Energia Marina

energia marina

Con energia marina, energia oceanica o energia pelagica si intende l’energia racchiusa in varie forme nei mari e negli oceani.

Ci sono diversi tipi di tecnologie conosciute che cercano di sfruttare questi tipi di energia, considerati rinnovabili. Le tecnologie sono principalmente di tipo fluidodinamico, ossia sfruttano il movimento dell’acqua (esso sia rappresentato da una corrente, onde o maree), ricavandone energia meccanica che poi può essere trasformata in energia elettrica. Alcune tecnologie invece sfruttano i diversi gradienti (termico e/o salino) e l’energia chimica in essi contenuta.

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I sistemi di estrazione sperimentati ad oggi sono riconoscibili in base alle categorie precedentemente elencate e loro sottocategorie. Gli impianti che sfruttano la fluidodinamica sono:

  • impianti da energia fluidodinamica delle correnti marine
  • impianti da energia fluidodinamica mareomotrice (o delle maree)
  • impianti da energia fluidodinamica del moto ondoso.

D’altra parte abbiamo impianti che sfruttano i gradienti, come detto termici (impianti talassotermici) o salini (impianti a gradiente salino).

Energia delle correnti

È definita come l’energia cinetica prodotta dalle enormi masse d’acqua in movimento che costituiscono le correnti marine o oceaniche. Le correnti marine a livello fluidodinamico, sono degli immensi flussi d’acqua che possiedono caratteristiche fisiche meccaniche uniche.

Solitamente le correnti marine possiedono una densità diversa, sono caratterizzate da una direzione e velocità relativamente costanti. Si possono distinguere dalle acque circostanti sia per la loro particolare temperatura che per la salinità. In particolari casi sono identificabili anche a vista, per il colore o per la concentrazione di materiali sospesi. Ne esistono di vari tipi: ad esempio costiere o di mare aperto, superficiali o di profondità, stabili o stagionali.

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Il principio che si propone di utilizzare l’energia dell’acqua marina è molto simile a quello utilizzato per sfruttare quella eolica. Il vento (l’aria) (così come come l’acqua) è un fluido, che con l’energia cinetica che possiede riesce a spostare pale e generare energia meccanica. Queste pale sono studiate sia in generatori ad asse orizzontale (più adatti in regimi di correnti costanti, ad esempio quelle del Mediterraneo) o verticale (come le correnti di marea che cambiano direzione.

Nel nostro paese si trova uno dei siti più interessanti di energia da correnti marine: lo Stretto di Messina. Geograficamente il luogo è caratterizzato da correnti molto veloci (1.5m/s in media). Generatori studiati appositamente, con pale particolari (che sfruttano la rotazione delle pale sia attorno al mozzo dell’elica sia attorno al proprio asse) ha dimostrato essere vantaggiosa e generatrice di ottimi risultati. La commercializzazione di queste “pale marine” non è ancora cominciata, anche se gli studi che ne valutano la fattibilità rimangono, per la maggior parte, molto positivi.

Energia mareomotrice

Questa è l’energia ricavata dagli spostamenti d’acqua causati dalle maree. Per marea scientificamente ci si riferisce al ritmico innalzamento e abbassamento del livello del mare, provocato dall’azione gravitazionale di luna e sole. Il fattore caratteristico di una marea è il dislivello tra punto di alta e punto di bassa, o meglio di quanti metri il mare si “alza” e si “abbassa”.

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Solitamente nella maggior parte del mondo ha un’ampiezza inferiore al metro, anche se è fortemente dipendente dalla zona e dalla configurazione del sito. Infatti in alcune zone del pianeta ad esempio, si verificano dislivelli elevatissimi (fino a 20m) ed è in questi luoghi che lo sfruttamento per ricavare energia è più interessante e sfruttabile. Lo sfruttamento di questo tipo di energia risale già agli antichi, che costruivano dei “mulini a marea”: l’acqua veniva raccolta in piccoli bacini grazie a delle paratie. Al momento del deflusso l’acqua poteva essere convogliata attraverso un canale presso una ruota che muoveva una macina. Oggi gli impianti utilizzano diversi metodi per sfruttare l’energia.

