.
livello elementare.
ARGOMENTO: INNOVAZIONE
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: TECNOLOGIE ENERGETICHE
parole chiave: oceano, energia sostenibile
.
Gli oceani e i mari sono un enorme serbatoio di potenziale energia (Marine Energy) rinnovabile, nascosta tra il moto delle onde e delle maree che la contengono in diverse forme energetiche che siamo sempre più in grado di sfruttare. Secondo recenti studi solo gli oceani potrebbero produrre energia elettrica pari a circa 90mila TeraW/h 1 annui, cioè una quantità cinque volte superiore a quella necessaria a soddisfare il fabbisogno mondiale. Come vedremo in questo breve articolo esistono differenti modi per trasformare l’energia degli oceani in energia elettrica, fornendo complessivamente (ovvero integrandosi con altre fonti) un rendimento tale da soddisfare con una certa continuità le nostre esigenze attuali e future.
La sfida più grande per la transizione verso sistemi energetici che non impieghino fonti fossili è garantire una produzione di energia disponibile 24 ore su 24, 7 giorni su 7, tutti i giorni dell’anno. Questo non può verosimilmente avvenire solo con sistemi eolici o fotovoltaici, affetti dalla mancanza delle condizioni necessarie (ovvero vento e luce solare). L’energia generata dal moto ondoso e dalle maree potrebbe quindi contribuire a colmare le lacune dell’energia eolica e solare, fornendo nel loro insieme energia in maniera stabile al fine di ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili. L’energia delle onde rappresenta una grande opportunità industriale, offrendo uno sviluppo economico a lungo termine nelle regioni costiere di tutto il mondo. Il concetto di fattoria modulare delle onde, wave farm, che utilizza molte unità relativamente piccole distribuite in cluster, consente di fornire localmente una quota elevata di energia con strutture posizionate sia offshore che nearshore. Secondo la Commissione Europea, gli oceani potrebbero potenzialmente fornire 100 megawatt (MW) nel 2025 e 1 gigawatt (GW) entro il 2030, una quantità equivalente se non maggiore di un reattore nucleare.
Generatore di energia mareomotrice, Eday. Il polo scende lungo i due pali come un ascensore e si adagia sul fondale marino 100 piedi più in basso. La marea fa girare le pale che muovono la turbina che produce energia elettrica – autore Ian Balcombe/Tidal Energy Generator, Eday
Tidal Energy Generator, Eday – geograph.org.uk – 1274420.jpg – Wikimedia Commons
Ma come possiamo fare per sfruttare questa energia?
Partiamo dall’energia ottenibile dalle maree. Le forze gravitazionali combinate del Sole, della Luna e della rotazione terrestre creano le maree, che a loro volta danno origine a correnti di marea (che possono essere molto potenti) e variazioni anche significative del livello del mare.
gli archi curvi attorno ai punti anfidromici 2 mostrano la direzione delle maree, ognuno dei quali indica un periodo sincronizzato di 6 ore. Attraverso la conoscenza di questi punti possono essere identificate le aree di maggiore efficienza – Fonte e Autore R. Ray, NASA Goddard Space Flight Center, Jet Propulsion Laboratory, Scientific Visualization Studio M2 tidal constituent.jpg – Wikimedia Commons
Le correnti di marea variano periodicamente, muovendosi prima in una direzione e poi nell’altra secondo un ritmo prevedibile che è specifico per ogni luogo. Di conseguenza, è possibile prevedere la disponibilità di energia a lungo termine. Attualmente sono in funzione molti diversi progetti di turbine di marea che generano da 0,2 a 2,5 MW. I diversi tipi includono turbine idrauliche a flusso assiale e radiale e turbine a kite di marea (in cui la turbina è sospesa a una specie di kite sommerso). Alcune sono installate in mare, mentre altri modelli più piccoli sono utilizzati in fiumi ed estuari. Oltre alle correnti, le maree sono caratterizzate anche da livelli di acqua in aumento e in diminuzione, il che significa che è possibile utilizzare una diga, o qualsiasi altra forma di barriera per estrarre l’energia generata dalla differenza di altezza tra alta e bassa marea. L’energia viene poi convertita da turbine situate nella diga.
