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ENERGIA DAL MARE 
 In linea di principio è possibile
convertire almeno cinque tipi di energia presenti nel mare:
quella delle correnti, delle onde, delle maree, delle correnti
di marea e del gradiente termico tra superficie e fondali.
Esiste poi la possibilità di recuperare, per osmosi,
l'energia dissipata quando l'acqua dolce dei fiumi si versa
in mare miscelandosi all'acqua salta.
Attualmente esiste solo un impianto per lo sfruttamento delle
maree in Francia, mentre sono in corso esperimenti per lo sfruttamento
del potenziale energetico delle onde nel Regno Unito, in Norvegia
e in Giappone e del gradiente termico negli Stati Uniti. L'Unione
Europea ha di recente concluso uno studio che identifica circa
100 siti suscettibili di essere utilizzati per la produzione
di energia elettrica dalle correnti marine.
In Italia è
lo stretto di Messina ad essere stato identificato tra i siti
più promettenti.
ENERGIA DALLE ONDE
La strada di sfruttare il moto
delle onde del mare per ottenere energia elettrica, nonostante
i problemi, non smette di solleticare la fantasia degli ingegneri.
Ci sono allo studio ipotesi per concentrare e focalizzare le
onde in modo da aumentarne l’altezza e il potenziale di
conversione in energia elettrica. Altre ipotesi prevedono invece
di utilizzare le variazioni di pressione che sì riscontrano
al di sotto della superficie del mare, altre utilizza dei galleggianti
che "copiano" il moto ondoso trasferendolo a dei generatori
per mezzo di pistoni idraulici.
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OWC |
Il principio della colonna d'acqua oscillante (OWC)
E' adottato
dalla scozzese Wavegen e dalla australiana Energetech per degli
impianti dimostrativi. Il turbogeneratore ha la proprietà
di mantenere lo stesso senso di rotazione indipendentemente
dalla direzione del flusso d’aria, quindi le turbine ricevono
la spinta sia nella fase di compressione che in quella di decompressione.
Gli impianti sono progettati per una potenza di 2 MW e non sono
necessariamente costieri.
Con piattaforme al largo si potrà raccogliere la spinta,
ben più elevata, delle onde lunghe del mare. Possono
inoltre essere abbinati agli impianti eolici “offshore”
rendendo migliore la rendita commerciale di entrambe le tecnologie.
Ogni metro di fronte ondoso può sviluppare mediamente
70 kW al largo e 20 kW sottocosta, il progetto LIMPET (Land-Installed
Marine-Powered Energy Transformer), in Scozia, è collegato
alla rete elettrica e il costo del kWh è di 0,075 €
, non male per un prototipo assoluto del genere, per fare un
paragone basti pensare che i primi impianti eolici producevano
un kWh al costo di 0,16 € mentre oggi si hanno costi di
0,04 € con la prospettiva di arrivare a meno di 3 centesimi.
L'efficienza del sistema è buona, circa il 50%, il fronte
dell'impianto (sottocosta) è di 18 metri e le due turbine
da 300 kW producono in un anno circa 2300 MWh , i migliori aerogeneratori
con la stessa potenza producono mediamente in un anno circa
1300 MWh, i costi del prototipo sono 4 volte maggiori di quelli
delle turbine eoliche attuali che però godono di una
certa industrializzazione.
Possono essere integrati come frangiflutti...
...o come Protezioni litoranee di porti e darsene.
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Piattaforma Kaimei |
Poiché il moto delle particelle d'acqua decresce rapidamente con la profondità, tutti i dispositivi più studiati appartengono alla prima categoria.
Nel più interessante dei casi l'aria contenuta in due setti separati si espande quando l'onda decresce e viene compressa quando l'onda cresce. In entrambi i casi la turbina è fatta rotare dal flusso d'aria tra i due setti, la potenza media di uscita varia dai 70 ai 120 W. Gli ostacoli principali per la costruzione di impianti su larga scala sono i costi e le difficoltà di installazione in mare aperto. Un progetto è stato iniziato nel 1978 con la partecipazione del Canada, Stati Uniti, Irlanda, Giappone e Gran Bretagna. Sarà realizzato a bordo di una piattaforma marina (Kaimei) ancorata a 3 km dalle coste del Giappone; la produzione massima sarà di 2 MW.
