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L’energia del moto ondoso

Ottobre 9, 20207191 views0

In questo articolo trattiamo l’energia del moto ondoso attraverso un approccio Sostenibile. Cercheremo di apprendere una visione semplice ma globale di tutto ciò che è necessario per il suo sfruttamento ai fini di produzione di energia elettrica utile.

La fonte rinnovabile

In moltissime occasioni ci sarà capitato di percepire il quantitativo di energia insita nel mare! Ad esempio durante una giornata di “mare mosso” dove grandi onde si infrangono sugli scogli, oppure durante la scena di qualche film o, ancora, durante l’esplorazione delle nostre applicazioni social.

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L’uomo si è quindi ingegnato per cercare di sfruttare questa grande energia. Esistono una serie di tecnologie che vanno a relazionarsi con diverse opportunità che concede il mare, tutte rientranti nella categoria delle Energie Oceaniche. Tra queste distinguiamo: l’energia delle correnti marine, l’energia a gradiente salino (osmotica), l’energia delle maree, energia talassotermica (OTEC) e, quella su cui ci soffermeremo, l’energia del moto ondoso.

La natura della risorsa

L’energia del moto ondoso discende indirettamente da quella solare. Infatti, l’energia solare scalda l’aria in atmosfera causando delle differenze di temperatura tra diverse porzioni di masse d’aria, le quali tendono a mescolarsi avendo come effetto il vento. In seguito, quest’ultimo, interagisce con la superficie del mare cedendole la propria energia cinetica e producendo le onde.

I valori tipici del flusso energetico associato al moto ondoso in acque profonde (> 100-200 m) varia tra 6-70 kW/m, a seconda della porzione di superficie che interagisce con il vento e dalla durata del fenomeno. I valori del flusso energetico in acque “basse” è inferiore, ciò dipende da diversi fattori che causano perdite di energia cinetica come la profondità locale o alcune proprietà del fondale (pendenza, rugosità e composizione).

Il Confronto con l’energia eolica

Poiché le onde discendono direttamente dal vento potrebbe venire spontaneo il pensiero per cui: “perché mi ingegno nel voler sfruttare una risorsa energetica che deriva da un’altra? Non conviene concentrarmi sull’eolico offshore?”. Ebbene la risposta è negativa e la spiegazione è consequenziale alla figura sottostante:

Il confronto delle distribuzioni di velocità chiarisce che i convertitori relativi all’eolico hanno dei limiti di altezza di installazione (resistenza strutturale) che ne permette un posizionamento molto ridotto rispetto alla effettiva distribuzione di velocità. Al contrario, i convertitori relativi al moto ondoso vengono posti proprio nella zona di picco: la densità di flusso energetico per unità di area verticale è fino a 5 volte superiore per il moto ondoso rispetto all’eolico.

LE ONDE SONO UNA FORMA ENERGETICA MOLTO PIÚ CONCENTRATA RISPETTO AL VENTO!

Inoltre, la variabilità delle onde è inferiore rispetto a quella del vento grazie alle inerzie maggiori, pertanto risultano studiabili con una prevedibilità più accurata.

D’altronde, la problematica principale è il costo dei convertitori: è molto elevato a causa della complessità delle tecnologie.

Capacità e distribuzione della potenza della risorsa nel mondo

La massima capacità teoretica media sviluppabile dal moto ondoso è stimabile tra gli 1-10 TW, quindi, ipotizzando lo scenario di avere anche solo 1 TW disponibile (idealmente poiché ipotizziamo di sfruttare tutta la superficie oceanica disponibile), questo corrisponderebbe a 8760 TWh in un anno, il che, confrontato con l’effettiva domanda annuale di energia elettrica nel mondo (nel 2018 è stata circa 25000 TWh, fonte: IEA), corrisponderebbe a soddisfare circa 1/3 della richiesta!

La distribuzione della densità di potenza media annuale di energia del moto ondoso è ben esplicata nel grafico sottostante.

Da quanto tempo utilizziamo questa risorsa?

