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Energia dal mare

    Principi di funzionamento

    Con il termine “energia dal mare” (oppure energia oceanica o ocean energy) si fa riferimento ad una serie di tecnologie molto diverse tra loro che sfruttano il potenziale di onde, maree, correnti e differenze di salinità e di temperatura. Molte di queste si trovano in una fase dimostrativa, ancora lontana dall’applicabilità commerciale su ampia scala.

     

    Energia dalle maree (energia mareomotrice)

    Energia dal MareSi tratta di catturare la potenza derivante dallo spostamento di grandi quantità d’acqua (che possiedono un’elevata energia cinetica) ad opera delle maree che sono originate dall’attrazione gravitazionale esercitata dal sole e dalla luna. Essendo questi moti periodici, la predicibilità del fenomeno rappresenta un vantaggio rispetto alle altre rinnovabili, soggette ad andamenti intermittenti e non programmabili.

    L’energia elettrica viene generata attraverso impianti a barriera che sfruttano l’energia potenziale connessa al movimento del livello del mare. Si tratta di intrappolare l’acqua durante l’alta marea in un bacino ottenuto tramite una diga e rilasciarla nelle condizioni di bassa marea, mettendo così in moto delle turbine accoppiate a generatori elettrici.

    I principali aspetti negativi di questa tecnologia sono gli altri costi costruttivi e l’impatto ambientale.

    Energia dalle correnti

    Di tutte le forme di generazione elettrica dal mare è quella che ha maggiori similitudini con l’energia eolica. Masse enormi di acqua muovono le pali di turbine nel mare, così come masse d’aria azionano le pali eoliche nell’atmosfera. L’energia cinetica che ne consegue viene poi convertita in energia elettrica.

    Turbine ad asse orizzontale sono più adatte all’ambiente Mediterraneo, dove le correnti sono più costanti e prevedibili. Turbine ad asse verticale sono invece più consone alle correnti da marea, dove le direzioni delle correnti si invertono anche più volte nel corso di una giornata.

    In Italia, una delle località con più alto potenziale è lo Stretto di Messina, grazie alla velocità di 1,5 m/sec delle sue correnti.

     

    Energia dalle onde

    Deriva dai venti che soffiano sulle superfici degli oceani, laddove raffiche  intense arrivano dopo aver viaggiato per lunghe distanze, ad alte latitudini. La produzione di energia avviene mediante dispositivi flottanti dalle forme più svariate che trasformano il movimento delle onde nel moto relativo di un rotore.

    La produzione di energia avviene tramite svariati dispositivi che sfruttano il movimento delle onde. Alcuni sono costituiti da sistemi galleggianti che trasformano il movimento delle onde nel moto relativo di un rotore, altri inducono il moto ondoso a comprimere aria contenuta in un corpo chiuso (colonna d’acqua oscillante), altri ancora sfruttano il principio di Archimede in camere sommerse o raccolgono l’acqua sospinta dalle onde in un bacino che mette in moto delle turbine rifluendo.

     

    Energia dal gradiente salino (energia osmotica)

    In questo caso si sfrutta l’energia osmotica derivante dalla differenza di salinità tra gli oceani e l’acqua dolce in corrispondenza delle foci dei fiumi.

     

    Energia dal gradiente di temperatura (energia talassotermica)

    La differenza tra la temperatura delle acque superficiali (più calde) e di quelle profonde (più fredde) viene sfruttata per la produzione di energia elettrica mediante un ciclo a vapore (cicli OTEC – Ocean Thermal Energy Conversion), concettualmente simile a quello degli impianti termoelettrici convenzionali ma con l’utilizzo di un fluido nel ciclo che abbia bassa temperatura di ebollizione (esempio: miscela acqua-ammoniaca). Differenze di temperatura dell’acqua marina  di 20°C sono riscontrabili scendendo ad una profondità di 600-700 m rispetto alla superficie.

     

    Prospettive dell’energia dal mare

    E’ facile immaginare che il potenziale teorico di sfruttamento dei mari ed oceani possa essere notevole, visto che l’acqua copre il 70% della superficie terrestre.

    In effetti l’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA) stima che, in funzione dell’evoluzione tecnologica, il potenziale dell’energia dal mare nel mondo possa raggiungere un livello di generazione elettrica annua di 20.000 – 90.000 TWh (miliardi di kWh).

