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Una pompa eolica è un mulino a vento utilizzato per pompare acqua, sia come fonte di acqua dolce dai pozzi, sia per drenare terreni a bassa quota. Un tempo comuni nelle fattorie delle zone semi-aride, le pompe eoliche sono ancora oggi utilizzate dove l'energia elettrica non è disponibile o è troppo costosa.

La prima metà del XX secolo vide un ulteriore sviluppo, in particolare un passaggio alle macchine eoliche a elica per la produzione di energia elettrica. Negli anni '20, solo negli Stati Uniti venivano utilizzate 6 milioni di pompe eoliche e la loro produzione e il loro utilizzo erano diventati comuni in ogni continente. Ma la gloria delle pompe eoliche fu di breve durata. Con l'avvento dei combustibili fossili a basso costo negli anni '50 e '60 e lo sviluppo della tecnologia di pompaggio, le pompe eoliche divennero quasi obsolete negli Stati Uniti.

Esistono produttori in diversi paesi in via di sviluppo che ora producono pompe eoliche. L'adozione di macchine eoliche per il pompaggio dell'acqua, tuttavia, è stata generalmente molto lenta, sebbene la tecnologia sia adatta alla domanda di molte regioni di Africa, Asia e America Latina.

Storia

La tecnologia eolica risale a molti secoli fa. Si sostiene storicamente che le macchine eoliche che sfruttano la potenza del vento risalgano all'epoca degli antichi Egizi. Erone di Alessandria usò un semplice mulino a vento per alimentare un organo, mentre l'imperatore babilonese Hammurabi utilizzò mulini a vento per un ambizioso progetto di irrigazione già nel XVII secolo a.C. I Persiani costruirono mulini a vento nel VII secolo d.C. per la macinazione e l'irrigazione, e mulini rustici simili a questi primi modelli ad asse verticale si possono ancora trovare nella regione oggi. In Europa i primi mulini a vento furono visti molto più tardi, probabilmente introdotti dagli Inglesi al ritorno dalle crociate in Medio Oriente o forse trasferiti nell'Europa meridionale dai Musulmani dopo la conquista della Penisola Iberica. Fu in Europa che ebbe luogo gran parte del successivo sviluppo tecnico. Verso la fine del XIII secolo era stato sviluppato il tipico "mulino a vento europeo", che divenne la norma fino a quando ulteriori sviluppi non furono introdotti nel XVIII secolo. Alla fine del XIX secolo in Europa si contavano più di 30.000 mulini a vento, utilizzati principalmente per la macinazione dei cereali e per il pompaggio dell'acqua.

La prima metà del XX secolo vide ulteriori sviluppi, in particolare il passaggio a macchine eoliche a elica per la produzione di energia elettrica. I maggiori progressi nella progettazione delle pompe eoliche, tuttavia, si verificarono negli Stati Uniti. La tecnologia fu adottata e sviluppata dai primi pionieri o coloni che necessitavano di un metodo per sollevare l'acqua di falda per l'irrigazione, l'abbeveramento del bestiame e, in seguito, per fornire acqua alle locomotive a vapore che iniziarono a diffondersi in tutto il paese. In questo periodo, le macchine commerciali subirono diversi sviluppi tecnici significativi: la capacità della macchina di adattarsi automaticamente al vento prevalente; lo sviluppo di un meccanismo di autogoverno che disattivava automaticamente la macchina quando la velocità del vento diventava sufficientemente elevata da causare danni; vari miglioramenti nella progettazione del rotore e nella durata generale e l'introduzione di meccanismi di trasmissione. La tecnologia fu presto adottata in tutto il mondo, soprattutto nelle regioni aride di recente colonizzazione, come Sudafrica, Australia e Argentina, dove in precedenza la mancanza d'acqua aveva sempre impedito l'insediamento e lo sviluppo economico in aree remote. Negli anni '20, solo negli Stati Uniti venivano utilizzate 6 milioni di pompe eoliche e la loro produzione e il loro impiego erano diventati comuni in tutti i continenti.

