L’energia marina: le centrali esistenti e il loro possibile utilizzo in Italia

Si parla molto di energie rinnovabili, soprattutto di fotovoltaico e di eolico, ma poco si parla di un’altra energia (quella marina) che potrebbe essere sfruttata molto efficacemente in Italia.

L’Italia ha 7,548 km di coste, meno del Regno Unito (12,429 km) ma più di Francia (5,500 km), Spagna (circa 4,000 km) e Portogallo (1,793 km). I Paesi sopracitati, britannici in primis, sono quelli che hanno maggiormente intenzione di sviluppare progetti in campo di estrazione di energia da onde o da maree; altri (vedi Portogallo e Francia) hanno già realizzato dei progetti da svariati anni e ne stanno traendo beneficio. Questo tipo di energia è un’energia completamente pulita e che porterebbe a dei benefici notevoli.

E poco se ne parla perché nelle politiche energetiche dei vari partiti nessuno la prende in considerazione: una cosa molto grave, vista la grande disponibilità in termini di risorse naturali. Ma cosa si intende per energia marina? Quali sono i fenomeni fisici che sfrutta? Quali le possibili coste dove si possono impiantare queste centrali?

La definizione, banale, di energia mareomotrice è la conversione dell’energia del mare, sotto forma di correnti marine o di onde, in energia elettrica. Innanzitutto dobbiamo distinguere i vari tipi di centrali: quelle a gradiente termico (o energia talassotermica), quelle a gradiente salino, quelle a marea (o mareomotrice), quelle a onda. A ciascun tipo di centrale corrisponde un diverso fenomeno fisico.

Riassunto grafico dei "tre strati" del mare - Immagine presa dalle slide del prof. Cassardo di Fisica del Clima

Riassunto grafico dei “tre strati” del mare – Immagine presa dalle slide del prof. Cassardo di Fisica del Clima

Iniziamo dalle centrali a gradiente termico: esse sfruttano la differenza di temperatura che esiste tra superficie del mare e fondali marini. Il mare, e più in generale l’oceano, ha tre “fasce” di temperatura, partendo dalla superficie fino ad andare al fondo. Il primo strato è quello superficiale, fortemente influenzato dai fenomeni di interfaccia con l’atmosfera sia per la temperatura che per la salinità: tecnicamente, questa zona superficiale è definita come “la zona fino alla quale i raggi solari riescono ad arrivare”. È quindi la zona interessata da fenomeni di mixing (ossia di rimescolamento delle acque dovuto normalmente a moti ondosi) e di assorbimento di radiazione solare; una zona in cui la temperatura è circa costante o ha delle piccole variazioni andando a profondità maggiori.

Scendendo più in basso troviamo il termoclino, che è una zona in cui le radiazioni solari non arrivano. In questa zona abbiamo una rapida variazione di temperatura (circa 10°C in 100 metri): la profondità e lo spessore del termoclino (e, conseguentemente, dello strato superficiale) dipendono fortemente dalla stagione e dalla localizzazione geografica del mare. L’ultimo strato è lo strato profondo (o bentico) nel quale la temperatura decresce lentamente fino circa a 0°C: qui comunque l’acqua non congela, perché le pressioni sul fondo sono elevatissime.

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Schema di funzionamento di una centrale talassotermica (da un articolo su Repubblica)

Qual è ora l’idea di fondo delle centrali talassotermiche? È la stessa delle centrali termiche tradizionali: ossia portare all’ebollizione un liquido che fa girare delle turbine (e quindi produce energia elettrica) e quindi ricondensarlo per rimetterlo in ciclo. Per fare ciò si può sfruttare il gradiente di temperatura esistente tra fondo dell’oceano e strato superficiale (invece di bruciare petrolio come viene fatto nelle centrali termiche). Traduco: si prende un liquido che va in ebollizione ad una temperatura di 25-30°C per via delle alte pressioni; lo si trasforma in gas; questo gas mette in moto le turbine. A questo punto il gas scende in profondità per gravità, dove incontra uno strato più freddo. Per via della temperatura più bassa ricondensa e torna a fare il ciclo (ovviamente sfruttando delle pompe che riportano questa sostanza, ora in forma liquida, in superficie per fare un nuovo ciclo termico). Le pompe – dato che non stiamo parlando di moto perpetuo – altrettanto banalmente devono essere alimentate dall’energia elettrica! Lo svantaggio di questo tipo di energia è che il gradiente tra superficie e fondo deve essere abbastanza grande, quindi è un tipo di energia che potrebbe essere sfruttata dagli oceani tropicali. Ma l’effetto del global warming oceanico potrebbe cambiare le cose.

