Il mare: una risorsa di energia illimitata

  1. Introduzione e motivazioni

Il potenziale energetico nei mari e oceani del pianeta si attesta fino a 90.000 TWh/anno, secondo le stime dell’International Energy Agency (IEA, Agenzia Internazionale dell’Energia). Una quantità che potrebbe dir poco, ma che in termini pratici corrisponde a circa cinque volte il fabbisogno elettrico globale. E già questo basterebbe a giustificare gli sforzi profusi nella ricerca nel campo dello sfruttamento dell’energia dal mare. Così come l’energia del sole, del vento e idroelettrica, già da decenni affermate nel mix di produzione di elettricità in ogni parte del mondo, anche l’energia del mare è generata da una fonte rinnovabile, inesauribile e pulita, tuttavia ancora poco utilizzata. Il vantaggio principale, rispetto alle altre rinnovabili, è la bassa variabilità produttiva rispetto alle condizioni climatiche. Purtroppo, però, le emissioni di gas serra evitate (al confronto sia con le fonti fossili tradizionali, sia con le altre rinnovabili, che durante il loro ciclo di vita forniscono un contributo di emissioni considerevole [1]) si scontrano con un impatto ambientale su flora e fauna marina che in alcune zone costiere potrebbe risultare tale da non giustificare l’adozione di impianti in grado di generare elettricità dal mare. Il problema fondamentale, comunque, come già successo in passato per pannelli fotovoltaici e turbine eoliche, ad esempio, è da ricercarsi negli elevati costi tecnici per la produzione e il funzionamento di impianti che possano sfruttare il mare e le svariate fonti di energia che esso mette a disposizione. Esatto, LE svariate fonti di energia, perché esiste più di una modalità per estrarre potenza elettrica dal mare. Infatti, la ricerca è concentrata principalmente in cinque aree:

  • Energia dalle correnti;
  • Energia dalle maree;
  • Energia da gradiente di temperatura;
  • Energia da gradiente salino;
  • Energia da moto ondoso.

La maggior parte dei progetti esistenti si trova tuttavia in fase sperimentale o dimostrativa, e il contributo attuale dell’energia dal mare alla produzione elettrica globale è pressoché trascurabile. In ogni modo, la generazione di elettricità da tecnologie alimentate dal moto ondoso ha visto una crescita del 13% nel 2019 rispetto ai tre anni precedenti. Per quanto gli sforzi profusi dalla ricerca siano molteplici ed efficaci, lo sviluppo di tecnologie in grado di sfruttare le potenzialità di mari e oceani necessita di un avanzamento ancora molto più rapido per rientrare nella linea stabilita dallo Scenario di Sviluppo Sostenibile (Sustainable Development Scenario – SDS), identificato dall’International Energy Agency (IEA) come la traiettoria energetica da seguire per rispettare i limiti imposti dall’Accordo di Parigi – mantenere l’incremento della temperatura media globale al di sotto dei 2 °C rispetto ai livelli preindustriali, compiendo sforzi per limitare tale incremento a 1.5 °C [2]. Ciò richiede una crescita annuale del 23% fino al 2030, come si può notare in Figura 1. Sono perciò richieste più efficaci politiche di sostegno per la ricerca e sviluppo di tali tecnologie [3].

A sostegno delle elevate potenzialità delle tecnologie per lo sfruttamento dell’energia marina, l’Unione Europea stanzia in media 32 milioni di euro l’anno per finanziare la ricerca in quest’ambito [4], ma l’importanza di questa forma di energia è anche riconosciuta a livello delle singole nazioni, sia europee che extra-europee.

Nel territorio italiano si sta puntando sempre di più sulle tecnologie che sfruttano energia del mare, grazie all’enorme potenziale percettibile dall’elevato sviluppo costiero della nostra penisola. Gli impianti in grado di sfruttare l’energia marina sono perlopiù sottomarini, quindi inoffensivi per la bellezza delle nostre coste. Si pensi, quindi, alle enormi potenzialità energetiche derivanti dall’installazione di tali impianti anche solo per una piccola parte dei circa 7500 km di coste italiane. A questo proposito, per esempio, il solo stretto di Messina, grazie al potenziale derivante dall’alta velocità delle correnti che lo attraversano, potrebbe soddisfare il fabbisogno elettrico di oltre 200000 persone [5]. I massimi valori di potenziale energetico da moto ondoso nel territorio italiano, invece, sono riscontrabili lungo la costa occidentale della Sardegna [1]. Nonostante tutti i progetti (italiani e non) siano ancora in fase di ricerca, alcuni hanno già dimostrato di essere molto promettenti per la produzione di energia elettrica su scala commerciale.

pastedGraphic.png

Figura 1. Generazione elettrica da fonti marine e oceaniche (dati storici + proiezioni IEA per il SDS) [6].

