Turbine eoliche senza pale: Il futuro dell’energia pulita

I ricercatori dell’Università di Glasgow stanno attivamente esplorando modi per aumentare la potenza delle turbine eoliche senza pale (BWT). A tal fine, forniscono approfondimenti derivati da simulazioni al computer¹ di queste turbine, identificando i progetti più efficienti per i modelli futuri.

The researchers said:

“I risultati potrebbero aiutare l’industria delle energie rinnovabili a portare le BWT, ancora in una fase iniziale di ricerca e sviluppo, da esperimenti su piccola scala a forme pratiche di generazione di energia per le reti elettriche nazionali.” 

Le turbine eoliche senza pale sono una forma in via di sviluppo di generazione di energia eolica che è principalmente oggetto di studio da parte dei ricercatori. Tuttavia, stanno rapidamente attirando l’attenzione, con il loro mercato che cresce altrettanto rapidamente.

Nel 2022, la dimensione del mercato globale delle turbine eoliche senza pale era valutata intorno a $60,5 miliardi e si prevede che supererà i $116 miliardi entro il 2030, spinta dalla crescente domanda di energia rinnovabile in tutto il mondo.

A differenza delle turbine eoliche tradizionali, le turbine eoliche senza pale (BWT) sono più silenziose e occupano meno spazio. Si adattano anche più rapidamente ai cambiamenti di direzione del vento, rendendole molto utili negli ambienti urbani con venti turbolenti.

Un altro grande vantaggio delle BWT è che riducono l’impatto ambientale, soprattutto per quanto riguarda la fauna selvatica. Per gli uccelli, le turbine con pale aumentano il rischio di collisioni poiché le pale ad alta velocità possono apparire come una sfocatura o essere del tutto invisibili. Le turbine senza pale si muovono significativamente meno, consentendo agli animali come gli uccelli di evitarle più facilmente. 

Il peso ridotto e il centro di gravità più basso delle BWT, nel frattempo, riducono la necessità di fondazioni, semplificando così l’installazione delle turbine senza pale.

Il design più semplice di queste turbine richiede anche meno manutenzione rispetto alle turbine tradizionali, aumentando così la loro durata utile.

Clicca qui per scoprire se l’energia eolica può davvero alimentare il mondo.

Cosa sono le turbine eoliche senza pale e come funzionano?

Derivata da risorse naturali che si rinnovano, l’energia rinnovabile è fondamentale per passare a sistemi energetici meno intensi di carbonio e più sostenibili.

Le fonti di energia rinnovabile includono vento, luce solare, pioggia, onde, maree, energia termica e biomassa. Queste risorse sono fondamentali non solo per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili, ma anche per mitigare il cambiamento climatico. 

Tra le fonti di energia rinnovabile, l’energia eolica è una fonte in rapida crescita. Nel 2024, rinnovabili e nucleare insieme hanno fornito quasi il 41% della produzione elettrica mondiale. Tra le rinnovabili, il solare ha avuto il contributo più grande, seguito dalla generazione eolica, che è cresciuta all’8,1% dell’elettricità globale.

Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA), il solare fotovoltaico e l’eolico dovrebbero rappresentare il 95% di tutti gli aumenti di capacità rinnovabile entro il 2030.

Per sfruttare l’energia eolica, solitamente si utilizzano turbine eoliche, che convertono l’energia meccanica del vento in energia elettrica. Tuttavia, un modo alternativo per utilizzare l’energia eolica è attraverso progetti di raccolta energetica basati sulla vibrazione aeroelastica di strutture flessibili. 

Negli ultimi due decenni, la raccolta di energia aeroelastica ha guadagnato molta attenzione, con un focus particolare sulla vibrazione indotta da vortici (VIV) di corpi massicci di forma cilindrica. La tecnologia VIV ha suscitato notevole interesse, portando a vari modelli numerici e ricerche sperimentali.