Ma la gloria della pompa eolica durò poco. Con l'avvento dei combustibili fossili a basso costo negli anni '50 e '60 e lo sviluppo della tecnologia di pompaggio, la pompa eolica divenne quasi obsoleta negli Stati Uniti. Oggi, con le continue crisi del carburante e l'aumento dei prezzi, si è assistito a una rinascita dell'interesse per l'energia eolica, ma la pompa eolica non ha ancora riacquistato lo status che aveva ai suoi tempi d'oro.

Pompaggio eolico per le aree rurali del mondo in via di sviluppo

Esistono produttori in diversi paesi in via di sviluppo che ora producono pompe eoliche. L'adozione di macchine eoliche per il pompaggio dell'acqua, tuttavia, è stata generalmente molto lenta, sebbene la tecnologia sia ben adatta alla domanda di molte regioni di Africa, Asia e America Latina. Laddove vengono utilizzate, la domanda è rivolta a uno dei seguenti usi finali:

• forniture idriche del villaggio
• irrigazione
• forniture di acqua per il bestiame

Il pompaggio dell'acqua è uno dei bisogni energetici più basilari e diffusi nelle aree rurali del mondo. Si stima che metà della popolazione rurale mondiale non abbia accesso a fonti di acqua pulita.

Tecnico

La potenza del vento

I sistemi eolici che si formano sulla superficie terrestre sono il risultato di variazioni di pressione atmosferica. Queste, a loro volta, sono dovute alle variazioni del riscaldamento solare. L'aria calda sale e l'aria più fredda si riversa al suo posto. Il vento è semplicemente il movimento dell'aria da un luogo all'altro. Esistono modelli globali del vento legati al riscaldamento solare su larga scala di diverse regioni della superficie terrestre e alle variazioni stagionali dell'incidenza solare. Esistono anche modelli localizzati del vento dovuti agli effetti delle differenze di temperatura tra terra e mare, o tra montagne e valli.

I dati sulla velocità del vento possono essere ottenuti dalle mappe eoliche o dall'ufficio meteorologico. Purtroppo, la disponibilità e l'affidabilità dei dati sulla velocità del vento sono estremamente scarse in molte regioni del mondo. Tuttavia, aree significative del mondo presentano velocità medie del vento superiori a 3 m/s, il che rende l'utilizzo di pompe eoliche un'opzione economicamente vantaggiosa. È importante ottenere dati accurati sulla velocità del vento per il sito in questione prima di poter prendere qualsiasi decisione sulla sua idoneità. I ​​metodi per valutare la velocità media del vento sono disponibili nei testi pertinenti (vedere la sezione "Riferimenti e risorse" alla fine di questa scheda informativa). La potenza del vento è proporzionale a:

• l'area del mulino a vento spazzata dal vento
• il cubo della velocità del vento
• la densità dell'aria, che varia con l'altitudine

Di seguito è riportata la formula utilizzata per calcolare la potenza del vento:

P _W = ½ ρ AV ³

Dove,

P _W è la potenza in watt disponibile nel vento (W)

ρ è la densità dell'aria in chilogrammi per metro cubo (kg/m ³ )

A è l'area spazzata del rotore in metri quadrati ( ^m2 )

V è la velocità del vento in metri al secondo (m/s)

Il fatto che la potenza sia proporzionale al cubo della velocità del vento è molto significativo. Lo si può dimostrare osservando che se la velocità del vento raddoppia, la potenza del vento aumenta di un fattore otto! Vale quindi la pena trovare un sito con una velocità media del vento relativamente elevata.