    L’ultima Roadmap europea indica una potenzialità di 3.6 GW di capacità entro il 2020 e di ben 188 GW entro il 2050, con un impiego di circa mezzo milione di persone, indotto incluso. A partire dal 2050 gli impianti di generazione elettrica dal mare sarebbero in grado di generare annualmente ben 645 TWh (miliardi di KWh).

    In effetti l’Europa è molto attiva nel settore e sostiene numerosi progetti, applicando in molti casi il know-how derivante dall’industria eolica e di estrazione petrolifera off-shore e traguardando la costituzione di standard produttivi e normativi, di cui il settore è ancora carente.

    Ne sono un esempio la Francia che ha dichiarato l’obiettivo di installare impianti per la capacità totale di 800 MW entro il 2020, la Gran Bretagna 2,000 MW, la Danimarca 500 MW, il Portogallo 500 MW e la Spagna 600 MW quest’ultima anche prima del 2020.

    La ricerca, l’innovazione e la competitività sono al centro della strategia dell’Unione Europea, che ha disegnato un nuovo percorso per accelerare la trasformazione del sistema energetico europeo e introdurre sul mercato tecnologie innovative a zero emissioni.

    Il Piano Strategico per le Tecnologie Energetiche (Set Plan) ha identificato le azioni prioritarie per la promozione del settore dell’energia dal mare, sottolineando la necessità di concentrarsi sulle tecnologie promettenti, con l’obiettivo di ridurre il Levelized Cost of Energy (LCoE) a 15 c/kWh entro il 2025 e a 10 c/kWh entro il 2030 per la produzione da correnti marine, mentre quello per l’energia da moto ondoso andrebbe contenuto entro i 20 c/kWh al 2025, entro i 15 c/kWh al 2030 ed entro i 10 c/kWh al 2035.

    I rapporti del Joint Research Centre (JRC) sullo stato dell’energia dal mare in Europa (JRC Ocean Energy Status Reports 2014 and 2016), così come la Ocean Energy Strategic Road Map del 2016, riconoscono i progressi tecnologici compiuti e la fattibilità degli obbiettivi fissati, sottolineando anche i fattori che ostacolano industrializzazione e commercializzazione di questo segmento, tra cui la limitata possibilità di contare su finanziamenti certi a lungo termine, la ridotta presenza di grandi investitori privati, procedure autorizzative complesse e non sempre coerenti, preoccupazioni sull’impatto ambientale delle installazioni.

    Criticità

    Le principali sfide da superare per lo sviluppo delle tecnologie di generazione elettrica dal mare su larga scala sono:

    • allacciamenti alle reti di trasmissione su terraferma;
    • emissione di normative nazionali e comunitarie (localizzazione dei siti e concessioni);
    • definizione di standard e certificazioni,
    • creazione di una filiera che permetta la riduzione dei costi di costruzione e manutenzione,
    • politiche fiscali adeguate e sussidi volti ad incentivare gli investimenti privati,
    • formazione di personale qualificato,
    • impatto ambientale (erosione coste ed influenza sull’ecosistema),
    • consenso pubblico alle istallazioni,
    • interazione con le altre attività marittime (navigazione costiera, turismo, attività di pesca).

    Per quanto riguardo le scelte tecnologiche, lo sfruttamento delle maree pare trovare potenziale applicazione solo in poche baie nel mondo, dovendo contare su dislivelli di marea significativi (rapporto IEA 2010), mentre la generazione elettrica da moto ondoso o correnti marine risulta poter avere un’applicazione estremamente più diffusa ma al momento con costi superiori alla tecnica da maree, pari a circa cinque volte il costo degli impianti eolici off-shore.
    Le tecnologie a gradiente salino o termico sono invece ancora lontane da realizzazioni commerciali.

     

    Realizzazioni e progetti

    Finora lo sfruttamento di questa fonte, pensato per la prima volta negli anni 60-70, ha prodotto tante idee, studi, progetti, congressi, rapporti e qualche dozzina di prototipi. Per ora la generazione elettrica ad uso commerciale è molto bassa oltretutto con dei costi abbastanza cospicui. Pochi impianti sono attualmente in funzione nel mondo per lo più a scopo sperimentale, tra cui elenchiamo alcuni esempi per tipologia:

    Energia mareomotrice: La Rance – Francia (Bretagna)

    Il primo impianto significativo per la generazione elettrica derivante dalle maree è stato l’impianto francese di La Rance, sul litorale atlantico, situato nelle vicinanze di Saint Malò. Realizzato negli anni 60, l’impianto ha una capacità massima di 240 MW e la sua tecnologia è denominata ‘a barriera’.