La vibrazione indotta da vortici è guidata dal distacco alternato di vortici da entrambi i lati dei corpi massicci. Ciò genera forze regolari di sollevamento e resistenza, nonché grandi oscillazioni trasversali nelle strutture. 

Quando la frequenza di distacco dei vortici corrisponde alla frequenza naturale della struttura, si verifica un movimento instabile e oscillazioni di ampiezza molto elevata. Questo comportamento è noto come fenomeno di lock-in.

Un concetto innovativo per sfruttare l’energia eolica, sfruttando le oscillazioni ad alta ampiezza delle strutture in presenza di VIV e lock-in, sono le turbine eoliche senza pale (BWT).

Una BWT si comporta effettivamente come un corpo massiccio inserito in un flusso di fluido che crea vortici iniziando la separazione del flusso dalla sua superficie. In questo modo, la BWT mostra un enorme potenziale di produzione di energia entro un intervallo specifico di velocità del vento. Pertanto, progettare turbine senza pale con una maggiore ampiezza di oscillazione può aumentare sia la potenza prodotta sia l’intervallo di velocità operative simultaneamente.

Dato il potenziale delle BWT nell’estrarre energia rinnovabile, si stanno facendo sforzi per sfruttare la VIV per la generazione di elettricità su scala di piccole potenze, da 1 a 100 W.

Sono stati condotti studi per valutare la relazione tra la potenza in uscita di una BWT e variabili di progetto come lunghezza dell’albero, peso e velocità del vento. Inoltre, la ricerca sta esplorando l’intervallo di velocità operative delle BWT attraverso un sistema di sintonizzazione. Ma non abbiamo ancora chiarezza sull’efficienza delle turbine eoliche senza pale.

Poiché il vento non è una risorsa finita, è importante determinare se l’efficienza massima porta a una potenza massima della BWT.

Tuttavia, non è ancora noto se la potenza in uscita possa essere migliorata per una potenza del vento in ingresso costante. Inoltre, c’è una scarsa modellazione dell’interazione fluido‑struttura delle turbine eoliche senza pale, che potrebbe essere usata facilmente per esplorare i parametri di queste turbine e ottenere risposte sulla loro efficienza.

Pertanto, l’ultimo studio dei ricercatori dell’Università di Glasgow mira ad accelerare le iniziative in corso per scalare i modelli BWT esistenti, attualmente di piccola scala, verso applicazioni su larga scala in siti offshore.

Questa ricerca affronta le domande sull’efficienza e la potenza delle turbine eoliche senza pale sviluppando un semplice modello numerico per esaminare il meccanismo fisico delle VIV dovute alle BWT. I ricercatori hanno fornito un quadro analitico completo, che affronta la sfida critica di ottimizzare le BWT per la massima estrazione di energia mantenendo l’integrità strutturale.

Le turbine eoliche senza pale possono competere con quelle tradizionali?

Le turbine eoliche convenzionali con pale sono state a lungo un metodo popolare per convertire il vento in elettricità. Queste turbine convertono direttamente l’energia cinetica del vento in movimento rotatorio delle pale, che poi alimenta un generatore per produrre elettricità.

Le turbine eoliche senza pale, o BWT, funzionano secondo un principio diverso rispetto alle turbine con pale. Il principio fondamentale è la VIV, e invece di pale, queste turbine utilizzano pali alti, snelli e cilindrici che vibrano o oscillano nella brezza. 

Per costruire turbine eoliche senza pale (BWT) con massima efficienza, il team di ricercatori dell’Università di Glasgow ha eseguito simulazioni di migliaia di progetti di BWT.

Questo ha permesso loro di trovare il punto più ottimale che massimizza la generazione di energia senza influire negativamente sulla resistenza della struttura. Secondo il Dr. Wrik Mallik, della James Watt School of Engineering:

“Ciò che questo studio dimostra per la prima volta è che, controintuitivamente, la struttura con la massima efficienza nell’estrazione di energia non è in realtà quella che fornisce la massima potenza in uscita. Invece, abbiamo identificato il punto medio ideale tra le variabili di progetto per massimizzare la capacità delle BWT di generare energia mantenendo la loro resistenza strutturale.”