Vento in watt

Sebbene l'equazione di potenza sopra riportata fornisca la potenza del vento, la potenza effettiva che possiamo estrarre dal vento è significativamente inferiore a quanto suggerito da questo valore. La potenza effettiva dipenderà da diversi fattori, come il tipo di macchina e di rotore utilizzati, la complessità del design delle pale, le perdite per attrito, le perdite nella pompa o in altre apparecchiature collegate alla macchina eolica, e ci sono anche limiti fisici alla quantità di potenza che può essere realisticamente estratta dal vento. È possibile dimostrare teoricamente che qualsiasi mulino a vento può estrarre al massimo il 59,3% dell'energia dal vento (questo è noto come limite di Betz). In realtà, per una pompa eolica, questo valore si aggira solitamente intorno al 30-40% e per una grande turbina elettrica intorno al 45% massimo (vedere la sezione sul coefficiente di prestazione di seguito).

Quindi, modificando la formula per la "Potenza nel vento", possiamo dire che la potenza prodotta dalla macchina eolica può essere data da:

PM = _{½C p} ρAV ³

Dove,

P _M è la potenza (in watt) disponibile dalla macchina

C _p è il coefficiente di prestazione della macchina eolica

Vale anche la pena ricordare che una macchina eolica funzionerà alla massima efficienza solo per una frazione del tempo di funzionamento, a causa delle variazioni della velocità del vento. Una stima approssimativa della potenza di una pompa eolica può essere ottenuta utilizzando la seguente equazione:

P _A = 0,1 AV ³

dove, P _A è la potenza media in watt durante l'anno V è la velocità media annua del vento in m/s

Principi di conversione dell'energia eolica

Esistono due principi fisici principali attraverso i quali l'energia può essere estratta dal vento: la creazione di una forza di portanza o di resistenza (o una combinazione delle due). La differenza tra resistenza e portanza è illustrata dalla differenza tra l'utilizzo di una vela di spinnaker, che si gonfia come un paracadute e traina una barca a vela con il vento, e un'attrezzatura bermudiana, la familiare vela triangolare che si flette con il vento e permette a una barca a vela di navigare trasversalmente o leggermente controvento. Le forze di resistenza forniscono il mezzo di propulsione più ovvio, essendo le forze percepite da una persona (o un oggetto) esposta al vento. Le forze di portanza sono il mezzo di propulsione più efficiente, ma essendo più sottili delle forze di resistenza, non sono così ben comprese. Le caratteristiche fondamentali che caratterizzano la portanza e la resistenza sono:

• la resistenza è nella direzione del flusso d'aria
• la portanza è perpendicolare alla direzione del flusso d'aria
• la generazione di portanza provoca sempre lo sviluppo di una certa quantità di resistenza
• con un buon profilo alare, la portanza prodotta può essere più di trenta volte maggiore della resistenza
• i dispositivi di sollevamento sono generalmente più efficienti dei dispositivi di trascinamento

Tipi e caratteristiche dei rotori

Esistono due principali famiglie di mulini a vento: quelli ad asse verticale e quelli ad asse orizzontale. Questi ultimi possono a loro volta utilizzare sia la forza di portanza che quella di resistenza per sfruttare il vento. Il dispositivo di portanza ad asse orizzontale è il tipo più comunemente utilizzato. Infatti, a parte alcune macchine sperimentali, praticamente tutti i mulini a vento rientrano in questa categoria.

Esistono diversi parametri tecnici utilizzati per caratterizzare i rotori eolici. Il rapporto di velocità di punta è definito come il rapporto tra la velocità delle estremità di un rotore eolico e la velocità del vento libero. I dispositivi a trascinamento hanno sempre rapporti di velocità di punta inferiori a uno e quindi ruotano lentamente, mentre i dispositivi a sollevamento possono avere rapporti di velocità di punta elevati (fino a 13:1) e quindi ruotano rapidamente rispetto al vento. La proporzione di potenza del vento che il rotore può estrarre è definita coefficiente di prestazione (o coefficiente di potenza o efficienza; simbolo Cp ₎ e la sua variazione in funzione del rapporto di velocità di punta è comunemente utilizzata per caratterizzare diversi tipi di rotore. Come accennato in precedenza, esiste un limite superiore di Cp ₌ 59,3%, sebbene in pratica i rotori eolici reali presentino valori massimi di Cp _compresi tra il 25% e il 45%.