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Impianti di questo tipo sono stati realizzati nel 1996 alle Hawaii, a Bali (in Indonesia) e a Tahiti, ma sono ancora in fase di sviluppo (le produzioni di energia elettrica con questo metodo sono ancora basse e sono dell’ordine di qualche centinaio di KWh).

Passiamo alle centrali che sfruttano il gradiente salino (o centrali osmotiche). Esse sfruttano la differenza di salinità tra due masse d’acqua: per esempio, la differenza di salinità esistente tra il punto di scarico di un fiume, che ha salinità “teorica” dello 0%, perché l’acqua non è salata, e la salinità del mare, che è circa del 30%. Quando due masse d’acqua, una dolce e una salata si incontrano abbiamo processi di diffusione (sia molecolare che turbolenta) del sale all’interno della massa d’acqua non salata – lo stesso principio fisico di quando mettete una goccia di inchiostro o di sangue dentro un bicchiere pieno di acqua. Ma il sale ha una caratteristica importante in acqua: è dissociato in ioni cloro (di carica negativa) e ioni sodio (di carica positiva). Quindi sono cariche in movimento. L’idea è proprio di sfruttare un processo di diffusione (in una sola via) per produrre energia elettrica.

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Schema di funzionamento di una centrale a gradiente salino

Qui abbiamo vari luoghi in Italia dove poter sfruttare questo sistema: gli estuari dei fiumi. Il Po ha una portata media di 1.540 m3/s, ma ha due difetti: uno è che questo efflusso non è costante (periodi di secca e piena abbastanza diversi) e due che il suo estuario non è “singolo”, ma forma un delta. Altri due candidati sono il Tevere (239 m3/s) e l’Arno (ca 110 m3/s). In entrambi i casi l’estuario non è a delta, ma semplice. Attualmente le centrali che sfruttano questo fenomeno sono in fase di prototipo in Olanda.

I due tipi di centrali di cui abbiamo parlato finora vedono il mare come “spettatore passivo”: non è il mare in modo diretto a creare questa energia. Gli altri due tipi di energia sfruttano invece due fenomeni ben conosciuti: ossia le correnti marine, in particolare quelle le maree, e le onde (i due campi nei quali faccio ricerca).

Partiamo dalle maree. Le maree innanzitutto sono lo spostamento di masse d’acqua sotto effetto dell’attrazione gravitazionale di corpi celesti (principalmente, Sole e Luna): questa attrazione gravitazionale porta due effetti. Il primo, molto evidente, è il ciclo di alta e bassa marea, che è un ciclo prevalentemente semidiurno (cioè con periodo di 12 ore).

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Foto scattate dall’autore a Stromness nelle Isole Orcadi (Scozia): durante la fase di bassa marea (sopra) la casa in primo piano è collegata all’isola principale; durante la fase di alta marea la casa è isolata. I proprietari della casa hanno a disposizione una macchina e una barca a remi per spostarsi in entrambi i casi.

Stromness, Isole Orcadi (Scozia): durante la fase di bassa marea (sopra) la casa in primo piano è collegata all’isola principale; durante la fase di alta marea la casa è isolata. I proprietari della casa hanno a disposizione una macchina e una barca a remi per spostarsi in entrambi i casi.

L’altro effetto, meno evidente, è quello che riguarda la corrente marina. Infatti, anche la corrente marina ha dei cicli di 12 ore, cicli in cui cambia la direzione. Entrambi i fenomeni vengono sfruttati per l’energia elettrica.

Il primo fenomeno (alta/bassa marea) viene sfruttato durante l’alta marea: l’alta marea riempie dei bacini artificiali, che vengono svuotati con la bassa marea. Nel momento dello svuotamento si usano delle turbine all’uscita di questi bacini e così si genera energia elettrica.

Il secondo fenomeno (cambio di direzione delle correnti) viene sfruttato mettendo delle pale (del tutto simili a quelle eoliche) all’interno del mare. Queste pale si muovono grazie alla corrente marina che si instaura nei vari periodi del giorno. Questo tipo di energia ha un grosso vantaggio rispetto all’energia eolica e a quella fotovoltaica: è perfettamente prevedibile il suo rendimento giornaliero, proprio perché i periodi di marea sono fissi, in quanto derivanti da moti astronomici (a parte la cosiddetta marea residua, dovuta all’effetto del vento). La prima centrale mareomotrice è stata realizzata negli anni ’60 (e attualmente è ancora funzionante) a Saint Malo in Francia. Qui il dislivello tra il massimo di alta e il minimo di bassa marea giornalieri è di 13.5 m. Il posto dove abbiamo maggiore differenza è la Baia di Fundy in Canada (20 metri). Nelle Isole Orcadi è in fase di realizzazione un grosso array di centrali che sfruttano il moto oceanico: diversi siti infatti ospiteranno centrali mareomotrici o centrali ad onda.