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| Progetto giapponese " Mighty Whale " |
Un progetto, denominato Weratlas, punta a valutare il potenziale
energetico dei litorali europei. Sono stati individuati alcuni
siti promettenti nelle Azzorre, in Irlanda e Scozia. L'impatto
ambientale potrebbe essere costituito dal disturbo per i pesci
e da possibili erosioni delle coste. Un altro progetto basato
sulla "colonna d'acqua oscillante".
Sistemi con apparati galleggianti
Il progetto Pelamis è
un sistema con galleggianti ed utilizza l'ampiezza dell'onda
, è basato da una struttura semisommersa che grazie al
movimento dettato dalle onde agisce su dei pistoni idraulici
accoppiati a dei generatori.
In genere la singola struttura è composta da 5 elementi
congiunti , ha un diametro di 3,5 m ed è lungo 150 metri
, la potenza è di 750 kW. Particolare dello snodo, i materiali
devono essere resistenti all'azione corrosiva dell'acqua di
mare e sono previsti accessi alla struttura per eventuali interventi
di manutenzione e/o riparazione. Particolare del pistone idraulico,
una pompa ad olio ad alta pressione aziona dei motori idraulici
accoppiati al generatore. Impianti di prova saranno installati
al largo della Scozia (750 kW) e al largo dell'isola di Vancouver
in Canada (2 MW), gli impianti commerciali dovrebbero essere
di 30 MW e "coprirebbero" un Km quadrato di mare.
I primi sistemi commerciali saranno installati davanti alle
coste del Portogallo, il primo impianto sta per essere completato
ed ha una potenza di 2,25 MW.
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Prototipo Pelamis |
Pistone del sistema |
Snodo Pelamis |
In Brasile sarà sperimentato
un sistema in cui dei galleggianti sono collegati ad una banchina
tramite un braccio snodato, meccanicamente accoppiato ad un
generatore.
Il progetto è sviluppato dall' Università Federale
di Río de Janeiro, il costo dell'energia elettrica così
prodotta è previsto nello stesso ordine di grandezza
degli impianti idroelettrici tradizionali.
Sistemi con impianti sommersi
Anche il principio di Archimede si presta allo sfruttamento
del moto ondoso, sono più di uno i sistemi che si basano
sui principi idrostatici,tra i quali l'AWS (Archimedes Wave
Swing), in maggio del 2004 ha installato un impianto pilota
al largo delle coste Portoghesi.
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| AWS |
OPT |
Questo progetto consiste in
una struttura ancorata al fondo marino nella quale una camera
d'aria è compressa al momento del passaggio dell'onda
sopra il sistema e risale quando l'onda è passata, nel
sistema commerciale si dovrebbe avere una potenza di 2 MW, con
una struttura (completamente sommersa) alta 30 metri e 10 metri
di diametro, la massima efficienza si ha con onde che abbiano
una ampiezza di 5 metri.
A marzo 2004 l'americana Ocean
Power Technologies, che sta mettendo a punto un sistema simile,
ha annunciato la realizzazione di un impianto pilota al largo
delle coste Spagnole, a differenza del sistema AWS quello della
OPT prevede un elemento affiorante.
Il costo del kWh per questa tecnologia è stimato in 3-4
centesimi per un impianto di 100 MW.
Sistemi di superficie con bacino
di raccolta
 Un'altro modo per utilizzare le onde è studiato dalla
società danese Wave Dragon e affronta la questione in
modo più tradizionale: cattura l'acqua dell'onda in un
bacino sopraelevato tramite una "rampa" e la fa passare
per delle turbine ad elica posizionate poco sopra al livello
medio/inferiore dell'onda e al centro del "bacino".
La realizzazione di un impianto precommerciale è prevista
per i primi mesi del 2008.