La solidità è solitamente definita come la percentuale dell'area del rotore, che contiene materiale anziché aria (vedere le Figure 1 e 2 sottostanti). Le macchine ad alta solidità trasportano molto materiale e hanno angoli delle pale grossolani. Generano una coppia di spunto molto più elevata (la coppia è la forza di torsione o rotazione prodotta dal rotore) rispetto alle macchine a bassa solidità, ma sono intrinsecamente meno efficienti di queste ultime. La pompa eolica è generalmente di questo tipo. Le macchine a bassa solidità tendono a essere utilizzate per la generazione di energia elettrica. Le macchine ad alta solidità avranno un basso rapporto velocità-punta e viceversa.

La scelta del rotore è determinata in larga misura dalle caratteristiche del carico e quindi dall'utilizzo finale. Alcuni tipi comuni di rotore e le relative caratteristiche sono riportati nella Tabella 1 sottostante.

Pompaggio dell'acqua

Rotore e pompa abbinati

Quando si installa una pompa eolica, è importante adattare le caratteristiche della pompa a quelle della macchina eolica. Una buona interazione tra pompa e rotore è essenziale. Il tipo di pompa più comune utilizzato per il pompaggio dell'acqua (in particolare per il pompaggio di acqua da pozzo) in combinazione con un mulino a vento è la pompa a pistoni o a pistoni alternativi. La pompa a pistoni tende ad avere un elevato fabbisogno di coppia all'avvio perché, all'avvio, il rotore deve fornire una coppia sufficiente a superare il peso delle aste della pompa e dell'acqua nella colonna montante; una volta che il rotore gira, il fabbisogno di coppia diminuisce a causa della quantità di moto del rotore in rotazione. La velocità del vento può quindi scendere a circa 2/3 della velocità di avvio prima che la pompa eolica si fermi.

Altri tipi di pompe comunemente utilizzati per il pompaggio eolico sono la pompa a cavità progressiva o "Mono" e la pompa centrifuga. Entrambe presentano vantaggi in determinate circostanze, ma tendono anche ad essere costose e meno comunemente utilizzate.

La Figura 3 illustra un tipico esempio di una moderna pompa eolica multipala. L'elevata solidità si traduce in un'elevata coppia di spunto e di funzionamento e in una bassa velocità di rotazione, caratteristiche ideali per l'utilizzo con la pompa a pistoni.

È ovviamente importante bilanciare la richiesta di pompaggio dell'acqua con il vento disponibile e quindi decidere la dimensione adeguata del rotore. Per calcolare la richiesta, è necessario conoscere i seguenti dati:

• La prevalenza a cui deve essere pompata l'acqua - in metri
• volume di acqua da pompare al giorno - in metri cubi

Per l'acqua al livello del mare, il fabbisogno energetico approssimativo può essere calcolato utilizzando la seguente equazione:

E = 0,002725 x volume x prevalenza (in kilowattora)

In genere le prevalenze di pompaggio possono variare da pochi metri a 100 m (e occasionalmente di più), mentre il volume d'acqua richiesto può variare da pochi metri cubi al giorno per uso domestico ad alcune centinaia di metri cubi per l'irrigazione.