Alcuni esempi sono:

  • Sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità;
  • La compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazione di turbine in seguito alla sua espansione;
  • Movimento di ruote a pale;
  • Riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine.

Quest’ultimo sembra dare i migliori risultati, nell’effettivo impiego. Il problema più importante allo sviluppo di tale tecnologia resta comunque lo sfasamento tra massima ampiezza di marea disponibile (la cui cadenza è prevedibile sulla base delle fasi lunari e solari) e riuscire a rispondere alla domanda di energia quando richiesta. Infatti nei giorni di insufficienza nell’afflusso d’acqua la produzione di elettricità cesserebbe.

L’ultima tipologia descritta è dunque la più comune ed è quella alla quale ci si riferisce in genere quando si parla di centrali mareomotrici, dove in una turbina l’acqua genera energia sia mentre la marea si alza che mentre si abbassa. In un primo momento l’acqua viene convogliata in una serie di tunnel dove acquista velocità e fa girare turbine collegate a generatori.

Nella seconda fase l’acqua defluisce e invertendo la polarità dei generatori le turbine producono nuovamente elettricità all’interno dei tunnel. Queste particolari turbine vengono chiamate reversibili, cioè funzionanti con entrambe le direzioni di flusso.

L’unica centrale attualmente utilizzata e funzionante è quella di Saint-Malo in Francia. Situata sulla foce del fiume Rance, costruita tra il 1961 e il 1966, la centrale è capace di sfruttare una marea particolarmente ampia che arriva sino ai 13,5m di dislivello. La portata raggiunge circa i 18000 metri cubi d’acqua al secondo, con una potenza massima erogabile di 240 MW. Ogni anno la centrale copre il 3% del fabbisogno elettrico della regione limitrofa (Bretagna Francese).

Che limiti hanno le centrali mareomotrici?

Le centrali mareomotrici hanno grossi limii applicativi che sono:

  • Il costo di installazione elevato
  • La difficoltà di collocazione (indicativamente, i siti idonei devono avere ampiezze di marea superiore ai 3 metri e presentarsi topograficamente idonei all’installazione)
  • La discontinuità nella produzione (problema della collimazione tra domanda e offerta di energia)
  • L’erosione delle coste creata dalle centrali che modificano i flussi di marea
  • La tendenza alla sedimentazione all’interno del bacino (soprattutto se collocate vicino alla foce di un fiume)
  • Il disturbo per l’ecosistema, in particolare per la fauna ittica.

Energia del moto ondoso

Quest’ultimo tipo di energia fluidodinamica sfrutta l’energia cinetica contenuta nel moto delle onde, da cui prende il nome. È ancora un’idea in fase di sperimentazione, ed è elemento di ricerca nel campo energetico in moltissime università mondiali. Il sistema di generazione elettrica che utilizza le onde è anche conosciuto con il nome di “cimoelettrico”.

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Esistono diverse tecniche di sfruttamento del moto ondoso, e dunque diversi tipi di impianti cimoelettrici, basati su diversi principi fisici:

  • Salto idrico. 
E’ basato sul passaggio delle onde in un canale di larghezza decrescente o mediante particolari rampe, in modo che le onde raggiungano altezze superiori. Questo rende possibile riempire un bacino in quota rispetto al livello del mare. Il principio è noto come concentrazione o focalizzazione delle onde. Grazie a turbine idrauliche l’acqua raccolta è trasformabile in energia elettrica durante il deflusso. Il modello più noto ha una potenza di circa 4-7MW;
  • Generatore a colonna d’acqua oscillante.
 E’ costituito da un impianto che raccoglie l’acqua che entra grazie al moto ondoso in una struttura cava (in genere una colonna in calcestruzzo, anche se può avere varie forme). il movimento delle onde può mettere in moto la colonna d’aria che sta sopra la superficie dell’acqua. La compressione e decompressione dell’acqua la fa fluire attraverso una turbina (solitamente turbina Wells in grado di ruotare sempre nello stesso verso indipendentemente dal verso del fluido che la attraversa) che collegata a un generatore, trasforma il flusso in energia elettrica;
  • Sistemi a ondata
. Sono simili al generatore a colonna, ma la sacca d’aria è ancorata al fondo similmente a una boa, e il turbogeneratore risiede sopra questa sacca.
  • Sistemi basati sull’ampiezza dell’onda
. Questi sono i sistemi più particolari: richiedono diversi elementi che in base alla loro inclinazione dipendente dal moto ondoso, sono collegati a un generatore e trasformano il flusso cinetico in energia elettrica
  • Sistemi basati sul principio di Archimede
. Questi sistemi sfruttano il cambio di pressione che viene generato dall’aumento della colonna d’acqua soprastante una struttura sommersa (in questo caso ancorata al fondo marino). La struttura è quindi soggetta a cicli di compressione-decompressione dovuti a questa variazione ed esistono progetti pilota promettenti. La forma di alcuni di questi è simile a un grosso cilindro con un cappello mobile in senso verticale.
Il generatore Pelamis è un famoso esempio sperimentato in Portogallo sono costituiti da strutture tubolari galleggianti ancorati al fondo marino. All’interno di queste strutture vi sono delle turbine messe in moto da liquido ad alta pressione che viene pompato da pistoni idraulici grazie al movimento relativo dei i vari scompartimenti galleggianti. Tali generatori generano energia con costanza, ma mostrano un ingombro non indifferente.

Energia talassotermica

È il primo dei due tipi di energia chimica utilizzabile e sfrutta le differenze di temperatura tra la superficie marina e le profondità oceaniche, nell’ordine delle centinaia di metri. Generalmente la prima è decisamente più calda, e questa differenza di temperatura può essere trasformata in una forma di energia. È anche conosciuta come OTEC, acronimo per Ocean Thermal Energy Conversion.

Il principio di funzionamento è simile a quello di una centrale a vapore: utilizzando un fluido che evapora alla temperatura dell’acqua di superficie (es. 25-28 °C come ammoniaca o fluoro), il vapore in pressione mette in moto una turbina, passa a un condensatore e torna allo stato liquido raffreddato dall’acqua del fondale (solitamente inferiore ai 10 °C).
Questo tipo di installazione ha grossi limiti, innanzitutto legati alla necessità di un sito adatto (le più adatte sono le zone tropicali), e il costo elevato dell’installazione.
Attualmente esiste un sistema in funzione nelle Hawaii, capace di generare 250 kW. Sono stati studiati sistemi più potenti fino all’ordine di qualche MW, ma ancora non sono stati utilizzati.

Energia a gradiente salino

Questo tipo di fonte energetica sfrutta la differenza nella concentrazione di sale tra l’acqua di mare e l’acqua dolce. Il principio di funzionamento è basato sull’alta concentrazione di sali disciolti nell’acqua marina rispetto a quella dolce. Opportunamente separando l’acqua dolce dall’acqua marina, con una membrana, in corrispondenza della stessa si instaura un gradiente di concentrazione, il quale costituisce la forza spingente per il processo di produzione di energia.

A causa di tale gradiente, le molecole di acqua presenti nell’acqua dolce tendono naturalmente a trasferirsi nell’acqua salata, in modo da avvicinare le concentrazioni saline delle due soluzioni acquose. Il sale invece non può oltrepassare la membrana nel senso inverso, in quanto la grandezza dei pori della membrana permettono solamente il passaggio delle molecole di acqua, che sono meno ingombranti. Il movimento dell’acqua attraverso la membrana genera una variazione di pressione, che viene detta “pressione osmotica”. Tale pressione può essere utilizzata ad esempio attraverso una turbina per generare energia, che può essere successivamente convertita in energia elettrica.

Vennero realizzati i primi prototipi per sfruttare questa energia negli anni ’90. Esistono diversi impianti nel mondo con picchi di potenza fino a 2-4 kW.

I metodi per ottenere energia dal gradiente salino sono:

  • L’elettrodialisi inversa (o RED, dall’inglese Reverse Electro Dialysis)
  • La Pressure Retarded Osmosis (PRO)
  • Il metodo capacitativo
  • Tali procedimenti si basano sull’osmosi mediante membrane permeoselettive. L’unico prodotto di scarto di questo processo è acqua salmastra. Per questo è considerato completamente sostenibile.

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