Io studio: ENERGIA DAGLI OCEANI

Nella ricerca di fonti alternative di energia per sopperire ai limiti dei combustibili fossili, una delle soluzioni con maggiori prospettive di crescita e sviluppo, è lo sfruttamento dell’oceano e delle sue immense masse d’acqua.

Le possibilità che l’oceano offre da questo punto di vista sono molteplici. Infatti, questa immensa mole d’acqua per tutta una serie di motivazioni, è in costante movimento e la possibilità di sfruttarla come fonte energetica risulta possibile in differenti modi, molti dei quali anche economicamente convenienti.

Dagli oceani, attraverso differenti tecnologie è possibile ricavare energia da trasformare sfruttandolo uno dei seguenti fenomeni:

• correnti;
• onde;
• maree;
• gradienti (osmosi e talassotermica).

Le correnti marine, possono essere considerate come degli immensi fiumi che scorrono in mezzo agli oceani a volte per migliaia di chilometri. Possono essere superficiali o profonde e possono generarsi a causa di una serie di fattori naturali. I fattori primari sono la differenza di temperatura dovuta al riscaldamento solare alle varie latitudini e la rotazione terrestre. I fattori secondari sono le differenze di pressione atmosferica, di densità delle acque e le maree.

A causa di tutti i fattori sopra indicati, in alcune zone del nostro pianeta e soprattutto in presenza degli “stretti”, la velocità di spostamento dell’acqua può essere notevole raggiungendo anche alcuni metri al secondo. L’energia solare assorbita riscalda la superficie del mare, creando una differenza di temperatura fra le acque superficiali, che possono raggiungere i 25°-28°C e quelle situate per esempio a una profondità di 600 m che non superano i 6°-7°C.

Le correnti marine si comportano come le correnti aeree e come nelle centrali eoliche, lo spostamento di masse d’acqua (energia cinetica) che impattano contro degli sbarramenti totalmente o parzialmente sommersi, possono generare una grande quantità di energia elettrica. Grandi turbine ad asse verticale (per le correnti costanti) o ad asse orizzontale (per le correnti di marea) sono in corso di studio o sperimentazione in diversi siti mondiali. La più grande centrale di questo tipo si trova in Francia, ma sono in realizzazione grandi centrali anche in Inghilterra, Norvegia e Giappone. In Italia il sito più interessante per lo sfruttamento di questo tipo di energia è lo Stretto di Messina, dove le pale immerse in acqua riescono a generare fino a 15 Mw di potenza.

Turbine ad asse verticale

Turbine ad asse orizzontale

In generale questi impianti non creano particolari problemi. L’assenza di sbarramenti, grazie alla parziale o totale immersione in acqua delle turbine, riducono inoltre al minimo il loro impatto ambientale.

Un altro fenomeno sfruttabile per produrre energia dall’oceano, sono le onde che solcano la sua superficie. Le onde si generano a causa del vento che, spirando sulla superficie marina, trasferisce parte della sua Energia Cinetica all’acqua. La quantità di energia sfruttabile dipende, dall’ampiezza delle onde e dal tempo che intercorre tra un’onda e l’altra. Questi parametri dipendono a loro volta dalla velocità del vento e dalla profondità d’acqua sottostante.

Diversi sono i progetti in studio sul pianeta, ma i più promettenti sono:

• sistemi ad impianti galleggianti;
• sistemi ad impianti sommersi.

Un progetto di nuova tecnologia che, sfrutta l’energia prodotta dalle onde di superficie degli oceani e permette di produrre elettricità è il Progetto Pelamis, il cui nome deriva da un serpente marino.

Pelamis è un sistema di tubi galleggianti legati tra di loro che, grazie al movimento delle onde genera su dei pistoni idraulici accoppiati a dei generatori, nei punti di snodo tra i tubi, energia meccanica che viene trasformata in energia elettrica. Il primo prototipo è stato installato al centro europeo per l’energia marina delle Isole Orcadi, in Scozia. È stato ufficialmente aperto il 28 settembre 2007. In genere la singola struttura è composta da 5 elementi congiunti, ha un diametro di 3,5m, una lunghezza di 150m capaci di generare  una potenza di 750 kW. 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.

I problemi generati dall’utilizzo di questa tecnologia, sono dovuti all’impatto visivo e all’occupazione di superficie marina, potenzialmente pericolosa per la navigazione. Inoltre, sono ancora presenti problemi legati alla produzione di energia a causa dell’irregolarità del moto ondoso.