    Energia dal Mare Centrale La Rance Saint Malò FranciaEnergia dal Mare Centrale La Rance Saint Malò Francia

    Con una portata di 18.000 metri cubi di acqua/secondo La Rance soddisfa il 3% del fabbisogno dell’area bretone della Francia.

    Una diga in pietra lunga 750 m delimita un bacino entro il quale, attraverso 6 chiuse, l’acqua affluisce durante l’alta marea, che nell’area può raggiungere 13,5 m. Enormi masse d’acqua mettendo così in moto 24 turbine connesse ai generatori di energia elettrica.

    I principali svantaggi evidenziati di questa applicazione sono l’elevato costo realizzativo e l’impatto ambientale (influenza sull’ecosistema, erosione delle coste) e discontinuità della generazione elettrica.

    Un impianto simile è stato recentemente installato in Corea del Sud presso Shihwa, con una potenza di 254 MW ed un altro che era atteso per il 2017 a Incheon, con una potenza superiore ai 1000 MW, ma la sua finalizzazione ha riscontrato alcune difficoltà a carattere ambientalistico.

    Energia da corrente marina: SeaGen – Irlanda del Nord

    Fra i pochi altri impianti che sfruttano le correnti di marea c’è quello di Strangford Lough. Costruito nel 2008, ha una potenza di 1.2 MW ottenuta attraverso l’uso di idrogeneratori a pale sommersi che sfruttano elevati dislivelli di marea. Poche altri centrali di questa tipologia sono nel Far East  (Cina e Corea), Russia e Canada.

    Energia dalle onde: LIMPET – Scozia

    Energia dal Mare Centrale LIMPET Islay ScoziaUno dei principali esempi realizzativi di generazione dell’energia elettrica da moto ondoso è LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer). Costruito sulla costa dell’isola Irlandese di Islay, ha una capacità di 500 KW. Le onde comprimono l’aria all’interno di una barriera cava di cemento lunga 20 m, ancorata su delle rocce costiere (Principio della colonna d’acqua) e l’aria compressa aziona una turbina.

    L’efficienza del sistema è elevata ma i costi sono al momento elevati, ovvero 4 volte o più rispetto ad un impianto eolico.

    Diversi progetti sono in corso per replicare su più ampia scala questa tecnologia, alla ricerca di una maggiore convenienza tramite la riduzione delle dimensioni delle singole unità a parità di potenza.

    Energia dalle onde: PELAMIS – Portogallo

    L’impianto Pelamis, realizzato nel 2008 a 5 km dalla costa di Agucadoura era costituito da 3 elementi cilindrici lunghi 120 m (‘serpentoni’), galleggianti ed ancorati al fondo marino. Ciascun serpentone era composto da 4 corpi cilindrici, collegati fra di loro tramite giunti. Grazie all’azione delle onde i corpi si muovono relativamente fra di loro e mettono in funzione dei pistoni idraulici  interni e accoppiati a generatori di energia elettrica.

    L’impianto aveva la capacità di 2.25 MW e fu dismesso a causa del fallimento finanziario del committente.

    Una seconda generazione è oggetto di diversi progetti in Nord Europa, tramite l’utilizzo di serpentoni più lunghi (180 m) e più efficienti.

    Energia dalle onde: Costa Head Wave Project – Scozia

    Sull’isola Scozzese di Mainland è in fase di costruzione la più grande centrale mondiale a sfruttamento delle onde marine, lo stato attuale dei lavori non è molto chiaro come si evince dal piu rencete “JRC Ocean Energy Status Report”.

    Attraverso gruppi di 12 celle di assorbitori a membrana flessibile l’impianto potrà convertire fino 2,5 MW di energia del moto ondoso in energia pneumatica e quindi elettrica.

    Soggetto a risultati positivi dei primi test, il progetto si amplierà a 10 MW per traguardare poi una capacità totale di 200 MW.

    Energia da moto ondoso e correnti sottomarine: Archimede Wave Swing – PortogalloEnergia dal Mare Archimede Wave Swing Viana do Castelo Portogallo

     

    All’interno di una struttura cilindrica alta 38 metri e di 9 metri di diametro, completamente immersa nelle acque portoghesi ad una profondità di 40m, una camera d’aria viene compressa e dilatata al passaggio delle onde ed è in grado di erogare una potenza di 2 MW.

