Patrizia Favaron
Il vento: un vettore a tre dimensioni
Lo spazio ordinario si descrive usando tre dimensioni.
Il “vento” è il vettore velocità del flusso di aria.
Quindi anche il vettore vento ha tre dimensioni.
Le due dimensioni orizzontali le conosciamo: possiamo ricavarle dalla velocità e dalla direzione, una volta che ci mettiamo d’accordo sul sistema di riferimento.
E la terza, quella verticale, dov’è finita?
La risposta è facile: se usiamo un anemometro “bi-dimensionale”, come quello in figura (per la cronaca, un Davis 7905 a coppe e banderuola), l’abbiamo ignorata. Buttata via… 🫣
Ragioni per un’omissione
La velocità verticale di solito non si misura, perché si da per scontato che il suo valor medio è nullo.
Affermazione che, se si seguono pedissequamente le indicazioni del Rapporto CIMO-WMO, posizionando cioè l’anemometro in cima ad un palo di 10 metri su un terreno piatto ed uniforme, e praticamente in assenza di ostruzioni importanti al vento, allora ci siamo: un anemometro a coppe e banderuola, grazie alle sue inerzie meccaniche, si comporta come un filtro passa-basso e così approssima il vento medio. Abbiamo detto che la sua componente verticale è praticamente nulla, e così siamo tutte contente, e tutto funziona benissimo: non c’è nulla da misurare.
A questa ragione, un po’ teorica, se ne aggiunge una molto più pratica: in molte applicazioni il vento verticale non interessa più di tanto.
Un esempio, tanto per capirci, è il trasporto a distanza di un rilascio tossico. In casi come questo non mi importa nulla se la “nube tossica” sale o scende (la immaginerò sempre rasente al suolo, in caso peggiore). Però, desidero sapere esattamente dove va a finire con il passare del tempo.
Se solo le cose fossero semplici come sembrano…
Restiamo sul pratico.
Uno dei capisaldi della decarbonizzazione è l’adozione di fonti di energia rinnovabili, e tra queste l’energia eolica.
(Magari ci torneremo in un prossimo articolo.)
Un’ipotetica compagnia investitrice nel campo dell’energia eolica dovrà, così, assicurarsi in anticipo (e garantirlo alle banche) che l’investimento sia redditizio, e cioè che i ricavi siamo maggiori dei costi per una differenza maggiore dell’interesse che si sarebbe portato a casa mettendo quegli stessi soldi in banca o comprando titoli di Stato.
I ricavi dipendono da quanto vento “pregiato” ci si può aspettare (argomento affascinante in sé). I costi, invece, sono dovuti ai costi d’investimento, eventuali imposte, e costi di manutenzione.
Sin qui, tutto intuitivo: la decisione se investire o no parrebbe poterla prendere chiunque, purché avesse una gran quantità di denaro a disposizione.
Ai costi di manutenzione va però aggiunto un dettaglio. Come tutti i manufatti, le turbine eoliche sono coperte da una garanzia. Questa, come tutte le garanzie, prevede clausole che tutelano la ditta che ha costruito le turbine da errori d’impiego da parte dell’acquirente. E tra gli errori, l’installazione in un sito inadatto.
Cosa si intenda per inadatto, dipende dalla tecnologia della turbina, dal modello, dalle dimensioni, e da una miriade di fattori. Posso dire che “inadatto” qui non vuol dire “improduttivo” (una turbina installata in un luogo dove non c’è vento non si guasterà mai: si usurerà, nei secoli, come fanno tutte le sculture esposte all’aperto), ma in cui le caratteristiche geografiche e del vento influiscono sull’affidabilità della turbina.
Una delle caratteristiche del vento presa in considerazione è il suo “angolo medio rispetto al piano orizzontale”.
