Una turbina eolica a prova di tifone rappresenta una svolta per le politiche energetiche delle isole remote

• La start-up giapponese Challenergy si sta concentrando sul fabbisogno energetico delle isole.
• Il feedback delle simulazioni condotte durante le fasi di sviluppo può essere rapidamente applicato ai progetti dei prodotti.
• È iniziato il funzionamento della prima turbina sulle isole Batanes, nelle Filippine.
• Questo segna un cambiamento di paradigma verso la realizzazione di una società basata sull'idrogeno, a partire dalle isole remote.

Le vulnerabilità dell'infrastruttura elettrica giapponese sono state messe a nudo da disastri naturali come il Grande terremoto e tsunami del Giappone orientale e i devastanti tifoni che hanno colpito su larga scala. Soprattutto a causa della massiccia distruzione causata dalle inondazioni del 2018, il Giappone ha superato le Filippine nel dovere affrontare i maggiori danni da eventi meteorologici estremi, come calcolato nell'edizione 2020 (PDF, p. 6) del Global Climate Risk Index.

Dopo il disastro nucleare di Fukushima, Atsushi Shimizu ha lavorato a realizzare una svolta energetica, creando una turbina eolica unica nel suo genere con cilindri verticali che fungono da pale eoliche. La turbina genera energia applicando il principio fisico noto come effetto Magnus. Dopo aver brevettato la sua invenzione, Shimizu ha fondato la sua azienda, Challenergy. Da allora ha superato i problemi di efficienza del progretto originale, e ora la sua turbina eolica senza pale è in grado di generare energia anche con le forti raffiche di un tifone. Ha iniziato a testare i suoi progetti sul campo con una macchina di prova da 1 kilowatt installata nella città di Nanjo a Okinawa nel 2016.

Da allora, le tendenze nel campo dell'energia eolica hanno subito una svolta drammatica. Shimizu afferma che c'è stato un boom nello sviluppo di sistemi di turbine eoliche di piccole dimensioni, sia a livello nazionale che estero, innescato dall'adozione da parte del Giappone del sistema di feed-in-tariff (FIT). "Proprio come per i sistemi a energia solare, il nostro obiettivo in quel periodo era quello di sfruttare il sistema FIT", spiega. "Quindi stavamo lavorando a un sistema più grande, da 10 kilowatt, per renderlo più efficiente e redditizio". Tuttavia, Challenergy ha presto trovato difficoltà a penetrare in un mercato dominato da turbine a pale a basso prezzo prodotte fuori dal Giappone. E con i prezzi dell'energia scesi al di sotto della metà dei valori iniziali, è diventato evidente che sarebbe stato difficile ottenere un profitto nell'ambito del FIT.

Un cambiamento nei modelli di business

Una volta che Shimizu ha potuto dimostrare l'efficacia delle sue tecnologie con la piattaforma di prova da 1 kilowatt, che è riuscita a generare energia in condizioni di tifone, si è concentrato sul perseguimento della sua visione originale volta a determinare un cambiamento energetico a livello mondiale. Voleva costruire un modello di business che non si basasse sul FIT, pur continuando a sviluppare la turbina da 10 kilowatt. Nel 2018, Challenergy ha installato un prototipo per la produzione di massa in un sito di prova sull'isola di Ishigaki, a Okinawa, e il debutto del prodotto è previsto per il 2020.

A causa del loro design, le turbine eoliche diventano più efficienti dal punto di vista dei costi man mano che aumentano le loro dimensioni. I produttori di turbine eoliche standard sono in lizza per ottenere dimensioni sempre maggiori, e sono in fase di progettazione modelli superaccessoriati con pale che raggiungono i 100 metri di lunghezza. "Nel corso della storia dello sviluppo dell'energia eolica, una costante è stata la competizione per turbine sempre più grandi", afferma Shimizu. "Oggi l'attenzione si concentra solo su quelle aziende che riescono a produrre le turbinedi maggiori dimensioni. Sono come parate di dinosauri giganti là fuori".

Al contrario, la strategia di Challenergy consiste nell'evitare di competere nel mercato spietato delle turbine eoliche giganti e nel perseguire invece il mercato di nicchia della generazione di energia per le isole remote.

"Le comunità insulari si affidano spesso a generatori diesel per l'elettricità, ma al giorno d'oggi l’approvvigionamento di carburante e generare energia a prezzi accessibili è diventato un problema importante", afferma Shimizu. "Le grandi speranze sono state riposte nelle fonti di energia rinnovabile, ma non esiste una soluzione semplice. Mentre le isole non hanno il terreno necessario per le centrali solari, il vento è ampiamente disponibile, ma i suoi continui cambiamenti di direzione e di velocità causano frequenti danni alle turbine a pale. Con le nostre turbine, le comunità insulari possono accedere a una fonte di energia rinnovabile che un giorno potrebbe sostituire i generatori diesel".

Simulazioni a supporto della creazione

Uno dei maggiori ostacoli al successo di un'attività imprenditoriale è la creazione di un prodotto adatto alla produzione di massa. Questo vale anche per Challenergy.

