancora più impressionanti.