I risultati dello studio forniscono indicazioni su come le dimensioni del palo, inclusi larghezza e altezza, influenzino non solo la quantità di energia prodotta ma anche l’integrità strutturale di queste turbine.

Questo ha rivelato un compromesso non noto in precedenza: mentre l’aumento del diametro del palo migliora sia l’efficienza che l’estrazione di potenza, l’efficienza di picco del 6% e la potenza massima di 600 Watt sono raggiunte tramite configurazioni geometriche distinte.

Tuttavia, le configurazioni ottimizzate solo per la potenza tendono a superare i limiti di sicurezza strutturale, mentre quelle che massimizzano l’efficienza forniscono una generazione di potenza subottimale.

Quindi, il design ideale è un palo di 31,4 pollici o 80 centimetri con un diametro di 25,4 pollici o 65 centimetri, secondo i risultati dello studio pubblicati su Renewable Energy.

Un tale equilibrio ottimale di potenza e robustezza è in grado di fornire in sicurezza un impressionante 460 watt di energia, una prestazione migliore rispetto ai prototipi attuali nel mondo reale che raggiungono circa 100 watt.

“In futuro, le BWT potrebbero svolgere un ruolo inestimabile nella generazione di energia eolica negli ambienti urbani, dove le turbine eoliche convenzionali sono meno utili.”

– Dr. Malik

I risultati dello studio possono svolgere un ruolo importante nel garantire la sicurezza della struttura in venti compresi tra 20 e 70 miglia all’ora (mph). Secondo i ricercatori, la loro metodologia potrebbe consentire la scalatura delle turbine eoliche senza pale per generare 1.000 watt (1 kilowatt) o più.

Con questa ricerca, l’idea è incoraggiare l’industria a sviluppare nuovi prototipi di turbine eoliche senza pale (BWT) dimostrando chiaramente il design più efficiente per le BWT.

“Rimuovere parte delle ipotesi coinvolte nella raffinazione dei prototipi potrebbe avvicinare le BWT a diventare una parte più utile della cassetta degli attrezzi del mondo per raggiungere il net-zero attraverso le rinnovabili.”

– Professor Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering

Secondo Adhikari, gli ingegneri pianificano di continuare a perfezionare la loro comprensione del design delle BWT e di come possano scalare la tecnologia per fornire energia in una vasta gamma di applicazioni.

Sono anche “entusiasti” di esplorare materiali appositamente progettati chiamati metamateriali, finemente sintonizzati per conferirgli proprietà non presenti in natura, per quanto riguarda come possano “potenziare l’efficacia delle BWT negli anni a venire.”

Nuovi progetti e materiali per le BWT di nuova generazione

In un altro studio², condotto da ricercatori dell’Università di Alessandria all’inizio di quest’anno, sono stati introdotti due nuovi meccanismi per progettare le BWT al fine di affrontare le limitazioni operative delle turbine eoliche senza pale, create dal fenomeno di lock-in, che le limita a un piccolo intervallo vicino alla frequenza naturale della struttura.

I meccanismi introdotti erano il meccanismo di massa di sintonizzazione e il meccanismo di sintonizzazione elastica, che consentono il funzionamento su un ampio intervallo di velocità del vento da 2 a 10 m/s.

I risultati dello studio rivelano anche che l’utilizzo della massa equivalente dell’unità del palo e del momento di inerzia polare della massa all’estremità libera della trave a sbalzo è importante nella progettazione della turbina e per garantire che soddisfi le condizioni di lock-in.

L’obiettivo dello studio è mantenere le prestazioni ideali controllando la frequenza naturale della turbina mediante l’implementazione dei meccanismi.