Progetto italiano per frangiflutti a recupero energetico
 Viene descritto un sistema frangiflutto in grado di attuare
anche lo sfruttamento della forza d'urto delle onde del mare
per produrre energia elettrica. Si tratta di una struttura del
tutto simile a quelle in corso di sperimentazione da molto tempo
ma dalle quali si distingue per la presenza di un serbatoio
idropneumatico, finora mai utilizzato in applicazioni del genere
ma che si ritiene essere in grado di regolarizzare il flusso
e cioè di trasformare un'energia pulsante come quella
delle onde in energia che si mantiene costante per periodi di
una durata compatibile con una sua utilizzazione ai fini idroelettrici.
Energia oceano meccanica: Sistemi ad onde energetiche
La maggior parte dell'energia che arriva alla terra dal sole, è cambiata dal vento che di conseguenza trasferisce l'energia alle onde del mare. L'energia delle onde del mare è enorme ed è circa 70Kw/km del fronte piatto dell'onda. Queste onde si muovono per chilometri senza perdere la loro potenza. Le onde sono prodotte da una tempesta nel centro dell'Oceano Atlantico che normalmente migra verso le coste senza perdita di potenza. Tutta l'energia è concentrata vicino al livello dell'acqua e solo una piccola parte d'energia migra alla profondità di 50 metri sotto il livello dell'acqua. Questo significa che è una risorsa energetica molto concentrata che varia molto meno durante il giorno, comparata ad altre risorse rinnovabili (sole, vento). La tecnologia che fa uso di energia delle onde è basata sulla cattura delle onde in spazi ristretti e sulla trasformazione dell'energia cinetica in elettricità.
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Sistema della colonna oscillante dell'acqua (OWC) |
Per la conversione d'energia, vi sono tre sistemi base:
- Sistemi di canali – che incanala le onde nei serbatoi
- Sistemi di flusso – che guidano pompe idrauliche
- Sistemi OWC – che utilizzano le onde per comprimere l'aria in un container
La figura sopra mostra il sistema della colonna oscillante dell'acqua (OWC). L'acqua sale ad una conca idraulica e forza l'aria fuori dalla conca. L'aria in movimento fa girare una turbina che può accendere un generatore. Quando l'onda si abbassa, l'aria fluisce attraverso al turbina e indietro nella conca idraulica attraverso porte che sono normalmente chiuse.
ENERGIA DALLE MAREE
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| Schema impianto di marea |
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| Ciclo impianto di marea |
È noto che la luna esercita una forte forza d’attrazione
sull’acqua della Terra. Dall’innalzamento e dall’abbassamento
regolare delle masse d’acqua si ricava energia. Per costruire
una centrale di marea, l’estuario è sbarrato in
direzione del mare con una diga artificiale. La tecnica energetica
sfrutta il dislivello tra l’alta marea e la bassa marea
: la cosiddetta ampiezza di marea. Una premessa è ovviamente
un’ampiezza della marea sufficiente, come si verifica
ad esempio nella Francia settentrionale, presso St. Malo, dove
la differenza tra il livello minimo e il livello massimo dell’acqua
è di 12-13 metri.
Le centrali di marea costiere
hanno il limite nell'erosione che esercitano nelle coste e nella
abondante sedimentazione all'interno del bacino, per questi
motivi si sta pensando a degli impianti offshore che hanno anche
il vantaggio di poter modulare la produzione di energia elettrica
dividendo la struttura in più bacini.Con le opportune
griglie di sbarramento e data la non elevata velocità
delle turbine di questi sistemi può essere salvaguardata
anche la flora e la fauna all'esterno dei sistemi.
Ad oggi sono stati individuati,
a livello globale, 21 siti dove le caratteristiche delle maree
sono adatte alla installazione di questo tipo di centrali mareomotrici
Nella sola Inghilterra il potenziale stimato è di 6.000
MW di impianti realizzabili. Il progetto pilota proposto
dalla Tidalelectric è di 60 MW, il costo stimato per
l'impianto è di 120 milioni di Euro, il ricavo stimato
annuo è di 12 milioni di Euro ( senza contributi pubblici),
il costo di generazione sarebbe già competitivo anche
a livello di prototipo.
