Le tecnologie di conversione dell’energia mareomotrice, nota anche come energia delle maree, sfruttano le variazioni cicliche311 del livello dei mari o degli oceani causati prevalentemente dalle interazioni tra i campi gravitazionali del sistema Terra-Sole-Luna (attrazione luni-solare) e dalla forza centrifuga dovuta alla rotazione del sistema Terra-Luna intorno al proprio centro di massa. Si tratta di un fenomeno a carattere universale, persistente e periodico, l’ampiezza o escursione della marea, cioè il dislivello tra alta e bassa marea, è in media di 60 centimetri, ma tale valore è variabile nel tempo e nello spazio per effetto di numerosi fattori astronomici (posizione di Luna e Sole rispetto alla Terra), morfologici (conformazione costiera, differenza di profondità dei fondali, superficie della massa d’acqua ) e meteorologici (vento che soffiando verso la costa innalza il livello del mare sui litorali e viceversa; differenze di pressione atmosferica tra le zone costiere e il mare aperto). Solitamente le maree hanno negli oceani un’ampiezza inferiore a un metro, mentre lungo le coste possono essere molto elevate; il caso più eclatante è rappresentato dalla Baia di Fundy in Nuova Scozia (Canada), dove quando la Luna si trova in allineamento con il Sole (posizione di sigizie), la forza attrattiva dei due corpi, sommandosi dà luogo a maree le cui ampiezze sfiorano i 20 metri 312; nel Mediterraneo, invece, le maree hanno un dislivello medio di 30 cm313.
Sebbene una spiegazione scientifica delle cause determinanti le maree sia stata formulata solo nel XVIII secolo, a seguito dell’enunciazione della legge di gravitazione universale di Isaac Newton, già gli antichi Greci si erano cimentati nello studio del fenomeno e ne conoscevano il legame con le posizioni di Sole e Luna rispetto alla Terra,314 e all’antichità risalgono i primi tentativi di utilizzazione delle maree quale fonte di energia. Durante l’alta marea l’acqua era convogliata in piccoli bacini che venivano poi sbarrati con paratie; al verificarsi della bassa marea si faceva defluire l’acqua attraverso canali che conducevano ai “mulini a marea”, ossia ruote in grado di azionare macine.
Le maree sono costituite, oltre che da movimenti verticali delle acque associati con l’ascesa e la caduta dei corpi idrici interessati dal fenomeno, anche da spostamenti orizzontali delle acque, noti col nome di correnti di marea. Bisogna, quindi, distinguere tra l’energia delle variazioni (intervalli) di marea, ossia l’energia potenziale dipendente dalla differenza tra alta e bassa marea, e energia delle correnti di marea, cioè l’energia cinetica sprigionata dalle correnti determinate dalle maree.315
Loeb S., Energy Production at the Dead Sea by Pressure-retarded Osmosis: Challenge or chimera?, in «Desalination», 1998, 120, 3, pp. 247-262.
Metha G.D., Further Results on the Performance of Present-day Osmotic Membranes in Various Osmotic Regions, in «Journal of Membrane Science», 1982, 10, 3.pp.3-19.
Burnham L., T.B. Johansson, H. Kelly, A.K.N. Reddy e R.H. Williams (a cura di), Renewable Energy: Sources for fuels and electricity, Washington DC., Island Press, 1993, pp. 73 - 120.
311 Nell’arco di un giorno si verificano, a seconda delle aree geografiche, uno o due cicli di alta e bassa marea. 312 Federici P.R. e L. Axianas, 1990, op. cit., pp.246-252.
313 Per approfondimenti:
http://www.bcp-energia.it/fonti_energia_rinnovabili/energia_maree_e_moto_ondoso.php (accesso: 12 -10- 2009). 314 Ispra, Energia rinnovabile - Energia da maree, moto ondoso e correnti marine e fluviali. Consultabile on line all’indirizzo: http://www.apat.gov.it/site/it-IT/Temi/Energia_rinnovabile/Maree_moto_ondoso_e_correnti/ (accesso: 12-10-2009).