Nel seguito dell’articolo, esaminiamo le varie possibilità per la produzione elettrica da fonti marine ed oceaniche, mostrando alcuni tra gli esempi di tecnologie più promettenti nel panorama internazionale ed italiano. Inoltre, una parentesi finale è dedicata alla Conferenza MORE, tenutasi il 4 dicembre 2020, e in cui è stato presentato l’omonimo laboratorio congiunto Politecnico di Torino-ENI, che studia possibilità concrete per la produzione di energia dal mare. 

  1. Energia dalle correnti

Le masse d’acqua in movimento producono energia cinetica, e a livello fluidodinamico si nota che gli immensi flussi d’acqua possiedono caratteristiche fisiche meccaniche uniche. Il principio di funzionamento è molto simile a quello utilizzato per sfruttare l’energia eolica. In base alla direzione delle correnti vengono impiegati turbine ad asse verticale o orizzontale [7].

    1. Panorama internazionale

A largo di Lynmounth nel North Devon, in Inghilterra, la società Marine Current Turbines ha progettato e installato il dispositivo SeaGen (nato dall’esperienza del precedente progetto SeaFlow [8]). Il rotore singolo è capace di generare fino a 300 kW di potenza elettrica. A Strangford Lough, nell’Irlanda del Nord, l’azienda Seagen ha dato vita alla prima centrale elettrica alimentata ad energia cinetica da correnti marine, che con una potenza installata di 1.2 MW potrebbe soddisfare il fabisogno di 1000 abitazioni [9].

    1. Panorama italiano

L’Università “Federico II” di Napoli è all’avanguardia in questo settore, e ha stabilito una collaborazione con la società senza scopro di lucro SeaPower scarl, con lo scopo di realizzare progetti nel settore dell’energia rinnovabile tramite lo sviluppo e l’ottimizzazione di componenti per turbine eolico-marino-fluviali [8]. 

Tra le tecnologie, nello scenario nazionale italiano, troviamo: KOBOLD (sviluppata dalla società Archimede S.p.A. in collaborazione con la “Federico II di Napoli”), una turbina ad asse verticale con pale parzialmente libere di oscillare, installata nello stretto di Messina, e che produce una potenza di 40-60 kW; GEM (brevetto del’Ing. Nicola Morrone insieme al Prof. Domenico Coiro dell’Università “Federico II” di Napoli), definita “aquilone del mare”, è formata da due turbine ad asse orizzontale e produce una potenza di 200 kW, provata in mare nella laguna Veneta.

pastedGraphic_1.png

Figura 2. L’impianto GEM e le sue turbine.

  1. Energia dalle maree (o mareomotrice)

L’innalzamento e l’abbassamento del livello del mare sono provocati dall’azione gravitazionale della luna e del sole, e questo spostamento dell’acqua permette di ricavare energia. Generalmente, il dislivello d’acqua è molto basso (inferiore al metro), ma questo dipende dalla zona in cui ci si trova, perché in alcuni luoghi del globo il dislivello raggiungibile è parecchio significativo (fino a 20 metri). 

Le tipologie di tecnologie che possono essere usate per sfruttare questa energia sono molteplici: il sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità; la compressione d’aria in alcuni cassoni seguita dalla movimentazione di turbine; il movimento di ruote a pale; il riempimento e successivo svuotamento di bacini con passaggio in turbine.

    1. Panorama internazionale

In Francia, e precisamente a Saint-Malo, in Bretagna, si trova un esempio di centrale mareomotrice nel fiume Rance (vedi Figura 3), con una potenza installata di 240 MW, e che sfrutta un’escursione di marea di qualche metro [8]. Tale centrale è in grado di soddisfare il 3 % del fabbisogno elettrico annuale dell’intera regione della Bretagna [10].

pastedGraphic_2.png

Figura 3. Panoramica aerea della centrale mareomotrice sul fiume Rance (Francia) e relativo schema di funzionamento.