Anatomia della pompa eolica

Un pozzo trivellato è di gran lunga la fonte idrica più comune da cui la pompa eolica attinge acqua. Una classica pompa eolica multipala è dotata di una pompa a pistoni che pompa in un serbatoio di stoccaggio elevato. Sono possibili molte altre configurazioni, a seconda della natura della fonte idrica e della domanda. Queste macchine hanno diametri del rotore compresi tra 1,5 e 8 metri, ma raramente superano i 4 o 5 metri. La potenza viene trasmessa dal rotore alle aste della pompa tramite un sistema di ingranaggi o tramite un meccanismo di trasmissione diretta. Il movimento delle aste della pompa fa sì che la pompa sollevi l'acqua nel serbatoio. L'acqua può quindi essere immessa nella rete di distribuzione dal serbatoio. La funzione della paletta di coda è quella di mantenere il rotore orientato controvento. La maggior parte delle pompe eoliche è dotata di una paletta di coda, progettata per l'avvolgimento automatico (ruotare la macchina controvento) in caso di vento forte per evitare danni.

Pompaggio eolico con elettricità

Sebbene la pompa eolica multipala sia di gran lunga la più comune, non è l'unica opzione disponibile. Un'altra opzione, soprattutto quando è necessario che la pompa sia posizionata lontano dalla turbina eolica, è quella di utilizzare un aerogeneratore per fornire elettricità a una pompa elettrica. Sebbene tendano ad essere più costosi, hanno il vantaggio di poter utilizzare l'elettricità per altre applicazioni quando non sono in funzione e di poterla immagazzinare in batterie per utilizzarla quando la velocità del vento non è sufficiente per la fornitura diretta di elettricità.

Altri problemi

Produzione locale

Le pompe eoliche vengono prodotte in piccole quantità in diversi paesi del mondo. Esistono produttori che le producono in Europa, Australia, Sudafrica e Stati Uniti per l'esportazione, ma anche imprese commerciali nei paesi in via di sviluppo. Uno di questi produttori, il RIIC (Rural Industries and Innovations Centre), è menzionato di seguito.

Negli ultimi due decenni sono stati avviati diversi progetti volti a trasferire la tecnologia delle pompe eoliche ai produttori del Sud, ottenendo un certo successo. Una di queste storie di successo è rappresentata dalle pompe eoliche Kijito [1] (vedi figura 3), prodotte in Kenya. Questa pompa eolica è stata originariamente sviluppata dall'Intermediate Technology Development Group – ITDG (ora Practical Action), con sede nel Regno Unito, in collaborazione con Bobs Harries Engineering Ltd. (BHEL), Kenya. BHEL ha ulteriormente sviluppato il progetto Kijito e attualmente produce circa 25 pompe eoliche all'anno, con una capacità produttiva fino a 50 macchine.

Proprietà, utilizzo, manutenzione e impatto ambientale Prospettiva dell'utente - Pompe eoliche in Botswana In Botswana è stato condotto un sondaggio tra proprietari/utilizzatori di pompe eoliche. L'obiettivo era determinare la proprietà, l'approvvigionamento e l'installazione, l'uso, l'impatto ambientale e la promozione delle pompe eoliche. Il sondaggio ha rivelato che il 54% delle pompe eoliche era di proprietà di famiglie e il 23% di gruppi o consorzi di agricoltori. Il resto (23%) era di proprietà della comunità. La maggior parte delle pompe eoliche (85%) è stata acquistata e il resto è stato donato. Il 56% degli intervistati ha acquistato pompe eoliche o ha raccolto i fondi dalle banche per acquistarle, mentre il 18% ha utilizzato contributi di gruppo. La maggior parte degli intervistati ha acquistato le pompe eoliche da RIIC, il fornitore locale. L'installazione delle pompe eoliche è stata effettuata da RIIC nel 69% dei casi e da proprietari e rivenditori stranieri rispettivamente nel 23% e nell'8%. Il 92% degli intervistati ha ritenuto che l'installazione fosse stata eseguita in modo soddisfacente. Nel 39% dei casi, gli operatori erano stati formati dal fornitore, mentre il restante 31% aveva seguito autonomamente la formazione o era stato formato dai tecnici locali (8%).