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ENERGIA DALLE VARIAZIONI (INTERVALLI) DI MAREA
L’energia potenziale racchiusa nelle maree può essere trasformata in elettricità mediante la costruzione di dighe artificiali fisse (centrali costiere) o strutture galleggianti, collocate in mare aperto. È indispensabili che tali opere ingegneristiche siano installate in zone ove l’ampiezza delle maree sia sufficientemente elevata da consentirne la convenienza economica.
Il principio di conversione è molto simile a quello utilizzato nei tradizionali impianti idroelettrici. Solitamente, viene costruito uno sbarramento da un capo all’altro di una baia o di un estuario, con l’alternarsi delle maree l’acqua affluisce e defluisce, passando, attraverso una serie di canali, nel bacino di raccolta delimitato dallo sbarramento e fa girare delle turbine collegate a generatori (alternatori). Una particolarità di questo sistema è la reversibilità delle turbine, che perciò possono funzionare sia al crescere sia al calare della marea.
Dal 1966, è in funzione in Francia, alla foce del fiume Rance, sulla Manica, fra Saint-Malo e Dinard, una centrale mareomotrice che sfrutta l’energia prodotta dal dislivello dell’acqua che si forma tra l’alta e la bassa marea che da quelle parti raggiunge 13,5 m di dislivello. La centrale comprende una diga in pietrame, 6 chiuse di entrata e uscita per vuotare e riempire rapidamente la foce e 24 turbine a bulbo, sviluppate appositamente; la portata raggiunge 18.000 metri cubi di acqua al secondo, l’impianto ha una potenza di 240 MW e produce circa 600GWh annui di elettricità, coprendo il 3% del fabbisogno elettrico della Bretagna.
Altri impianti a sbarramento per centinaia di Megawatt di potenza installata sono attualmente in discussione in Gran Bretagna.
Il potenziale globale di energia delle maree è stimato a circa 200 TWh / anno. All’interno dell’Unione Europea, la Francia e il Regno Unito hanno intervalli di marea sufficientemente elevati (oltre 10 metri) . In Gran Bretagna, ad esempio, si stima un potenziale complessivo di 6.000 MW.316
Al di fuori della UE, Canada, Argentina, Australia Occidentale e Corea sono i paesi potenzialmente più interessanti per le applicazioni legate a tale fonte energetica. Attualmente tre sbarramenti di marea operano come centrali di tipo commerciale, per un totale mondiale di 260 MW di capacità installata.
Di rilievo sono anche i progetti di centrali a marea con impianti (bacini) galleggianti, tra cui uno della inglese Tidalelectric da 60 MW che secondo i progettisti promette di essere competitivo già a livello di prototipo.
Nella figura 4.2 sono illustrate le aree geografiche in cui sono presenti escursioni di marea tali da renderle adatte all’installazioni di impianti a sbarramento di marea.
http://www.eu-oea.com/index.asp?bid=425#Tidal%20Energy%20Technology (accesso: 11 -09- 2009). 316 Per approfondimenti si consulti il sito internet dell’Enel all’indirizzo:
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Figura 4.2 : Zone adatte all’installazione di impianti a sbarramento di marea
Fonte: Treccani - Enciclopedia degli idrocarburi 2005 - p.576
Costi
I progetti riguardanti lo sfruttamento dell’energia dalle maree richiedono investimenti di capitale di norma superiori alla media rispetto a quelli riguardanti l’impiego delle altre fonti di energia rinnovabile; sono, inoltre, necessari lunghi periodi di costruzione e lunghi periodi di payback. Di conseguenza, il costo dell’elettricità ricavata mediante l’utilizzo di tale tecnologia è abbastanza elevato.
In termini di costi a lungo termine, una volta che la costruzione della diga è completa, la manutenzione e la gestione di un impianto per la conversione dell’energia mareomotrice comporta costi molto esigui; le turbine necessitano di essere sostituite circa una volta ogni trenta anni. La vita di una centrale di tale tipo è a tempo indeterminato e per tutto il periodo di funzionamento riceverà carburante gratis dalle maree.