L’energia delle onde
Quando il vento soffia sugli oceani, parte della sua energia crea delle onde. Attraverso dei convertitori di energia delle onde è possibile sfruttare questa energia quando disponibile. Essa non è sempre disponibile variando da una stagione all’altra e solo per brevi periodi di tempo. Possiamo distinguere diverse famiglie di dispositivi in grado di convertire questa energia cinetica in elettricità.
Un impianto di energia delle onde, basato sul concetto di un Waveline Magnet è composto da un sistema di alimentazione centrale a forma di spina dorsale, a cui sono collegati tubi galleggianti che ondeggiano sulla superficie dell’acqua tramite bracci di leva. In quanto tale, non solo sfrutta l’energia meccanica delle onde (che converte in elettricità e idrogeno), ma crea anche una piattaforma che può essere utilizzata per desalinizzare l’acqua di mare. Questa tecnologia è stata sviluppata da Sea wave energy limited (SWEL), una società di ricerca e sviluppo con sede a Cipro e nel Regno Unito che si è concentrata sulla progettazione e sullo sviluppo del suo convertitore di energia delle onde (WEC) nel cui sito possono essere visti in dettaglio i vari componenti.
Per completezza, il panorama delle tecnologie legate alle onde comprende:
– assorbitori puntuali (Point absorbers), ovvero strutture galleggianti collegate alla terraferma da bracci metallici che attivano pompe idrauliche mentre salgono e scendono, in cui il moto ondoso induce moti verticali che vengono trasformati in energia;
– convertitori oscillanti a flutto d’onda (Oscillating Wave Surge), che sfruttano le onde per muovere un alettone;
– attenuatori (Attenuators), sistemi galleggianti con all’interno particolari pompe attivate dall’andamento dell’onda.
Altri sistemi includono una colonna d’acqua oscillante con una sorta di pistone verticale attivato dai movimenti delle onde.
Conversione dell’energia delle onde mediante il principio della colonna d’acqua oscillante
REWEC.jpg – Coastal Wiki
Questi sistemi ovviamente producono energia quando il moto ondoso è significativo
Se il mare è calmo, possiamo invece sfruttare l’energia termica dell’oceano. In parole semplici, l’acqua calda superficiale passa attraverso uno scambiatore di calore dove il suo calore vaporizza un fluido di lavoro (o l’acqua di mare stessa evapora) e il vapore in espansione viene utilizzato per alimentare una turbina. L’acqua fredda più profonda viene in seguito utilizzata per condensare il vapore. Questa tecnologia, detta OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion), è però utilizzabile solo nelle zone subtropicali dove la differenza di temperatura tra la superficie e le profondità è superiore a 20 °C. Restano però ancora diversi ostacoli da superare (in particolare le dimensioni della rete di tubazioni idrauliche lunghe fino ad 1 km per l’acqua fredda con un diametro di circa 10 metri!), e l’efficienza dello scambiatore di calore.
schema di un sistema OPEC aperto Otec Open Diagram in English.JPG – Wikimedia Commons
L’energia degli oceani inoltre può essere utilizzata anche per raffreddare gli edifici. Il condizionamento dell’aria con acqua di mare, SWAC, sfrutta la differenza di temperatura tra acque basse e profonde. I vantaggi sono doppi: è economico ed ecologico, perché non solo sostituisce i tradizionali sistemi di condizionamento dell’aria, ma riduce anche il consumo elettrico corrispondente fino all’80%.
Ottenere energia dall’osmosi
Questa fonte di energia deriva dalla differenza di concentrazione salina tra due liquidi. Attualmente sono allo studio due tipi di tecnologie:
– Osmosi ritardata dalla pressione (PRO): si basa sul fenomeno dell’osmosi ovvero del movimento dell’acqua dolce verso l’acqua salata attraverso una membrana, che crea un aumento della pressione sul lato dell’acqua salata. Questa pressione può essere convertita in elettricità da una turbina.
– Elettrodialisi inversa (RED): si basa sul trasporto di ioni attraverso membrane a scambio ionico; la differenza di potenziale chimico dovuta alla diversa concentrazione salina dell’acqua salata e dell’acqua dolce genera una tensione sulla membrana, un pò come una batteria al sale.