"Per la nostra turbina da 1 kilowatt su piccola scala, la struttura non era sottoposta a grandi sollecitazioni, quindi è stato relativamente facile trovare un progetto che offrisse sia prestazioni che resistenza strutturale", spiega Shimizu. "Tuttavia, quando la turbina diventa più grande, è necessario ottimizzarne il peso e la resistenza per mantenere possibile la produzione di massa. Inoltre, quando si realizza un prodotto fisico, la progettazione è fondamentale; non si può correggere a posteriori come si può fare con il software. Bisogna essere sicuri del proprio lavoro prima di impegnarsi nella produzione".

Quando si tratta di progettazione, i test sono fondamentali. "Le simulazioni sono essenziali per il processo di sviluppo", afferma Shimizu. "Il feedback che ne ricaviamo è prezioso per l'ottimizzazione. Se dovessimo mettere in commercio una turbina che si rompe in condizioni climatiche normali, le nostre prospettive di impresa svanirebbero in un istante. Allo stesso tempo, non possiamo aspettare 10 anni per vedere se le nostre specifiche reggono a lungo termine".

Challenergy ha utilizzato Autodesk Inventor fin dalla sua fondazione; con l'aumentare della scala dei suoi progetti, ha presto utilizzato tutte le funzionalità di Inventor Nastran per eseguire le simulazioni. "Il vantaggio di utilizzare le simulazioni è che possiamo misurare le sollecitazioni in modo dettagliato, sia da diversi angoli di direzione del vento sia all'interno della struttura del braccio stesso, dove non è possibile effettuare misurazioni reali", spiega Shimizu. "Una volta accumulati abbastanza dati di simulazione, possiamo regolare rapidamente i parametri di progettazione. Essere in grado di passare rapidamente attraverso le fasi di progettazione e di analisi del ciclo [Plan-Do-Check-Act] PDCA è una questione di sopravvivenza per le imprese come la nostra".

Una visione che va oltre l'energia eolica

La prima località in cui è stata installata una turbina da 10 kilowatt nell'ambito della strategia di Challenergy, basata sulle isole, è la provincia di Batanes, nelle Filippine. "È geograficamente vicina all'isola di Ishigaki ed è spesso colpita da tifoni, quindi le condizioni sono simili", spiega Shimizu. "Sebbene il turismo sia l'industria principale della zona, la rete di trasmissione dell'energia elettrica è vulnerabile e i blackout si verificano quotidianamente. Un ristorante locale che abbiamo visitato aveva un piccolo generatore e ogni volta che mancava la corrente il personale lo accendeva".

Le Filippine hanno più di 7.000 isole, centinaia delle quali sono abitate e necessitano di elettricità. "La fornitura di energia alle isole non è un problema solo del Giappone o delle Filippine, ma è una sfida energetica mondiale", afferma Shimizu. "Stiamo ricevendo sempre più richieste da comunità insulari di tutto il mondo, molte delle quali sono famose destinazioni turistiche. Questo conferma la nostra strategia, visto che la domanda è così alta".

Le nazioni insulari hanno una grande richiesta di elettricità per sostenere le loro essenziali industrie turistiche. Tuttavia, l'inquinamento causato dai generatori diesel è in contrasto con le preoccupazioni ambientali del settore turistico.

"L'energia solare non è un'opzione, perché ogni terreno adatto per i parchi solari è già stato colonizzato", dice Shimizu. "Può sembrare strano, ma le ore di luce solare diretta sulle isole sono spesso limitate. Questo rende difficile puntare sull'energia solare per le comunità insulari". Sebbene il vento soffi quasi sempre sulle isole, l'isola stessa disturba il flusso del vento, creando problemi alle turbine convenzionali a pale e rischiando di danneggiare le macchine. Le nostre turbine eoliche si adattano alle esigenze di nicchia delle comunità insulari meglio di qualsiasi altra fonte di energia rinnovabile, il che ci dà una chiara direzione per la nostra strategia futura".

La prima turbina eolica di Challenergy nelle Filippine è diventata pienamente operativa a Batanes nell'agosto 2021 e Shimizu afferma che non si fermerà alla fornitura di energia per garantire l’autosufficienza alle isole.

"Possiamo sfruttare il potenziale illimitato dell'oceano e combinarlo con l'energia eolica per realizzare una società basata sull'idrogeno per i residenti delle isole", afferma Shimizu. "Tutto inizia fornendo energia a queste piccole isole e proseguendo da lì. Se riusciamo a far sì che un'isola realizzi una società al 100% basata sull'idrogeno, un simile paradiso terrestre privo di combustibili fossili attirerà sicuramente i turisti. In definitiva, a partire dal Giappone, vogliamo trasformare le nazioni insulari di tutto il mondo in fonti di energia a idrogeno. Se riusciamo a sfruttare la potenza dei tifoni come risorsa per la produzione di idrogeno, e quindi a esportarlo, questo porterà alla formazione di una società mondiale basata sull'idrogeno. Sarebbe un cambio di paradigma epocale per le nazioni insulari, che attualmente si affidano all'importazione di energia".