Vantaggi
È una tecnologia che ha quasi raggiunto la maturità.
Gli impianti off-shore hanno, inoltre, il vantaggio di poter modulare la produzione di energia elettrica essendo, generalmente, le strutture costituite da più bacini.
Con le opportune griglie di sbarramento e data la non elevata velocità delle turbine di questi sistemi, possono essere salvaguardate anche la flora e la fauna dei luoghi in cui tali centrali sono installate .
147 Criticità
Come tutti i grandi progetti di ingegneria civile, la realizzazione di tali impianti determina tutta una serie di rischi tecnici e ambientali, a partire dall’erosione che esercitano sulle coste e dalla conseguente abbondante sedimentazione all’interno del bacino.
Una ulteriore criticità di tale tecnologia è costituita dalla mancata coincidenza tra massima ampiezza di marea disponibile (che è possibile prevedere sulla base delle fasi lunari e solari) e domanda di energia nelle ore di punta; i periodi di afflusso idrico insufficiente coincidono con la cessazione della produzione elettrica.
ENERGIA DALLE CORRENTI DI MAREA
Si stima che la quantità di energia naturalmente prodotta dalle maree e non utilizzata, nell’arco di un anno, sia pari a circa un quinto del consumo dell’energia mondiale317.
Nella sola Europa la disponibilità di questo tipo di energia, in termini di potenza è pari a circa 75 GW.
A differenza delle correnti d’aria atmosferica, la disponibilità di correnti di marea può essere prevista con grande precisione, in quanto il loro moto dipende dalle condizioni locali di marea. Le velocità delle correnti marine sono minori rispetto a quelle del vento, però l’alta densità dell’acqua (865 volte quella dell’aria) permette di costruire, a parità di capacità, turbine di dimensioni inferiori rispetto alle turbine eoliche. Una turbina eolica che intercetta una superficie di un metro quadrato, per generare una potenza di 3 kW necessita che il vento viaggi a 100Km/h; per produrre la medesima potenza, con una turbina, delle stesse dimensioni della prima, immersa nell’acqua, basta che la velocità della corrente sia di 11Km/h.
Le correnti di marea costituiscono, a livello mondiale, una risorsa energetica presente in quantità molto elevate.
Tra i Paesi che abbondano di tale fonte energetica vi sono: il Regno Unito, l’Irlanda, l’Italia, le Filippine, il Giappone e parte degli Stati Uniti.
Esistono diverse tecnologie per l’estrazione di energia dalle correnti di marea. Esse sono in genere molto simili a quelle utilizzate per la conversione dell’energia eolica; turbine ad asse orizzontale o verticale vengono immesse nel flusso della corrente di marea e trasformano l’energia cinetica della corrente in energia meccanica, la quale a sua volta viene trasformata in energia elettrica.
Le turbine ad asse orizzontale (a flusso assiale) sono concettualmente simili alle turbine eoliche ad asse orizzontale. Di tale tipologia di turbine sono stati costruiti e testati prototipi aventi capacità fino a 10 kW.
Un esempio è la Rotech Tidal Turbine (RTT). La RTT è una turbina bi-direzionale ad asse orizzontale, lunga 25 metri e con un diametro di 15, posizionata all’interno di un condotto in cui
317 Gellee R., Nuove frontiere della ricerca. Il mare come grande riserva di energia, Parigi, 7 marzo 08. Disponibile on line all’indirizzo: http://www.rinnovabili.it/il-mare-come-grande-riserva-di-energia-500450 (accesso 20-03-08).
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viene convogliato il flusso di marea che concentrandosi, dà luogo a una differenza di pressione, la quale, a sua volta, determina un flusso secondario attraverso la turbina (effetto Venturi) quindi avviene la trasformazione dell’energia della corrente di marea in elettricità. Un impianto di tal genere è in sperimentazione sul fondale della penisola di St.David, la punta meridionale del Galles. Secondo le stime effettuate l’energia delle correnti di marea potrà essere incanalata per generare elettricità sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico di cinquemila abitazioni.