L’elettrodialisi inversa (RED) è una tecnologia che si basa sull’alternanza di membrane a scambio anionico e cationico (AEM e CEM) tra due elettrodi per generare elettricità da gradienti di salinità. La differenza di salinità tra le due soluzioni, attraverso una membrana a scambio ionico, determina una differenza di potenziale elettrica che spinge gli anioni e gli ioni cationici (rispettivamente attraverso l’AEM e il CEM) dalle regioni ad alta concentrazione a quelle a bassa concentrazione. Gli elettrodi convertono quindi il flusso ionico in corrente elettrica mediante la scissione dell’acqua o una reazione di ossidoriduzione reversibile Reverse Electrodialysis – an overview | ScienceDirect Topics
L’acqua dolce è separata dall’acqua salata da una membrana semipermeabile, così si ha una sollevamento del livello dell’acqua salata creando un salto sfruttabile con tecnologie idroelettriche tradizionali. La più avanzata tecnologia di questo tipo è quella dell’elettrodialisi inversa (Reverse ElectroDialysis – RED), in cui una soluzione salina e acqua dolce vengono fatte passare attraverso membrane a scambio ionico che alternano anioni e cationi per generare elettricità. Le potenzialità sono molto alte, perché oltre ad essere ampiamente prevedibile, l’energia prodotta da un metro cubo d’acqua dolce è paragonabile a quella generata dallo stesso metro cubo in caduta da un’altezza di 260 metri.
Cosa si sta muovendo?
Partendo dalla constatazione che queste forme di energia, sebbene promettenti, sono ancora in sviluppo, la Commissione Europea ha pubblicato la strategia europea per il potenziamento delle fonti rinnovabili off-shore per l’energia marina. Il programma prevede di aumentare la capacità degli impianti in mare aperto di 5 volte per il 2030 e di 25 volte entro il 2050 per raggiungere gli obiettivi del Green Deal. La generazione marina di energia è una soluzione particolarmente utile nei casi in cui risulti difficile il collegamento alla rete di distribuzione elettrica, come, ad esempio, per le isole. A differenza delle altre fonti rinnovabili, l’energia marina è in certi casi altamente prevedibile e può costituire un output stabile di elettricità. Un altro vantaggio è che la maggior parte gli impianti sono sottomarini e pertanto possono riscontrare meno resistenze da parte della gente per via dello scarso impatto visivo. Di contro l’impatto ambientale sotto la superficie è notevole e dovranno essere considerati i costi della protezione delle reti subacquee che, come abbiamo visto recentemente, stanno diventando obiettivi strategici appetibili .
La ricerca
Al momento gli impianti installati in Europa sono prevalentemente non-commerciali e hanno solo lo scopo di misurare la loro affidabilità. L’Italia, con i suoi 8.000 km di coste, è un paese particolarmente adatto all’impiego di convertitori di energia marina. Sebbene l’altezza delle onde e le profondità del mare non siano equiparabili a quelle oceaniche, le particolari condizioni delle coste italiane offrono spunti interessanti per lo sviluppo di tali tecnologie. Attualmente gli impianti funzionanti sono soltanto due, entrambi in Toscana, e sfruttano il moto ondoso: Punta Righini, nei pressi di Castiglioncello, e Marina di Pisa, start-up 40South Energy.
Quello di Pisa è molto piccolo (50 kW) ma funziona 24 ore al giorno per coprire il fabbisogno di qualche decina di famiglie. Altri sistemi saranno presto attivati fornendo soluzioni sempre più adatte alle diverse realtà costiere.
Vincenzo Popio
Note
1 1 TW/h=1000 miliardi W/h
2 in geografia fisica, un punto anfidromico è il punto dell’asse nodale (cioè della linea dove le opposte onde di marea si annullano), attorno al quale le correnti di marea ruotano, in senso antiorario nell’emisfero nord, e in senso orario nell’emisfero sud.
.
PAGINA PRINCIPALE - HOME PAGE
.
Alcune delle foto presenti in questo blog possono essere state prese dal web, citandone ove possibile gli autori e/o le fonti. Se qualcuno desiderasse specificarne l’autore o rimuoverle, può scrivere a infoocean4future@gmail.com e provvederemo immediatamente alla correzione dell’articolo
.
- autore
- ultimi articoli
Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.