ENERGIA
DALLE CORRENTI MARINE E DI MAREA
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| Sistema di turbine ad asse orizzontale |
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| La Swanturbines ha ideato un sistema telescopico utile per la manutenzione degli organi in movimento |
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| Sistema progettato dalla inglese EB, studiato appositamente per le correnti di marea |
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| Turbine ad asse verticale, adatte per correnti di marea, lo sbarramento è solo apparente |
L’energia delle correnti
di marea è una delle fonti più interessanti ed
inesplorate tra le fonti di energie rinnovabili.
Nella sola Europa la disponibilità di questo tipo di
energia è pari a circa 75 GW. Le forti correnti marine che
attraversano lo Stretto di Messina hanno una potenzialità
energetica pari a quella prevista dalla grande centrale idroelettrica
in costruzione in Cina sul Fiume Azzurro: circa 15.000 MW.Le turbine per lo sfruttamento
delle correnti marine possono essere (come per le tecnologie
eoliche) ad asse orizzontale o ad asse verticale.
Le turbine ad asse orizzontale sono più adatte alle correnti
marine costanti, come quelle presenti nel Mediterraneo.
Le turbine ad asse verticale sono più adatte alle correnti
di marea per il fatto che queste cambiano direzione di circa
180° più volte nell'arco della giornata.
Per lo stesso motivo anche i
sistemi a pompa sono adatti alle correnti di marea, come lo
Styngray, progetto curato da una società inglese. È bene notare che l’energia
delle correnti di marea è del tipo “non a barriera”,
al contrario di quella ottenuta utilizzando l’innalzamento
e l’abbassamento delle maree come la centrale di La Rance
in Francia.
Nella prima immagine in alto
un sistema di turbine ad asse orizzontale simili a quelle installate
nella centrale di Hammerfest in Norvegia e a Lynmouth in Inghilterra. I costi di questi impianti sperimentali
sono già ad un buon livello (0.07€/kWh), si calcola
di raggiungere costi ancora più competitivi per impianti
multipli, altre società che sviluppano sistemi simili
sono la Marineturbines e la Swanturbines.
Un metro quadrato di area, intercettata con una turbina, in
una corrente d'acqua che viaggia a 3 metri al secondo (11 Km/h)
dà una potenza di 3 kW.
Una corrente d'aria che investe una turbina eolica da un metro
quadrato per produrre 3 kW deve viaggiare a 28 metri al secondo
(100 Km/h).
A destra in basso una turbina ad asse verticale "Kobold"
in un test in galleria del vento. E' simile alla turbina montata
nell'impianto sperimentale nello stretto di Messina.
Un altro concetto per lo sfruttamento delle correnti di marea
è studiato dalla società australiana Biopower.
La turbina Kobold, che ha l'aspetto
di una piattaforma galleggiante di circa 10 metri di diametro,
dotata di una turbina ad asse verticale con tre grandi pale
immerse in acqua, è nata dall'idea di Elio Matacena di
sfruttare all'incontrario un moderno propulsore navale montato
sui traghetti Caronte. Posta da quasi due anni al largo di Ganzirri
(a Nord di Messina) dove le correnti hanno velocità medie
di 2 metri al secondo, Kobold ha dimostrato la fattibilità
della conversione dell'energia meccanica in elettrica. La Ponte
di Archimede S.p.A., ovvero l'azienda che lo ha sviluppato e
realizzato, ha già trovato un importante cliente disposto
ad acquistarne un gran numero: l'Indonesia. Il territorio indonesiano
è composto da tantissime isole di dimensioni alquanto
ridotte sulle quali è quasi impossibile portare o produrre
energia, tanto che la maggior parte sono ancora senza elettricità.
Il governo indonesiano ha intenzione di installare le Kobold
(questo il nome delle turbine) tra queste isole per sfruttare
le fortissime correnti che le circondano in modo da poter dare
corrente ai tanti villaggi e paesi che ancora ne sono sprovvisti.
L'università "University of Wales Swansea"
e partners stanno progettando turbine
per produrre elettricità dalla acqua marina corrente.
