Tecnologia microeolica: l'ennesima trovata moderna è vecchia più di un secolo

Dopo le turbine ispirate ai serpenti volanti e gli edifici ricoperti di “peli” aeroelastici, le contradittorie e spesso esagerate informazioni con cui ci bombarda internet ci portano ancora ad analizzare un’altra improbabile “idea rivoluzionaria” in materia di microturbine eoliche per installazioni urbane. Si tratta della turbina The Archimedes, battezzata così perché la sua sezione trasversale è appunto una curva detta “spirale archimedea” anche se, da quanto si apprezza nella foto, la versione commerciale del 2015 sembra piuttosto una “spirale di Fermat”.

In copertina: la turbina The Archimedes.

La turbina a sezione elicoidale solida viene presentata come l’ultima frontiera dell’aerodinamica moderna, con tanto di "peer reviewed papers" da scaricare dal sito stesso. Poiché sappiamo tutti che l’Olanda è il paese dei mulini a vento e che le università di Delft e Wageningen hanno lunga tradizione in materia di meccanica di fluidi, si sarebbe a priori portati a credere che effettivamente si tratti di un nuovo prodotto, altamente efficiente. È vero che internet ci bombarda con informazione, spesso sotto forma di “hoax”, amplificati dalle reti sociali e da altri mezzi di “disinformazione di massa”, ma per fortuna fornisce anche il modo di verificare se tale informazione sia vera o meno.

Una ricerca veloce conduce al sito di un altro fabbricante, il quale offre una variante di turbina elicoidale tripala, pomposamente presentata come “A masterpiece of innovation” (un’opera maestra d’innovazione).

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In immagine la turbina Windinstrument.

Allora chi è l’innovatore, l’azienda olandese o quella americana? In questo caso, riuscire a valutare se effettivamente entrambi i modelli sono sviluppi innovativi è un compito difficile per chi è privo di passione per il collezionismo di vecchie pubblicazioni scientifiche, a differenza dell’autore del presente articolo. Si dà il caso che, sia il modello The Archimede che quello Windinstrument, altro non sono che varianti della turbina Dumont, costruita e brevettata dal francese Alexandre Dumont alla fine del XIX secolo e poi caduta nell’oblio.

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Il disegno originale di A. Dumont, brevetto americano 400065A

Sapendo ora che entrambi i prodotti non hanno niente d’innovativo, è lecito domandarsi se effettivamente si tratti di macchine così efficienti come millantano i costruttori. Il sito americano riporta solo belle foto e affermazioni sull’efficienza e silenziosità della turbina, non supportate da alcuna informazione tecnica. Il sito olandese invece, abbonda di informazioni tecniche, ma le stesse appaiono abbastanza sospette.

La velocità delle turbine eoliche: il fattore λ

La fisica delle turbine eoliche ubbidisce a leggi ben precise e una di queste stabilisce che le turbine “lente” sono meno efficienti di quelle “veloci”. La classifica in base alla velocità si riferisce alla velocità specifica, λ,  un parametro adimensionale pari al quoziente fra la velocità tangenziale periferica del rotore e quella del vento. Sono definite “lente” le turbine con  λ<4 e la loro efficienza massima (teorica) non può superare il 58%.

Nel caso concreto della turbina The Archimede, il fattore λ, in condizioni nominali di operazione, è pari a 2,5. L’efficienza teorica, corrispondente a tale velocità specifica λ, è pari al 55%. Le curve d’efficienza aerodinamica (detta anche coefficiente di potenza, Cp), pubblicate dal fabbricante nel documento tecnico, sembrano essere il risultato di una simulazione numerica e riportano un’efficienza massima pari al 50% con λ=2,2. Una tale efficienza appare sospettosamente alta, in particolare se consideriamo che il documento in questione riporta curve Cp vs. λ  diverse a seconda della velocità del vento. Tale concezione non ha senso fisico, in quanto il coefficiente di potenza, Cp e la velocità specifica, λ , sono per definizione  parametri adimensionali, unico modo per poter comparare le prestazioni di turbine eoliche diverse, indipendentemente dalla velocità del vento e dalle dimensioni delle turbine stesse.

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Efficienza comparativa dei diversi tipi di turbina eolica. Immagine tratta dal libro Progettazione di Microturbine Eoliche, Mario A. Rosato, EPC Editore, 2015,  sulla quale è stata sovrapposta la curva d’efficienza “a 9 m/s”  pubblicata dal fabbricante The Archimede

Sebbene non siano disponibili dati verificabili sulle prestazioni aerodinamiche della turbina The Archimede, misurati sul campo, possiamo ragionevolmente dubitare delle prestazioni millantate dal costruttore olandese, non solo in base alle considerazioni teoriche esposte poco innanzi, ma anche per il fatto che le eliche marine e aeronautiche sono appunto rotori con due o più pale dotate di profili alari e non superfici elicoidali piene. Non esiste una differenza formale fra turbina ed elica: la prima estrae l’energia da una corrente di fluido e la converte  in un moto rotatorio, mentre la seconda fa esattamente l’opposto. Pertanto, i principi fisici che valgono per una turbina valgono anche per un’elica. E ancora una volta il collezionismo e l’interesse per la storia della tecnologia ci aiuteranno a risolvere il caso oggetto di studio.

La prova empirica per decidere che tipo di propulsore -elica marina o superficie elicoidale archimedea-  fosse il migliore, fu realizzata in Inghilterra ai primi del XX secolo, mediante un “tiro alla fune” molto originale: due imbarcazioni esattamente uguali, con motori identici, furono rispettivamente dotate di un’elica marina tripala e di un propulsore a superficie elicoidale di pari diametro. Unite da una fune e poste  in un bacino navale, privo di correnti, a tirare in direzioni opposte, l’imbarcazione dotata di elica marina riuscì a trascinare l’altra, a dimostrazione che l’elica tripala è il dispositivo più efficiente per convertire il moto rotatorio dell’asse motore in energia cinetica dell’acqua, e dunque in una forza di spinta. L’aneddoto è descritto nel Museo della Scienza di Londra, nella sala dedicata alla storia della propulsione navale.

Un’ultima riflessione: abbiamo contato 10 articoli in italiano, più o meno scopiazzati, che presentano la turbina The Archimedes come la soluzione per il risparmio energetico delle famiglie italiane, magnificando il suo elevato rendimento e silenziosità. Va detto che i 45 dB dichiarati dal fabbricante  rappresentano  un livello di rumore comparabile a quello di una qualsiasi  turbina eolica di dimensioni simili. È incredibile che ci sia tanta gente che ripubblica notizie senza riflettere sull’attendibilità delle stesse, e senza neanche il minimo senso critico.  Per concludere vi lasciamo un quesito: supponendo che quanto affermato dal fabbricante sia vero,  dove in Italia potrebbe valere la pena installare una microturbina in grado di raggiunge la sua potenza nominale solo con venti pari a 12 m/s (43 km/h) e che, in aggiunta, pesi quasi un quintale? 

Mario Rosato

Mario Rosato Ingegnere

La sua passione sono le soluzioni soft tech per lo sviluppo sostenibile, possibilmente costruite con materiale da riciclaggio. Un progetto per quando andrà in pensione: costruire un'imbarcazione a propulsione eolica capace di andare più veloce del vento in ogni direzione.

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