Tutti gli intervistati hanno dichiarato che le pompe eoliche venivano utilizzate per pompare acqua per il bestiame, nonché per l'irrigazione e per scopi domestici. Il 92% degli intervistati riteneva che le pompe eoliche avessero migliorato significativamente l'approvvigionamento idrico. L'84% riteneva che le pompe eoliche soddisfacessero il fabbisogno idrico della comunità. Il 31% dipendeva interamente dalle pompe eoliche per il pompaggio dell'acqua, mentre il 69% disponeva di altri sistemi. Gli intervistati percepivano le pompe eoliche come una buona tecnologia principalmente perché erano più economiche da utilizzare. Uno dei problemi associati all'uso delle pompe eoliche era l'elevata frequenza dei guasti. Il 46% ha indicato che si guastavano una volta all'anno, il 31% due volte all'anno e il 23% più di tre volte all'anno. Le riparazioni più importanti sono state eseguite dal RIIC (54%), da tecnici locali (8%) o da una combinazione dei due (8%).

Lo studio ha anche indagato la percezione degli intervistati dell'impatto ambientale dell'utilizzo delle pompe eoliche. La maggioranza (85%) ritiene che le pompe eoliche migliorino il paesaggio, mentre il 15% ha affermato che non influiscono in alcun modo. Non sono stati segnalati impatti negativi. Il 92% degli intervistati ritiene inoltre che il rumore prodotto dalle pompe eoliche non costituisca un fastidio. Gli intervistati ritengono che l'adozione della tecnologia delle pompe eoliche sia stata limitata da fattori quali la mancanza di politiche adeguate, la scarsa conoscenza della tecnologia, gli elevati costi di manutenzione e i regimi di vento inadeguati.

Fonte: Mosimanyane et al 1995 (citato in Karekezi & Ranja 1997)

Riferimenti e risorse

• P. Fraenkel, R. Barlow, F. Crick, A. Derrick e V. Bokalders: Windpumps – Una guida per gli operatori dello sviluppo. ITDG Publishing, 1993
• David, A. Spera: Tecnologia delle turbine eoliche, concetti fondamentali dell'ingegneria delle turbine eoliche. ASME Press, 1994
• EW Golding: La generazione di elettricità tramite l'energia eolica. Redwood Burn Limited, Trowbridge, 1976
• Hugh Piggot: Windpower Workshop, costruire la propria turbina eolica. Centre for Alternative Technology, 1997
• S. Karekezi e T. Ranja: Tecnologie per l'energia rinnovabile in Africa. AFREPREN/SEI, 1997
• C. Borg e H. Oden: La pompa eolica di Kijito - Un'iniziativa privata per l'approvvigionamento idrico rurale in Kenya, Tesi di Laurea Magistrale, Chalmers University of Technology, Goteborg, 1995
• Paul T. Smulders e Jan de Jongh: Pompaggio eolico: stato, prospettive e ostacoli, articolo, Energie rinnovabili, vol. 5 parte 1, pp. 587-594, 1994

Produttori

Nota: questo è un elenco selettivo di fornitori e non implica l'approvazione da parte di Practical Action.

Dati della pagina

Parte di	Schede tecniche di azione pratica
Parole chiave	pompa eolica , pompaggio , energia eolica
Obiettivo di sviluppo sostenibile
Autori	Curt Beckmann
Licenza	CC-BY-SA-3.0
Organizzazioni	Azione pratica
Tratto da	https://practicalaction.org/ ( originale )
Lingua	Inglese (en)
Traduzioni	turco , arabo , polacco
Imparentato	3 sottopagine , 77 pagine linkate qui
Reindirizzamenti	Pompa eolica , pompe eoliche
Visualizzazioni	3.038 visualizzazioni di pagina ( analisi )
Creato	1 gennaio 2007 di Curt Beckmann
Ultima modifica	4 aprile 2025 dal bot StandardWikitext
Citare come	Curt Beckmann (2007–2025). "Practical Action/Windpumps" . Appropedia . Consultato il 28 giugno 2025 .
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