Passiamo all’Italia. In Italia ci sono almeno due posti dove questo ciclo è sfruttabile: il primo è il posto dove l’alta e la bassa marea hanno creato la nomea della città: Venezia. A Venezia la differenza (solo astronomica, senza tenere conto del vento) tra bassa e alta marea giornaliera è di circa 1 metro; stessa situazione a Grado. Entrambi sono luoghi nei quale sarebbe possibile realizzare delle centrali a marea. Altro luogo molto importante è lo Stretto di Messina. Lo stretto di Messina ospita dal 2001 una turbina sperimentale Kobold realizzata dall’Università Federico II di Napoli, dello stesso tipo che verranno impiantate nelle Orcadi, ma in quel tratto di mare al momento non si prevedono sviluppi futuri. Un recente studio [1] ha evidenziato la presenza di vari luoghi sulle coste italiane nelle quali potrebbe essere conveniente realizzare degli impianti che sfruttano il moto delle maree.

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Le aree in rosso e arancione (Stretto di Messina, Bocche di Bonifacio e l’area di mare tra l’Isola di San Pietro, Sant’Antioco e la Sardegna) sono le aree dove la rendita energetica sarebbe massima.

L’ultimo fenomeno sono le onde. Le onde vengono generate dallo stress del vento sulla superficie marina. Si dividono in due categorie principali: il campo di onde locali generato dal vento nel punto in cui le osserviamo e le onde “swell” ossia quelle onde che vengono generate in altre parti del mare e arrivano in quel punto. Non teniamo conto delle onde che vengono generate da fenomeni sismici, perché ora non interessano. Il mediterraneo è un bacino molto importante per la propagazione delle onde, e vari litorali costieri sono interessati da eventi molto interessanti dal punto di vista energetico. Se generate in aree di mare molto profonde, le onde quando passano a zone meno profonde diventano più alte: risultano estremamente interessanti perciò le aree in cui abbiamo delle coste molto vicine ad aree profonde. La prima centrale ad onde nel mondo è stata impiantata nel 2008 a largo delle coste di Agucadora (Portogallo, Mare Atlantico); ne verranno impiantate altre a breve in Scozia nelle Isole Orcadi.

Per quanto riguarda l’Italia, uno studio del 2011 [2] ha portato i risultati di centrali a onde sperimentali su tre litorali italiani: Alghero, Pantelleria e La Spezia, che hanno mostrato ottimi risultati per quanto riguarda l’estrazione di energia elettrica. Un altro studio [3] ha mostrato come diverse coste italiane possono essere sfruttate per questo scopo

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Evidenziate in rosso e in rosa (come anche da in legenda) sono le aree con il maggiore potenziale medio annuo energetico in termini di onde. Anche qui ritroviamo la Sardegna e la Sicilia, che sono anche regioni che stanno vivendo un grave crisi economica e che, anche grazie all’energia verde, potrebbero avere una grossa spinta per ripartire.

Alessandro Sabatino

@twitTagli

[1] Valutazione delle potenzialità energetiche da corrente marina presso le coste italiane, R.Guandalini et.al., Workshop Enea 2011

[2] Energia da moto ondoso nel mediterraneo: esempi di fattibilità e produttività, G.Bracco et. al., Workshop Enea 2011

[3] Identificazione e quantificazione dei siti per l’implementazione di generatori di energia sfruttando onde e correnti, Peviani et.al., Workshop Enea 2011.

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8 risposte a “L’energia marina: le centrali esistenti e il loro possibile utilizzo in Italia

  1. Interessante ma:
    Per valutare meglio questo tipo di tecnologie occorrerebbe sapere alcune cose.
    A quanto ammonta il fabbisogno energetico nazionale (o di certa regione) globale.
    Che ordine di grandezza in Kw/h si potrebbe immaginare per ogni tipo di tecnologia, per avere un minimo di idea sulle capacità di fornitura almeno teorica.
    Soprattutto che tipo di impatto ambientale (se c’è) hanno questi impianti.
    Non si può immaginare che un certo numero di Km di coste siano inutilizzabili o in qualche modo danneggiati per eccessiva presenza di centrali. Ma non sto dicendo di non essere d’accordo o scettico.. . Intendo solo capire. Negli Stati Uniti per esempio, ho attraversato un’intera vallata completamente “coperta” di pale eoliche. Uno spettacolo sconcertante per le sue dimensioni e numero di pale… ma li esiste lo spazio “sacrificabile” per questa tecnologia.