Questa seconda tecnologia risolve il problema dell’impatto ambientale perché risulta totalmente sommersa. E’ anche questo un impianto off-shore che sfrutta il principio di Archimede. L’impianto è fissato al fondale marino ed è costituito nella sua parte superiore da un cilindro cavo che si muove in verticale a causa del cambiamento di pressione idrostatica generato dal passaggio delle onde.

Approfondisco: il principio di Archimede dice che “ogni corpo immerso parzialmente o completamente in un fluido, riceve una spinta verticale dal basso verso l’alto, uguale per intensità al peso del volume del fluido spostato».

L’energia meccanica che ne deriva viene trasformata in energia elettrica grazie ad un generatore. Esiste un impianto del genere installato lungo le costa del Portogallo e produce circa 2 MW di potenza elettrica.

Le maree sono il ritmico alzarsi (flusso) ed abbassarsi (riflusso) del livello del mare provocato dall’azione gravitazionale della Luna e del Sole. Oltre alla forza di gravitazione universale in questo fenomeno entra in gioco anche un’altra forza, quella centrifuga di rotazione della Terra.

DALL’ENERGIA CINETICA A QUELLA ELETTRICA

Questo tipo di impianto è a tutti gli effetti una centrale idroelettrica con turbina kaplan trovandosi al livello del mare, quindi con piccola caduta e portata molto elevata. Questo tipo di impianto che necessita di sbarramenti e bacini di accumulo, funziona in due fasi distinte:

• alta marea, l’apertura delle chiuse permette il riempimento del bacino di accumulo;

• bassa marea, il rilascio controllato dell’acqua contenuta nel bacino assicura la produzione di grandi quantitativi di energia anche in questa fase.

Isola di Mont Saint Michel in Francia

Le turbine funzionano in entrambe le direzioni, sia con l’acqua in ingresso che con l’acqua in uscita.

STUDIA CON I VIDEO:

ASPETTI NEGATIVI DI QUESTI IMPIANTI

Gli aspetti negativi delle centrali maremotrici sono dovuti nell’elevato impatto ambientale, dovuti alla necessità di realizzare grandi infrastrutture e per l’erosione delle coste.

ENERGIA DAI GRADIENTI

Altre due tecnologie legate ai fenomeni marini sono in studio in diversi paesi del mondo. Si tratta di sistemi per ottenere energia da fenomeni fisico-chimici che avvengono in natura.

• gradiente salino (osmosi)
• gradiente termico (talassotermia)

GRADIENTE SALINO

Approfondisco: l’osmosi è quel fenomeno fisico spontaneo, ossia senza apporto di energia dall’esterno, per cui quando due liquidi a differente concentrazione salina entrano in contatto, quello a maggior concentrazione tende a diluirsi in quello meno concentrato (riduzione della differenza di concentrazione).

Il fenomeno della differenza di concentrazione salina o osmosi, si manifesta maggiormente in quei luoghi ove due liquidi a diversa concentrazione entrano in contatto, ossia dove i fiumi scaricano le loro acque in quelle salate del mare.

In una centrale a gradiente salino, una membrana semipermeabile, separa l’acqua dolce da quella salata. A causa dell’alta concentrazione salina dell’acqua di mare, le molecole d’acqua dolce tendono a trasferirsi naturalmente in quella salata in modo da abbassare il suo grado di salinità e avvicinare cosi le concentrazioni saline dei due liquidi (il fenomeno avviene in questa direzione perché i pori della membrana sono attraversabili solo dalle molecole d’acqua più piccole di quelle dei sali che rimangono concentrate in prossimità della membrana). Il movimento dell’acqua attraverso la membrana genera quella che viene chiamata pressione osmotica, che può essere utilizzata in una turbina per produrre energia.

GRADIENTE TERMICO

Il fenomeno della differenza di gradiente termico o talassotermica, sfrutta invece le differenze di temperatura tra la superficie marina (più calda) e quella delle profondità oceaniche.

Un gradiente termico di 20 °C è sufficiente per produrre energia elettrica in maniera economicamente conveniente, utilizzando la tecnologia OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion).

In un sistema del genere, il calore delle acque superficiali, fa evaporare il liquido di lavoro, normalmente ammoniaca, fungendo da sorgente calda. Questo vapore entra in un ciclo turbina a vapore-alternatore che trasforma l’energia termica in elettrica. L’acqua proveniente dalle profondità marine, raffredda il vapore condensandolo nuovamente in acqua chiudendo così il ciclo.