Turbine ad asse verticale (a flusso incrociato) si sono rivelate le più adatte per lo sfruttamento delle correnti di marea per il fatto che, più volte nell’arco di una giornata, esse cambiano direzione di circa 180°.
Alcuni prototipi stand-alone sono stati testati nello Stretto Kurushima, in Giappone, tra cui una turbina avente capacità di 5 kW.
Esistono, inoltre, molti metodi per posizionare i dispositivi che permettono di catturare l’energia delle correnti di marea; essi possono essere ancorati ai fondali marini, mediante pesi,o possono essere sospese a piattaforme galleggianti o semigalleggianti fissate al fondale mediante cavi. In vaste zone caratterizzate da correnti di marea molto forti possono essere installati gruppi di turbine e costituite vere e proprie “fattorie energetiche”.
In Canada si è studiata la possibilità di installazione di un certo numero di turbine ad asse verticale in un recinto di marea, con il progetto di costruire un impianto dimostrativo di 30 MW nelle Filippine. 318
In Italia, nel 2006, dopo tre anni di sperimentazioni, è stato allacciato alla rete elettrica nazionale dell’Enel il primo generatore di elettricità al mondo che sfrutta le correnti di marea, mediante turbine Kobold ad asse verticale. La progettazione dell’impianto è stata opera della società Ponte di Archimede S.p.A. in collaborazione con il Politecnico di Milano e la Federico II di Napoli. La realizzazione del progetto è stata affidata alla società Elettronica Santerno di Bologna. La turbina è stata montata sotto una piattaforma del diametro di dieci metri, le correnti fanno girare tre pale verticali costruite in fibre di carbonio e resine epossidiche, aventi una larghezza di 30 centimetri e una lunghezza paria a 5 metri .
La tecnologia nella fase iniziale di utilizzo è stata in grado di produrre una potenza di soli 40 Kw (equivalente all’energia necessaria al fabbisogno elettrico di circa 13 abitazioni) ma i margini di sviluppo si sono rivelati incoraggianti sin dallo stato prototipale, infatti le previsioni per la fase evolutiva successiva hanno stimato il raggiungimento di150 Kw di potenza (oltre il 300% in più). Inoltre, bisogna aggiungere che nella parte sommitale dell’impianto sono stati montati alcuni pannelli fotovoltaici in grado di fornire un ulteriore apporto energetico.
Una ulteriore tecnologia per lo sfruttamento delle correnti di marea è costituita dagli impianti a pistoni. Essi, in luogo delle pale rotanti, hanno delle alette oscillanti che si muovono avanti e indietro lungo un piano ortogonale alla corrente di marea. Uno di tali dispositivi usa dei pistoni al fine di alimentare un circuito idraulico che aziona un motore idraulico e un generatore elettrico. Lo Styngray è un progetto inglese rientrante in tale tipologia tecnologica che sembra avere notevoli potenzialità.
318 Per approfondimenti si consulti il sito internet dell’ European Ocean Energy Association (EU-OEA), all’indirizzo: http://www.eu-oea.com/index.asp?bid=425#Wave%20Energy (accesso: 12-07-09).
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Costi
Le correnti di marea sono una delle più promettenti fonti di energia rinnovabili, esse possono potenzialmente immettere notevoli quantità di energia nelle reti elettriche di molti Paesi.
La possibilità di adattare a tale fonte energetica il know-how tecnologico già disponibile per altre applicazioni ad uno stadio di maturità più avanzato (tecnologia eolica) ha permesso al settore di sperimentare uno sviluppo molto rapido e si sono aperte prospettive per la distribuzione commerciale di alcuni progetti nel prossimo futuro; la sostenibilità economica è ancora da dimostrare, ma le previsioni riguardanti i futuri costi di produzione sono molto ottimistiche .
Secondo alcune stime, il costo dell’energia prodotta negli impianti sperimentali è di circa sette centesimi di euro al kilowattora319.
L’interesse per tale tecnologia è in costante crescita e sembra destinata ad assumere un ruolo sempre più importante nella competizione con altre tecnologie energetiche e in futuro potrebbe contribuire notevolmente al mix di approvvigionamento energetico globale.