    • Buongiorno,

      Nel primo articolo citato dell’Enea c’e’ anche una valutazione energetica di un impianto a marea, che e’ quello ricavato dai dati sperimentali della turbina nello Stretto di Messina. Sono state fatte delle medie semestrali a 2 diverse profondita’ e delle medie annuali: si e’ trovato che a una profondita’ di 10 metri con un array di otto turbine Kobold la media annuale e’ di 1292 MWh, mentre a 60 m di profondita’ siamo a 109 MWh, che e’ comunque superiore di gran lunga rispetto ad una centrale idroelettrica di grosse dimensioni. La centrale di Saint Malo e’ un impianto che funziona non con turbine ma con il riempimento di bacino e da sola soddisfa il 3% del fabbisogno della Bretagna (mi pare siano 240 MW).
      Per le onde invece mi rifaccio alla valutazione energetica sempre dell’ENEA con i tre impianti sperimentali di La Spezia (2080 MWh); Alghero (3110 MWh); Pantelleria (2600 MWh), tra parentesi le medie annue.

      Per quanto riguarda l’impatto ambientale: sicuramente c’e’ un impatto ambientale di queste centrali, ma poiche’ e’ una tecnologia relativamente nuova poco si sa su questo. Attualmente io lavoro in un gruppo di ricerca che valuta l’effetto della sedimentazione del fondo sul rendimento della centrale delle Orcadi, nel 2015 partira’ nel Regno Unito una valutazione ambientale e dell’impatto ecologico di questi impianti. Per la centrale delle Orcadi (il gruppo di ricerca nel quale lavoro e’ coinvolto in questo progetto:) il progetto e’ un array di 11 centrali delle quali 6 estraggono energia dalle onde (0.6 GW) e 5 dalle maree (1 GW). In Italia nel solo Stretto di Messina (e forse nelle Bocche di Bonifacio) riusciamo ad arrivare a queste potenze, qualcosa di inferiore arriviamo in Sardegna e vicino La Spezia.
      Altro problema che e’ stato affrontato e’ quello del traffico marittimo, ma sembra che in questo caso non ci siano problemi.

      Tengo solo a precisare che come impatto “visivo” sono quasi a impatto zero, ossia le centrali mareomotrici o sono dei bacini e le turbine sono posizionate come nelle dighe (una specie di centrale idroelettrica per intenderci, senza l’inconveniente del ripompaggio a monte) oppure sono impianti sottomarini; le centrali ad onda invece sono dei grossi galleggianti (o boe o grossi galleggianti).

    • Per le altre due tecnologie, sono entrambi in fase di prototipo e non si ha ancora idea se possa applicarsi all’Italia (difficile per le talassotermiche, piu’ probabile le osmotiche). Sui fabbisogni nazionali e regionali, nell’articolo che avevo scritto piu’ “generalista” sul tema delle energie ho citato il rapporto dove avevo preso i dati, ti rimando al Rapporto Terna del 2011 riguardo ai consumi, alla produzione e ai vari tipi di produzione in Italia, sia mensile e sia per Regione italiana.

      http://www.terna.it/LinkClick.aspx?fileticket=%2fQMhW%2b34I20%3d&tabid=418&mid=2501

  2. Salve. Una domanda. La salinità del mare non comporta un deterioramento veloce degli impianti e/o una grossa manutenzione?

    • Ciao,

      La corrosione causata dal mare è stato uno tra i più grossi ostacoli per questa energia fino a qualche tempo fa, non solo a causa della salinità ma anche a causa della vegetazione marina stessa che andava ad aggredire le parti metalliche.
      La situazione, in questi anni, sembra essere cambiata: grazie alle nanotecnologie gli impianti vengono rivestiti con dei silicati idrofobi che hanno vari vantaggi, il principale vantaggio è il fatto che evitano la corrosione delle parti metalliche, evitano la formazione di vegetazione. Un altro vantaggio non indifferente è che queste sostanze non sono inquinanti per la fauna marina e sono a basso costo.

  3. Pingback: La magia della marea | Tagli·

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