Le turbine "Swanturbines" sono particolari per una
serie di aspetti. La prima differenza è il diretto accoppiamento
delle pale al generatore elettrico senza l'intermedio di una
scatola trasmissione. Questa configurazione è più
efficace ed elimina un potenziale punto di guasti. Un'altra
particolarità è l'uso di "gravity base",
un pesante blocco di cemento per tenere la turbina in piedi
anziché a mezzo trivellazione del fondo marino.
Energia oceano meccanica: Sistemi delle correnti energetiche
La potenza delle maree è differente dalle altre risorse energetiche perché ha origine nell'energia gravitazionale e cinetica che arriva dall'influenza della luna sul pianeta. La marea è un risultato di questa attività e si fa sentire su tutti i mari e tutte le coste oceaniche
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Sbarramenti per convertire l'energia delle correnti delle maree in elettricità |
Il livello dell'acqua cambia regolarmente due volte al giorno (sale e scende) e questo porta a tentare di sfruttare quest'energia. Per convertire l'energia delle correnti delle maree in elettricità vengono generalmente utilizzati degli sbarramenti (vedi figura sopra). Lo sbarramento è costruito da un capo all'altro di un estuario, permettendo ai flussi delle maree di riempire un bacino di raccolta per mezzo di una serie di canali con chiuse. A livello alto dell'acqua le barriere sono chiuse, creando una sorgente d'acqua nella bassa marea. L'elettricità viene generata rilasciando l'acqua in una serie di lampade a turbina convenzionali. L'elettricità in questo tipo di centrali elettriche è prodotta solo per poche ore al giorno. Questo significa che, alla fine, l'efficienza è bassa. Le centrali energetiche a correnti delle maree producono solo un terzo comparabilmente agli impianti idrici classici. Una variante è la tecnologia dei corsi delle maree, che mira a sfruttare le forti correnti delle maree che vengono trovate in mari abissali dove esistono naturali costrizioni, come attorno a promontori o tra due isole.
ENERGIA DAL GRADIENTE TERMICO
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Meccanismo conversione dell'energia termica degli oceani (Otec) |
La prima centrale per la conversione
dell'energia termica degli oceani (Otec) è nata nel 1996
al largo delle isole Hawaii e produce energia sfruttando la
differenza di temperatura tra i diversi strati dell'oceano.
L'energia solare assorbita dalla superficie del mare la riscalda,
creando una differenza di temperatura fra le acque superficiali,
che possono raggiungere i 25 - 28 gradi, e quelle situate per
esempio ad una profondità di 600 m, che non superano
i 6-7 gradi.
Le acque superficiali, più calde, consentono di far evaporare
sostanze come ammoniaca e fluoro; i vapori ad alta pressione,
mettono in moto una turbina e un generatore di elettricità,
passano in un condensatore e tornano allo stato liquido raffreddati
dall'acqua aspirata dal fondo.
Una differenza di 20 gradi centigradi basta a garantire la produzione
di una quantità di energia economicamente sfruttabile.
Attualmente si ha una potenza
di 50 KW, ma si pensa di poter arrivare a 2 MW anche se i costi
sono molto alti. 
Le zone dal giallo al rosso
nell'immagine a lato sono idonee per lo sfruttamento del gradiente
termico per produrre energia elettrica, il potenziale di questa
tecnologia è considerevole nelle zone adatte.
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Mappa oceanica della differenza di temperatura tra le acque di superficie e quelle profonde |
L' OTEC è una tecnologia conveniente solo nei mari tropicali, dove la differenza di temperatura tra le acque di superficie e quelle profonde è di circa 20°, oppure nelle isole vulcaniche, dove si minimizza la lunghezza dei tubi che devono arrivare in profondità (il costo delle condutture ammonta al 75% dell'impianto). In questi casi la sua efficienza e' del 3% (una centrale a combustibili fossili rende 10 volte di più).