Le turbine (del tipo ad elica, direi) vengono montate con l’asse del rotore posto quasi sul piano orizzontale (la differenza, minima, serve per ragioni meccaniche legate ai complicati meccanismi di riduzione). La “navicella” che sostiene il rotore può ruotare lungo l’asse verticale, così da permettere alla turbina di inseguire il vento (o addirittura, nei modelli più recenti, di “aspettarlo”: il sistema di controllo di alcuni parchi eolici è dotato di un LIDAR che misura il vento a distanza, prima che raggiunga le turbine, così da permettere a queste di prepararsi per tempo ad accoglierlo).
Questo schema di progetto da per scontato che il vento investa la turbina perfettamente di fronte.
Ma se il vento avesse una componente verticale molto diversa da zero?
Nel caso, investendo le pale dal basso, o dall’alto, il vento indurrebbe sforzi e vibrazioni enormi (le pale possono essere lunghe decine di metri), che alla lunga potrebbero indurre quelle che ingegnere ed ingegneri chiamano “rotture a fatica” che, a loro volta, possono causare danni catastrofici.
Una clausola tipica, allora, prescrive che il vento non possa deviare dal piano orizzontale per più o meno di 7° e 30′.
Come si fa a garantire che una cosa del genere non accada? Di regola, per via modellistica: le deviazioni del vento dal piano orizzontale dipendono molto dalla topografia, e dalla distanza dal suolo del rotore: due aspetti controllabili – è per questo che molto raramente vedrete una pala eolica installata sul fianco di una collina.
Ma questo nel caso di impianti eolici di grande taglia. Quelli piccoli e minuscoli, diciamo dai 100 kW in giù, sono esposti ad altre sorgenti di vento non orizzontale, come per esempio la presenza di ostruzioni sopravvento, o cambi nella rugosità aerodinamica superficiale (che so, l’alternarsi di colture alte come il mais e masse come la soia), ed altre “inezie” micro-meteorologiche.
Ora: se un impianto si guasta in modo catastrofico, tale da richiedere un intervento costosissimo come per esempio lo smantellamento di una turbina guasta e la sua successiva sostituzione, possiamo scommettere che prima di riconoscere la garanzia, la ditta costruttrice delle turbine farà le sue valutazioni e, in caso di dubbio, avvierà un’indagine.
Uno degli argomenti che cercherà di verificare è l’impossibilità del Cliente di dimostrare che il vento non devii mai di più o meno di sette gradi e mezzo dall’orizzontale. Perché, stando così le cose, potrà tentare di far valere la clausola di esclusione dalla garanzia. Se riuscisse, con ogni probabilità per la ditta investitrice sarebbe un colpo durissimo, se non la fine.
Quanto è facile, per una compagnia costruttrice, dimostrare l’incapacità della ditta investitrice?
Dipende molto da quanto sono smaliziate le compagnie investitrici, cioè, in ultima analisi, dal livello di consapevolezza che il quel Paese il pubblico generale ha dei temi scientifici e, in particolare, di meteorologia.
Quanto all’Italia, dimmelo pure tu. Non lo scrivo nemmeno. Chiedo solo, quante ditte specializzate in progettazione di campi eolici provvedono a misurare la componente verticale del vento? Le norme tecniche in uso prevedono solo misure volte ad appurare la produttività dei siti, con misure di vento orizzontale. Qualche informazione sulla componente verticale la si potrebbe ricavare dai gradienti verticali di vento, se solo fosse facile. Ma l’unico modo davvero affidabile sarebbe di compiere misure di vento verticale esattamente nel punto in cui sarà collocato il centro del rotore. Quante ditte di progettazione lo fanno, qui da noi?
Spoiler: quasi nessuna.
(Comunque, quasi: una la ricordo bene. Aveva commissionato misure con un anemometro ultrasonico, che vedevano anche la componente verticale.)
Una ragione più sottile
Ora torniamo ai nostri casi, ed agli anemometri del tipo più comune, a coppe e banderuola.
Di solito la presenza di una componente verticale diversa da zero non la si considera.