L’impianto di maggiore risalto è certamente MeyGen (impianto di Atalntics Resources), che si trova nel Pentland Firth, tra le isole Orcadi e Caitheness in Scozia. Nell’agosto del 2018 ha stabilito un record per la produzione di energia elettrica, 700 MWh, che hanno alimentato più di 2000 abitazioni scozzesi [11].

  1. Energia da gradiente di temperatura (o talassotermica)

In questo caso, si sfrutta la differenza di temperatura dell’acqua tra la superficie e la profondità attraverso un circuito nel quale viene inserito un fluido (ammoniaca o fluoro). Il fluido deve avere delle caratteristiche tali per cui l’acqua in superficie abbia una temperatura più alta, e faccia quindi evaporare il fluido; in seguito, tornando in profondità, dove l’acqua è più fredda, lo fa condensare [12]. Il processo è praticamente uguale a quello alla base delle classiche centrali termoelettriche a vapore, ma sfruttando un processo naturale.

Sono stati pensati due tipi di impianti per sfruttare il gradiente di temperatura dell’acqua: uno sulla terraferma (Land-based) e uno fluttuante (Floating plat). Riguardo la seconda tipologia, il sistema di funzionamento è denominato Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC), e l’unica base di ricerca esistente attualmente si trova alle Hawaii [13].

pastedGraphic_3.png

Figura 4. Schema per la produzione elettrica tramite impianto di tipo OTEC.

  1. Energia da gradiente salino

La differenza nella concentrazione di sale tra acqua dolce (o salmastra) e acqua di mare è la chiave per produrre energia attraverso un processo chimico. Il principio di funzionamento si basa sulla differenza di concentrazione dei sali disciolti nell’acqua. Nel momento in cui i due liquidi si miscelano, si forma una corrente ionica con lo scopo di bilanciare la concentrazione salina tra le due masse d’acqua a contatto [14]. Questo perché l’acqua salata, a differenza di quella dolce, ha un’alta concentrazione di ioni positivi (protoni) e ioni negativi (elettroni). Viene quindi inserita una membrana che ha il compito di controllare questo processo e che consente, sempre in maniera controllata, il passaggio di ioni positivi e negativi solo in una determinata direzione. Alternando tra di loro le masse d’acqua dolce e salata, sempre divise dalla membrana, si ha la possibilità di accentuare il passaggio degli ioni generando una corrente, che tramite il flusso di elettroni può essere facilmente convertita in energia elettrica, vedi Figura 5. 

pastedGraphic_4.png

Figura 5. Schema per la produzione di elettricità tramite gradiente salino.

    1. Panorama internazionale

Il Belgio è la nazione leader nello studio delle possibilità per lo sfruttamento dell’energia da gradiente salino, grazie al gran numero di corsi d’acqua che sfociano a mare. La prima centrale di questo tipo, però, ha visto la luce in Norvegia. Infatti, a Tofte, l’azienda Statkraft (il più grande produttore di energia rinnovabile in Europa) ha installato nel 2015 un impianto sperimentale con una superficie di 2 mila metri quadri di membrane, in grado di produrre 4 kW di potenza elettrica [15].

    1. Panorama italiano

L’Università di Palermo è coordinatrice del progetto REAPower, al quale attualmente collaborano l’Università della Calabria, l’Università di Manchester e varie aziende del settore. In un’unità con una membrana di 42 mila metri quadrati, con flussi entranti di 130 litri l’ora, si è in grado di produrre 450 kW di potenza [16].

  1. Energia da moto ondoso

Anche l’energia fluidodinamica contenuta nel moto delle onde può essere sfruttata per produrre elettricità. Un ruolo fondamentale viene ricoperto dal vento che spira sulla superficie del mare e trasferisce ad esso l’energia necessaria per il moto delle onde. Al fine di generare energia elettrica si sfrutta l’energia potenziale e cinetica delle onde [1].

Sono stati studiati diversi sistemi tramite i quali è possibile ricavare energia da moto ondoso: le Oscillating Water Columns (OWC) sono strutture parzialmente sommerse e le camere, esterna ed interna, sono comunicanti. Ciò garantisce che il livello dell’acqua cambi sotto l’azione del moto dell’onda, al fine di comprimere una massa d’aria che mette in movimento una turbina collegata al generatore elettrico; Overtopping Devices sono strutture galleggianti con dei serbatoi che vengono riempiti dal moto delle onde. Sfruttando la differenza di energia potenziale con il flusso di acqua forzata, si mette in movimento la turbina; gli Oscillating bodies sono corpi galleggianti o immersi che convertono l’energia meccanica in elettrica tramite movimenti che azionano un giroscopio collegato, a sua volta, ad un generatore installato all’interno del dispositivo [1].