Il primo brevetto che attesta lo sfruttamento di tale risorsa energetica risale al padre ed al figlio della famiglia Girard da Parigi nel 1799. D’Altronde, il vero fondatore delle tecnologie moderne è Yoshio Masuda (1925-2009), un ufficiale della marina giapponese inventore del convertitore OWC (Oscillating Water Column). Egli promosse il primo grande convertitore di energia del moto ondoso da installare in oceano aperto nel 1976: il Kamei (lavorando con l’agenzia giapponese Jamstec).

Un altro pioniere è Michael E. McCormick che ha introdotto delle migliorie alla tecnologia OWC, inoltre è autore di diversi scritti sulla conversione di energia dal moto ondoso.

Infine, ricordiamo J. Falnes, K. Budal che hanno sviluppato gran parte della Teoria sul controllo dei convertitori.

Stato dell’arte attuale

Di seguito andremo a spiegare nel dettaglio i principi di funzionamento delle tecnologie attualmente in uso. Prima, però, visualizziamo la classificazione generale come riportata nel documento riepilogativo del “19th INTERNATIONAL SHIP AND OFFSHORE STRUCTURES CONGRESS“.

Oscillating Water Column

Questi convertitori hanno un principio di funzionamento molto semplice. Presentano un corpo nel quale sono distinguibili tre zone principali: un volume chiuso cui una delle “pareti” che lo definiscono è la superficie dell’acqua mobile, l’ambiente esterno ed una turbina che permette il dialogo tra le prime due zone. Quindi producono energia attraverso il funzionamento di turbine ad aria (Turbine Wells).

La turbina viene azionata dal passaggio di aria, il cui moto è regolato dalla colonna d’acqua la cui altezza varia con le condizioni del moto ondoso.

I convertitori funzionanti con questo principio sono classificabili se il corpo principale è fisso o mobile, e, nel caso fosse fisso, se sono installati in posti isolati oppure a ridosso di frangiflutti.

OWC a corpo fisso in istallazione isolata. Il convertitore è del 2014, si trova in Australia (1 MW)

OWC a corpo fisso in istallazione implementata su frangiflutti. Il convertitore è del 2008-2012, si trova in Spagna a Mutriku ( 6×18.5 kW)

OWC a corpo mobile. Il convertitore è un prototipo del 2018-2019, si trova in Spagna.

Oscillating Body

Questi convertitori producono energia in modo diverso rispetto ai precedenti , infatti sfruttano dei generatori elettrici lineari collegati direttamente al corpo oscillante oppure attraverso dei circuiti idraulici.

In pratica sfruttano il moto relativo che si viene a creare tra il corpo oscillante e le onde.

I convertitori funzionanti con questo principio sono classificabili se sono flottanti in superficie oppure se completamente sommersi.

OB flottante, il convertitore è del 2012, si trova in Brasile.

OB completamente sommerso, il convertitore è del 2011, si trova in Australia (80 kW)

Overtopping

Questa tipologia sfrutta delle turbine idrauliche per la produzione di energia elettrica.

In pratica sfrutta l’altezza variabile delle onde per far convogliare l’acqua presso una turbina idraulica.

I convertitori funzionanti con questo principio sono classificabili in mobili oppure fissi.

OT mobile, si trova in Danimarca

OT fisso, si trova in Norvegia

Sostenibilità del processo di conversione

Come possiamo ben apprendere dalla lettura dei due precedenti articoli “Lo Sviluppo Sostenibile” e “L’Ecodesign“, un approccio sostenibile a qualsiasi tecnologia ingegneristica, richiede che non ci si soffermi solo sugli aspetti principali! Bisogna avere un occhio critico su tutto ciò che concorre per il raggiungimento dello scopo di quella tecnologia.

Pertanto, un giudizio sostenibile dei sistemi di conversione dell’energia dal moto ondoso richiede di raggiungere un livello di competenza anche su:

Sistemi di ancoraggio

Sono fondamentali per mantenere nei limiti lo spostamento dei convertitori mobili, inoltre l’interazione relativa con il convertitore varia le leggi di assorbimento dell’energia. Per questo bisogna studiare le tecnologie considerando il corpo oscillante e gli ancoraggi come un unico sistema. Affianco a questo aspetto bisogna porre la progettazione di questi oggetti che dovranno essere in grado di resistere a condizioni ambientali molto variabili, richiedendo uno studio dei materiali e delle resistenze non trascurabile.