Secondo il NRAL ( National Renewable Energy Laboratory USA ), gli oceani possono produrre miliardi di Watt di energia elettrica, essendo delle risorse rinnovabili ampie. Inoltre l'acqua di mare fredda e profonda, utilizzata per l' OTEC, è ricca di sostanza nutrienti, è quindi possibile utilizzarla anche per l'idrocultura (produzione di alghe) e l'agricoltura a suolo freddo, per permettere a piante temperate di crescere ai tropici.In più questa tecnologia può essere utilizzata per produrre acqua desalinizzata per usi industriali, agricoli o residenziali, può fornire aria condizionata, è una risorsa per la maricultura on-shore e near-shore e ovviamente ha un significativo potenziale di fornire elettricità pulita. Nelle piccole isole, i benefici possono essere l'autosufficienza, minimi impatti ambientali, miglior nutrizione data dall'acqua desalinizzata e dai prodotti di maricultura. Insomma questo è un altro dei vari modi di ricavare energia dal mare. Naturalmente ne vanno valutati gli impatti sull'ecosistema. In teoria, trattandosi di tubature installate sui pendii delle piattaforme continentali che devono scendere fino ad un chilometro di profondità, la loro ubicazione dovrebbe dare poco fastidio. Il problema e' che una centrale da 100 MW scaricherebbe acqua fredda con la stressa portata di un fiume. Che fare di quest'acqua? Oltre agli usi di cui sopra, si pensava di scaricarla di nuovo a mare, alla profondità di 100 m . A quel livello lo scarico dovrebbe essere termicamente isolato dalle acque superficiali, dove si svolgono le attività biologiche più intense.
ENERGIA DA OSMOSI
Quando un fiume si versa in
mare e l'acqua dolce si mescola con acqua salata vengono liberate
enormi quantità di energia. Ciò non è evidente
e non è intuitivo ma basti pensare che per ottenere acqua
dolce dall'acqua salata serve energia, per contro quando l'acqua
dolce viene salata si libera energia.
Teoricamente ci sono diversi
modi per convertire in energia utile l'energia dissipata quando
l'acqua dolce si miscela all'acqua di mare.
Le due tecniche più interessanti sono:
a) ritardo-pressione per osmosi (pressure-retarded osmosis,
PRO)
b) elettrodialisi inversa (reverse electrodialysis, RED)
Le possibilità per una applicazione pratica di queste
due tecniche dipendono molto dalla riduzione di costo della
membrana osmotica necessaria ai due sistemi. Nel corso degli
ultimi venti anni lo sviluppo di membrane osmotiche ha avuto
un buon sviluppo grazie all'applicazione nella desalinizzazione
dell'acqua per usi potabili ed irrigui e per la depurazione
delle acque reflue, grazie a ciò ora si comincia a pensare
seriaamente alla possibilità di utilizzare le membrane
anche per la produzione di energia.
Pressure-Retarded Osmosis
(PRO)
Questo fenomeno fisico fu notato
per caso la prima volta nel 1784 quando il sacerdote e fisico
francese Jean-Antoine Nollet mise una vescica di maiale riempita
di vino in un barile d'acqua.
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L'acqua dolce è separata dall'acqua salata da una membrana semipermeabile, così si ha una sollevazione del livello del'acqua salata creando un salto sfruttabile con tecnologie idroelettriche tradizionali |
L'effetto fu che la vescica si
gonfiò fino a scoppiare. Il fisico olandese Van't Hoff
nel 1899 descrisse il fenomeno trovando la formula per calcolare
la pressione osmotica.
Il principio di funzionamento
di un impianto basato sul PRO è descritto nell'immagine
a lato.
Negli anni Cinquanta c'è stato un crescente interesse
per la produzione di acqua potabile da acqua di mare.
Un passo
avanti è stato compiuto dagli americani Sidney Loeb producendo
una membrana semipermeabile utile allo scopo.
La produzione
di acqua dolce per osmosi inversa è oggi una tecnologia
consolidata ed utilizzata soprattutto in Medio Oriente.
Le stesse
membrane possono essere utilizzate in un impianto per la produzione
di energia elettrica con la tecnica PRO. Attualmente questa
tecica è sperimentata in Norvegia dalla società.
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