    1. Panorama internazionale

In ambito internazionale, esiste una varietà enorme di dispositivi disponibili per lo sfruttamento dell’energia del moto ondoso. Le tecnologie più importanti sono rappresentate dall’inglese PELAMIS, il primo dispositivo di larga scala di questo tipo connesso alla rete elettrica, nell’ormai lontano 2001. Esistono diversi esemplari di PELAMIS in funzione, come quello rappresentato in Figura 6. In questa tecnologia, si produce elettricità sfruttando il moto di cilindri oscillanti azionati grazie all’azione delle onde marine. Il progetto OYSTER, della società Aquamarine [17], attualmente in fase di validazione, è costituito da un sistema a profili oscillanti fissati al fondale marino, a basse profondità: un sistema idraulico pompa acqua ad alta pressione in una condotta che raggiunge una cabina a riva, contenente le turbine di trasformazione.

pastedGraphic_5.png

Figura 6. Impianto di tipo PELAMIS in funzione nel Mare del Nord, al largo delle coste scozzesi.

Tuttavia, queste ed altre tecnologie si trovano in uno stato molto avanzato di sperimentazione, ma ancora non si hanno esempi concreti di sfruttamento su larga scala. Le attuali installazioni sono costituite da piccoli impianti di analisi per la validazione e l’installazione successiva di impianti di media potenza [1].

Progetti avanzati per la realizzazione di centrali a moto ondoso per una produzione tra i 10 kW e 1 MW sono stati sviluppati perlopiù nel Regno Unito (leader europeo per capacità installata, con i suoi circa 4 MW [1]), Canada, Australia, Cina e Portogallo. Si tratta tuttavia di impianti dimostrativi o commerciali su piccola scala, che producono energia a un costo troppo elevato, pertanto non hanno ancora raggiunto l’economia di scala necessaria per significative riduzioni nei costi [3]. Le stime di Ocean Energy Systems [18] prevedono costi tra €150-100/MWh per impianti che sfruttino l’energia delle maree (nel periodo 2025-2030) e delle onde (nel periodo 2030-2035), in linea con gli obiettivi dell’Unione Europea, pertanto convenienti per la produzione di elettricità su larga scala [19]. Ovviamente, il costo della produzione elettrica per tali tipo di impianti è variabile e dipende dalla localizzazione e dall’intensità del moto ondoso.

    1. Panorama italiano

Anche l’Italia si trova in una posizione confrontabile con quella dei paesi leader in campo mondiale nello sviluppo di tecnologie per lo sfruttamento dei moti ondosi. Tuttavia, l’energia da moto ondoso disponibile per la conversione in elettricità nel Mediterraneo è relativamente scarsa se paragonata agli oceani. Ecco qui una panoramica delle tecnologie più rilevanti sviluppate in ambito italiano.

WaveSAX è una tecnologia che impiega un sistema OWC e sfrutta direttamente l’energia cinetica del flusso ondoso. È stata ideata da Maximo Peviani e sviluppata da RSE (Ricerca di Sistema Elettrico) in collaborazione con l’Università della Tuscia [20].

Il team di ricerca del Politecnico di Torino, coordinato dalla Prof.ssa Giuliana Mattiazzo, in collaborazione con la società WaveforEnergy, ha progettato ISWEC (Inertial Sea Water Energy Converter), un dispositivo flottante (floating pitching converter) con ormeggio lasco al fondale marino e auto-orientato rispetto alla direzione principale di propagazione delle onde [1]. Il dispositivo è stato installato nel mezzo del Mar Mediterraneo, vicino alle coste del comune di Pantelleria, per valutarne le potenzialità. Recentemente, in collaborazione con Eni, è stato attivato il primo impianto pilota a Ravenna. La partnership tra Eni e Politecnico si è fatta sempre più affiatata con la realizzazione del laboratorio di ricerca congiunto “MORE – Marine Offshore Renewable Energy Lab”, un laboratorio interamente dedicato allo sviluppo di tecnologie per sfruttare il moto ondoso [21]. 