È stato inoltre costruito un modello matematico per regolare la frequenza naturale in modo da corrispondere alla frequenza di distacco alla velocità del vento specificata. La validazione del modello ha mostrato alta precisione.

Il primo meccanismo può raggiungere un aumento del 99,2% dell’efficienza meccanica a 7 m/s, ma per ottenere valori più alti del modulo flessionale o di curvatura, è necessario incorporare il secondo meccanismo per ridurre le dimensioni complessive della turbina. L’approccio unificato aumenta l’efficienza del 55,7%.

Oltre ai meccanismi di sintonizzazione, la scelta di materiali adeguati per i componenti flessibili della turbina è fondamentale, secondo lo studio, per garantire una sufficiente resistenza e prestazioni, poiché influenzano la rigidità complessiva della struttura. Di conseguenza, influenzano la frequenza naturale della struttura, che a sua volta influisce su tutte le prestazioni delle BWT.

Lo studio ha segnalato che le fibre di carbonio e di vetro sono i migliori materiali per la fabbricazione dei componenti principali delle BWT.

Le proprietà meccaniche dei materiali compositi, ha ulteriormente osservato lo studio, possono essere controllate modificando i parametri di fabbricazione, come il numero di strati e la loro orientazione, il che consente di personalizzare la resistenza, la rigidità e altre caratteristiche per soddisfare requisiti specifici per diverse applicazioni.

Sebbene sia ancora nelle sue prime fasi di sviluppo e limitata a contesti sperimentali e di laboratorio, la tecnologia ha iniziato a mostrare segni di applicazione nel mondo reale.

Alla fine dello scorso anno, il Gruppo BMW ha iniziato i test per l’unità di energia eolica senza pale. Il produttore tedesco ha installato l’unità di energia eolica senza pale di Aeromine Technologies presso il suo impianto di produzione MINI a Oxford.

Questa fabbrica fungerà da sito di prova per la tecnologia, includendo la valutazione del potenziale dell’unità nel migliorare l’efficienza energetica nei siti dell’azienda in tutto il mondo e nei complessi aziendali nel Regno Unito.

L’unità di energia eolica di Aeromine è installata sul bordo di un edificio, rivolta verso il vento. Gli airfoil verticali dell’unità, simili a ali, creano un effetto vuoto, estraendo aria dietro una elica interna per generare elettricità pulita e verde.

“La nostra tecnologia di energia eolica ‘immobile’ è progettata per funzionare senza problemi insieme ai sistemi solari, massimizzando la produzione di energia rinnovabile dai tetti e contribuendo a risolvere sfide come rumore, vibrazioni e impatto sulla fauna selvatica. Siamo entusiasti di vedere come questa installazione iniziale possa portare a applicazioni più ampie nelle strutture globali di BMW.”

– Claus Lønborg, managing director at Aeromine Technologies.

Clicca qui per saperne di più sull’energia eolica immobile 

Investire nell’energia eolica

Nel settore dell’energia eolica, General Electric (GE ) è uno dei più grandi produttori di turbine eoliche attraverso la sua controllata GE Vernova (GEV ), una società energetica globale che progetta, produce e fornisce tecnologie per creare un sistema elettrico sostenibile. I suoi segmenti includono Power, con focus su idroelettrico, gas, vapore e nucleare; Wind, che comprende turbine eoliche onshore e offshore e pale; e Electrification, che copre la conversione di potenza, soluzioni di rete, solare e soluzioni di stoccaggio.

L’azienda ha circa 120 gigawatt (GW) di energia installata nella sua flotta di 57.000 turbine eoliche che operano per oltre 4 miliardi di ore in tutto il mondo.

GE Vernova (GEV ) 

Con una capitalizzazione di mercato di $132,9 miliardi, le azioni GEV sono attualmente scambiate a $486, in rialzo di oltre il 48% YTD. Ha un EPS (TTM) di 6,94 e un P/E (TTM) di 70,18, mentre il rendimento del dividendo offerto è dello 0,21%.