Va però da sé che già i primi studi che avevano cercato di caratterizzare risposta e prestazioni degli anemometri biassiali elettromeccanici avevano documentato il fatto che, in presenza di un vento con una componente verticale non nulla, le misure “uscivano male”.
Un motivo in più per seguire le indicazioni WMO.
Che però non sempre ci vedono libere quanto vorremmo: i casi in cui la velocità verticale del vento può assumere un valore diverso da 0 sono piuttosto comuni, e nella figura qui di seguito ne delineo alcuni.
Come si misura la componente verticale del vettore vento?
Ma che domande: con un anemometro triassiale 🤭,
Va bé. Sono proprio comunissimi: basta andare dal droghiere sotto casa, e…
Se la storia degli anemometri è recente (un primo modello era stato proposto dal solito Leonardo Da Vinci, e gli anemometri a coppe e banderuola avevano fatto la loro comparsa verso la metà dell’XIX secolo, quella dei primi anemometri triassiali è, addirittura, cosa di pochi decenni fa.
Ed è già archeologia scientifica.
Uno dei primi modelli, elettromeccanico, era il Gill UVW, nella figura qui di seguito:
Archeologia scientifica, perché pochi anni dopo fu introdotto l’anemometro ultrasonico triassiale, di cui vediamo un modello molto avanzato nella prossima figura.
Ad ogni modo, l’anemometro ultrasonico e l’anemometro 3D non sono gli unici strumenti capaci di misurare il vento verticale: l’anemometro (tri-assiale) a filo caldo, il SODAR, certe varietà di LIDAR, ed altri ancora, vanno aggiunti alla lista.
Cosa vede un anemometro tri-assiale?
Nella figura qui di seguito vediamo la componente verticale del vento rilevata dalla stazione di Cinisello Balsamo Parco Nord in un’ora del giorno di Ferragosto del 2016 (le stazioni automatiche della rete SHAKEUP di ARPA Lombardia sono sempre in attività, anche nei giorni festivi).
Come possiamo vedere, in questo caso in media la componente verticale del vento è quasi nulla. Ma le variazioni? Sono enormi, con differenze tra il minimo ed il massimo valore dell’ordine di tre metri e mezzo per secondo.
Il grafico a destra, poi, mostra quanto velocemente avvengono queste variazioni. Tanto, che a pelle non abbiamo modo di percepirle.
Che in questo caso la media della componente verticale del vettore vento sia quasi nulla è un fatto del tutto accidentale: se facciamo una statistica annuale, vediamo che il valore cambia, e che lo fa in parte con la direzione.
Figure come questa mostrano come nel mondo reale il vento, misurato alla quota standard WMO di 10m, si possa discostare in modo anche sensibile dal piano orizzontale. E come lo scostamento abbia una componente non casuale, legata alla storia del vento prima che questo abbia raggiunto l’anemometro. Con tutte le ricadute pratiche del caso.
Ma questa è solo una parte della verità.
Ma l’utilità maggiore è…
Nella determinazione dei flussi!
Il grafico che mostra l’evolvere nel tempo della velocità del vento ci mostra come la componente verticale fluttui in modo apparentemente casuale intorno al suo “valor medio”.
Anche la temperatura varia, e con altrettanta rapidità.
Temperatura e velocità verticale inoltre co-variano, e la loro covarianza è proporzionale (cosa che si può dimostrare e che qui non facciamo) al flusso turbolento di calore sensibile.
Invece della temperatura potremmo prendere in considerazione la concentrazione di vapore acqueo, oppure di anidride carbonica, ed otterremmo i flussi verticali di acqua e CO2. Oppure…
Tutti questi flussi rappresentano gli scambi tra atmosfera e superficie terrestre: insomma, l’origine stessa dei grandi cicli dell’acqua, del carbonio, dell’energia. E di un’infinità di altri parametri. Ed eccoci qui, nel campo della “Eddy covariance”, che prima o poi affronteremo.
Per il momento chiudiamo qui: abbiamo, per oggi, scoperto abbastanza. 😊