ISWEC è una tecnologia che sfrutta le enormi potenzialità delle onde del mare e si adatta facilmente ad ogni situazione. Per questo motivo, può essere sfruttata in ogni mare e oceano del globo. Questo vantaggio è dovuto alla possibilità di variare la velocità di rotazione [1] dei propri volani, grazie ad un algoritmo di controllo basato sulle previsioni metereologiche a lungo termine e su un modello autoregressivo regolato sulla forma d’onda che lo investe. ISWEC è uno scafo semplice, completamente chiuso (vedi Figura 7), e non presenta parti mobili esposte all’ambiente marino, eccetto il cavo elettrico che attraversa la struttura galleggiante e che, tramite un giunto, si connette con un cavo statico posizionato sul fondale e che arriva fino a riva. Ha un pescaggio (parte che rimane immersa nell’acqua, cioè sotto la linea di galleggiamento) di 3.2 metri e un’opera morta (parte che emerge dall’acqua, cioè sopra la linea di galleggiamento) di 1.3 metri. La forma dello scafo (simile a quella di una barca) gli permette di adattarsi al meglio alle onde del mare, facendo incrementare la produttività del sistema. Il dispositivo è ancorato al fondale con un ormeggio lasco al fine di permettere il moto di beccheggio e l’orientamento a seguire il moto dell’onda. Ma come genera elettricità ISWEC? La barca, una volta investita dall’onda, inizia a beccheggiare. In questo modo consente al gruppo di giroscopi al suo interno di iniziare ad ondeggiare. Nel momento in cui la velocità angolare del beccheggio si combina con la velocità angolare di rotazione del giroscopio, il rotore inizia a “rollare” intorno all’asse longitudinale dello scafo, generando energia elettrica [22].

pastedGraphic_6.png

Figura 7. Scafo di ISWEC.

Nell’Università Mediterranea di Reggio Calabria, il gruppo di ricerca operativo del Natural Ocean Engineering Laboratory (NOEL) è considerato leader in campo internazionale per lo studio delle onde del mare e per lo sviluppo di Wave-energy converters. Le attitivà di ricerca sono svolte in collaborazione con ENEA. Il progetto ha dato alla luce la tecnologia REWEC3, sviluppata dal Prof. Paolo Boccotti (inventore) e dal Prof. Felice Arena (che ha realizzato le applicazioni prototipali) [23]. Attualmente, un impianto che sfrutta tale tecnologia è installato nel porto di Civitavecchia ed è in cantiere l’istallazione nel Porto delle Grazie di Roccella Jonica (RC) e nel Porto di Salerno (il quale potrà diventare uno dei porti più avanzati ed efficienti d’Europa). Inoltre, è stata inserita nel progetto del nuovo waterfront di Genova proposto dall’architetto Renzo Piano [24]. 

REWEC3 (o U-OWC) è una tecnologia che fa parte della famiglia delle OWC, ma presenta una differenza molto importante rispetto alla variante tradizionale, un condotto a U. Si è dimostrato sperimentalmente come questo risulti essere abbastanza efficace per convertire una grande quantità di energia delle onde. A differenza di una tradizionale OWC non ha bisogno del controllo di fase, considerato fondamentale per stabilire quale percentuale di energia dell’onda incidente viene trasformata in energia elettrica. Questo perché U-OWC riesce a ottenere una risonanza naturale, offrendo ottime prestazioni con qualunque tipo di onda, e questo gli consente di convertire una percentuale maggiore di energia.

Il cassone è composto da un condotto verticale (1), sul lato battuto dall’onda, che è collegato al mare tramite l’apertura superiore e ad una stanza interna (3, 4) attraverso un’apertura inferiore (2). Questa stanza interna contiene una massa d’acqua (3) nella parte inferiore e una sacca d’aria (4) nella parte superiore. Alla fine del condotto (5), collegamento tra sacca d’aria e ambiente esterno, è presente una turbina auto-rettificante (Turbina Wells). Il principio di funzionamento che sta alla base di REWEC3 è molto semplice: il movimento delle onde del mare, a contatto con il condotto verticale (1), consente un innalzamento e abbassamento dell’acqua, nella stanza interna (3). Questo movimento ha lo scopo di far “respirare” la sacca d’aria presente nella stanza interna in zona (4). La compressione ed espansione dell’aria in questa zona, fa ruotare la turbina Wells (costruita in modo da consentirgli una rotazione in entrambi i sensi) e questa è collegata ad un generatore che produce energia elettrica [25].