Ad aprile, l’azienda ha riportato i risultati finanziari del primo trimestre del 2025, che hanno rivelato un fatturato di $8 miliardi, un utile netto di $0,3 miliardi e $1,2 miliardi di liquidità dalle attività operative. GE Vernova ha inoltre segnalato un aumento dell’8% degli ordini a $10,2 miliardi.

Il saldo di cassa alla fine del trimestre era di $8,1 miliardi. Nel frattempo, $1,3 miliardi sono stati restituiti agli azionisti.

“Abbiamo conseguito risultati solidi nel primo trimestre e le nostre attività hanno continuato a eseguire bene. Abbiamo aumentato il nostro backlog di attrezzature e servizi, migliorato significativamente i margini in ogni segmento e restituito una quantità significativa di capitale agli azionisti. Sono entusiasta di ciò che ci attende, poiché siamo solo all’inizio del superciclo di investimenti nell’elettricità.”

– CEO Scott Strazik

Il business eolico di GE Vernova, tuttavia, ha mostrato una performance mista poiché affronta sfide nell’eolico offshore mentre l’attività onshore registra crescita.

Di conseguenza, le consegne onshore sono aumentate, supportate da un miglioramento dei prezzi, mentre le operazioni offshore hanno subito una contrazione. Tuttavia, sebbene il segmento eolico fosse in perdita, sta mostrando segni di miglioramento.

Gli ordini del business eolico di GE Vernova sono stati di $0,6 miliardi, mentre il fatturato registrato è stato di $1,8 miliardi. L’azienda ha inoltre investito oltre $100 milioni durante il periodo per potenziare le prestazioni della sua flotta.

Il mese scorso, GE Vernova ha annunciato di utilizzare ora la potenza della robotica e dell’IA per ispezionare la qualità di ogni pala prodotta, nonché la qualità delle materie prime prima della modellazione e dell’assemblaggio. A lungo termine, la capacità di qualità abilitata dall’IA dovrebbe migliorare la durata dei componenti critici e, di conseguenza, la longevità delle turbine.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni GE Vernova (GEV)

Considerazioni finali: Le turbine eoliche senza pale sono il futuro?

Le turbine eoliche convenzionali sono essenziali per la cattura efficiente dell’energia eolica, ma presentano alcuni svantaggi seri e intrinseci, come costi iniziali elevati, inquinamento acustico, manutenzione regolare, impatti visivi e ambientali, limitazioni costruttive nelle aree urbane e funzionamento efficiente solo a velocità del vento elevate.

Tutti questi fattori hanno spinto lo sviluppo di tecnologie alternative, con le turbine eoliche senza pale (BWT) che rappresentano un capitolo emergente ed entusiasmante nella tecnologia dell’energia rinnovabile.

Nelle BWT, il movimento del vento genera vortici, facendo oscillare l’intera struttura, e quando il movimento d’oscillazione corrisponde alla frequenza di vibrazione naturale della struttura, il movimento si amplifica notevolmente. Quella vibrazione potenziata viene poi convertita in elettricità. Sebbene potente, la tecnologia è ancora nelle prime fasi di sviluppo.

Con i ricercatori che ottimizzano i progetti per raggiungere output più elevati e una maggiore integrità strutturale, le BWT possono finalmente diventare aggiunte preziose ai portafogli energetici.

Man mano che la domanda di energia pulita continua a crescere e la ricerca in corso aiuta a scalare l’innovazione verso soluzioni commercialmente valide, potremo accelerare il nostro percorso verso un futuro net-zero.

Clicca qui per un elenco delle principali azioni nel settore dell’energia eolica.

Studi citati:

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Analisi delle prestazioni e ottimizzazione geometrica delle turbine eoliche senza pale usando il modello Wake Oscillator. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. Un nuovo approccio di progettazione ottimale per turbine eoliche senza pale considerando le proprietà meccaniche dei materiali compositi utilizzati. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9