Sistemi elettrici

Il collegamento per il trasporto dell’energia elettrica alla costa viene effettuato con dei cavi e non con le solite linee interrate. Questo è un aspetto di non poco conto poiché i cavi hanno una grande capacitanza, la quale incrementa molto la potenza reattiva generata a sfavore di quella attiva. Questo implica che bisognerà progettare opportunamente il sistema di trasmissione con l’implementazione di compensatori reattivi, quindi con delle induttanze. Le condizioni del trasporto sono complicate anche per un altro aspetto: la potenza reattiva cresce con il voltaggio e la lunghezza del cavo, pertanto si preferisce una trasmissione in corrente continua piuttosto che in alternata al fine di diminuire le perdite, ma questo aumenta i costi!

Condizioni ambiente marino

Bisognerà progettare opportunamente ogni componente per proteggerlo dalle condizioni di corrosione e aumentarne la loro vita operativa.

Farm layout

Risulta necessario uno studio su come collegare elettricamente un parco di convertitori e su come disporli al fine di non farli interagire negativamente tra loro con conseguenti aspetti negativi sulle leggi di assorbimento dell’energia.

Energy Storage

Un problema comune a tutte le energie con produzioni alternate. Per una analisi più approfondita rimando all’articolo: “Conservare energia: energy storage systems“.
Maritime safety issues

Bisogna informarsi bene sulla gestione del rischio e sulle regolamentazioni della safety marittima rifacendosi alle regolamentazioni dell’IMO (International Maritime Organization).

In definitiva, il grande limite attuale che impedisce la sostenibilità di tale processo è l’aspetto economico. Come si apprende dal Technology Brief del 2014 della IRENA, lo LCOE (levelaize cost of energy) per l’energia dal moto ondoso si aggira attorno ai 330-630 €/MWh che è un valore completamente fuori mercato. D’altronde, la crescita tecnologica che si prospetta lascia sperare che nel 2030 si potrà raggiungere un LCOE di 113-226 €/MWh, quindi molto più competitivo con le altre attuali tecnologie per la conversione di energia da altre fonti rinnovabili.

Possiamo concludere che lo sfruttamento di questa fonte rinnovabile non è attualmente sostenibile ma ha grandi potenzialità, pertanto è fondamentale non fermarci con la ricerca e gli investimenti.

Situazione in Italia

L’Italia si trova in una posizione abbastanza favorevole rispetto alle altre nazioni che affacciano sul mediterraneo. Al fine di comprendere questa constatazione riporto dei grafici molto esplicativi del potenziale di flusso energetico suddiviso per stagioni e calcolati sulla media del decennio 2001/2010 (Fonte: ENEA-“Valutazione del potenziale energetico del moto ondoso lungo le coste italiane“):

Per entrare nello specifico delle coste italiane vi riporto i seguenti grafici, sempre calcolati sulla media del decennio 2001/2010 e suddivisi per stagioni (Fonte: ENEA-“Valutazione del potenziale energetico del moto ondoso lungo le coste italiane“):

Convertitori già installati nella nostra penisola

Finora, le installazioni di dispositivi di generazione elettrica che sfruttano il moto ondoso e le correnti di marea in Italia sono state di tipo prototipale, in particolare ISWEC, REWEC3, e R115/H24, senza avere raggiunto ancora carattere di generazione consistente immessa in rete.

Di seguito sono riportati alcuni dei convertitori presenti in Italia.

ISWEC-Pantelleria-Ravenna

Questo sistema di conversione è del tipo OWC mobile.

Pantelleria

Ravenna

REWEC3-Civitavecchia

Questo sistema di conversione è del tipo OWC fisso, installato sui frangiflutti del porto della città. In particolare, è composto da 124 dispositivi di conversione OWC con la particolare tecnologia “a U” il cui funzionamento ha delle migliorie rispetto al classico. (Interessante presentazione di ENEA e WaveEnergy.it)