    Energia dalle onde: Wave Dragon- Danimarca – Galles

    Dopo un prototipo da 20 kW in Danimarca (Nissum Bredning ) e un impianto dimostrativo di 7 MW lungo le coste Gallesi, anche il Portogallo intende investire in questa tecnologia puntando ad un impianto da 50 MW.

    In breve si tratta di permettere alle onde di superare una barriera galleggiante, innalzare il livello del mare nel bacino creato dalla barriera tessa e fare in modo che l’acqua eccedente rifluisca nel mare, a livello inferiore, così azionando delle turbine idrauliche.

     

    Impianti di generazione elettrica dal mare in Italia

    Anche l’Italia è impegnata ad estrarre energia dal mare, anche se le potenzialità del Mediterraneo sono inferiori a quelle di aree oceaniche più ‘movimentate’.

    I risultati dello studio finanziato dal Fondo RSE “Ricerca di Sistema Elettrico” indica che le coste più adatte allo sfruttamento dell’energia marina sono le coste occidentali della Sardegna (potenze di 10 kV/m) e quelle occidentali della Sicilia (6 kV/m). Le coste tirreniche invece mostrano valori inferiori e meno costanti, che in genere non superano i ai 5 kV/m.

    Energia dal Mare Impianto Kobold Ganzirri MessinaAl momento si tratta solamente di pochi impianti pilota e progetti.

    Un primo impianto pilota denominato Kobold I è già operativo dal 2001 di fronte a Ganzirri (Messina).

    E’ un impianto di appena 40 Kwatt costituito da una piattaforma galleggiante del diametro di 10m ed una turbina ad asse verticale, del diametro di 6 m,  che sfrutta le correnti in un tratto di mare profondo 20 m.

    Presso la diga del porticciolo turistico di Marina di Cicerone (Formia-Latina) a fine 2013 sarà alloggiato Rewec3 (Resonant Wave Energy Converter): un cassone in cemento armato che sfrutterà il moto ondoso con l’obiettivo di raggiungere una potenza di 10 MW.

    Un’ imbocco superiore collega una cavità verticale al mare e le onde, alternando la fase di cresta e quella di deflusso,  producono un’alternanza di pressione su una sacca d’aria interna ad una camera di assorbimento ed una conseguente corrente d’aria. Una turbina di Wells ne converte l’energia cinetica (sia in fase di compressione che di decompressione) in energia elettrica.

    In sostanza si tratta di un’applicazione del principio della colonna d’acqua oscillante: l’OWC (Oscillating Water Column).

    In prospettiva questi cassoni potranno essere inseriti nella struttura di dighe foranee con lievi incrementi di costo rispetto ai semplici elementi strutturali.

    Altri progetti sono in fase realizzativa ad opera di Università e Istituti Nazionali (BLUETEC, GEM, ISWEC, ecc.); per approfondire sugli sviluppi delle tecnologie italiane per energia blu si rimanda al documento di sintesi “Ocean energy exploitation in Italy: ongoing R&D activities“ dell’ENEA, rammentando che, tra i convertitori progettati e realizzati, alcuni prototipi in scala 1:1 sono già testati in progetti pilota, con le Autorità Portuali e le amministrazioni pubbliche locali.

    Anche in Italia vi sono fattori di criticità che ostacolano l’industrializzazione e la commercializzazione di questa risorsa, il loro superamento è legato soprattutto al supporto da parte del governo centrale, delle regioni e delle amministrazioni locali, sia per garantire finanziamenti stabili e duraturi, che per la creazione di strumenti di accesso al credito, nonché per l’individuazione di percorsi decisionali in cui siano coinvolti tutti gli stakeholders pubblici e privati.

    Nel medio termine, verrebbe incentivato il trasferimento tecnologico dagli enti di ricerca alle imprese, stimolando la creazione di distretti tecnologici capaci di attrarre investimenti ed incoraggiare la domanda di professionisti in campi innovativi per lo sviluppo di questo potenziale settore economico.

    Il crescente interesse strategico italiano nel settore dell’energia dal mare si riflette nei recenti interventi governativi a sostegno, tra cui gli alti incentivi per le rinnovabili blu nel Piano di Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili e i recenti bandi per il finanziamento di progetti di ricerca strategica nel campo (DD 1610/3 agosto 2016 e 1735/13 luglio 2017).

    Tali provvedimenti fanno leva sulla vitalità di una comunità scientifica e tecnica consolidata, che conta sulla partecipazione attiva di università, spin-off, piccole e medie imprese e grande industria e che è stabilmente coinvolta in collaborazioni e progetti di ricerca internazionali.

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