Io studio: ENERGIA DAGLI OCEANI

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Feb 152016
 

IoSTUDIONella 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).
ENERGIA DALLE CORRENTI

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.

STUDIA CON I VIDEO:

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.

Correnti

DALL’ENERGIA CINETICA A QUELLA ELETTRICA

Passaggi-eolico

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.

seaflow

Turbine ad asse verticale

Turbine orizzontali

Turbine ad asse orizzontale

 

 

 

 

 

 

STUDIA CON I VIDEO:
//www.youtube.com/watch?v=CQpX8JUTBMM
ASPETTI NEGATIVI DI QUESTI IMPIANTI:

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

ENERGIA DALLE ONDE

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.

DALL’ENERGIA CINETICA A QUELLA ELETTRICA

Passaggi-eolico

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

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

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

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.

STUDIA CON I VIDEO:
ASPETTI NEGATIVI DI QUESTI IMPIANTI:

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.

IMPIANTI SOMMERSI

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».

AWS

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.

ENERGIA DALLE MAREE

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.

Schema dell’influsso del Sole e della Luna sulle maree

DALL’ENERGIA CINETICA A QUELLA ELETTRICA

Passaggi-eolico

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.
Impianti mareomotrici
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.

osmosi

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).

Talassotermia

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.

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ENERGIA DAGLI OCEANI

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Mag 262012
 

Articolo scritto da: Emanuela Amico, Nicoletta Raciti, Marta Strano e Manuela D’Agostino della classe terza H/2011.

Prefazione a cura del prof. Betto

L’energia è il programma di tecnologia per le classi terze e i ragazzi si trovano ad affrontare questo difficile ma interessantissimo percorso di apprendimento. Durante il corso dell’anno si passano in rassegna molte fonti energetiche sia rinnovabili che non, ma alcune, anche interessanti e di recente sviluppo, rimangono fuori dalla programmazione curriculare per una questione di tempo. Occasione, questa, per proporre loro degli approfondimenti da realizzare con lo strumento digitale e attraverso la ricerca su internet. Energia dall’idrogeno, dagli oceani, dalle biomasse sono stati alcuni dei suggerimenti e i ragazzi si sono prontamente confrontati con questi argomenti. Oggi vi propongo un articolo scritto a quattro mani da Emanuela, Nicoletta, Marta e Manuela sulle forme di energia ottenute sfruttando le enormi masse d’acqua degli oceani. Come ogni volta vi auguro una buona lettura soprattutto per incoraggiare nella ricerca e nella scoperta i nostri giovani ragazzi.


L’esaurimento delle riserve di combustibile fossile unito ad un sempre crescente interesse per la salvaguardia dell’ambiente, ha fatto sì che negli ultimi trenta anni crescesse l’interesse verso nuove fonti di energia alternative, ecocompatibili e rinnovabili. Queste nuove fonti di energia, sebbene ancora oggi non siano in grado di sostituire quelle tradizionali, rappresentano un valido supporto ad esse.

Tra queste fonti trova posto l’oceano, che racchiude grandi quantità di energia sia meccanica, dovuta alle correnti marine, alle maree e alle onde sia termica, proveniente dal calore del sole.
L’energia di maree e correnti può essere convertita in energia elettrica da uno sbarramento che spinge l’acqua attraverso delle turbine attivando un generatore, oppure solamente da una o più turbine poste sotto la superficie del mare.

È possibile convertire almeno cinque tipi di energia presenti nel mare:

  • delle correnti;
  • delle onde;
  • delle maree;
  • del gradiente salino (osmotica);
  • del gradiente termico (talassotermica).

ENERGIA DALLE CORRENTI MARINE

Le correnti possono essere paragonate ad immensi fiumi che scorrono in seno all’oceano per centinaia, e a volte migliaia, di chilometri. Sia che siano profonde sia che siano superficiali, le correnti sono generate da diversi fattori; primo fra questi è la tendenza delle acque a ristabilire l’equilibrio idrostatico turbato dalla diversità di riscaldamento solare alle varie latitudini, che ne modifica la temperatura, la salinità e quindi la densità. Altro fattore primario per l’azione di trascinamento, è la rotazione della Terra. Fattori ausiliari al moto delle correnti marine sono le differenze della pressione atmosferica e, negli stretti che mettono in comunicazione oceani o mari aperti con mari interni, le differenze di densità delle acque e i flussi delle maree. In base a questi fattori determinanti, le correnti marine possono essere classificate:

  • in base alle cause che le creano (correnti di gradiente, di deriva, tidali e correnti geostrofiche);
  • in relazione alla temperatura dell’acqua che si sposta confrontata con la temperatura dell’ acqua che la circonda (correnti calde o fredde);
  • in relazione alla profondità ove si verificano (superficiali se interessano lo strato d’acqua dalla superficie ai 200 metri; interne se interessano lo strato d’acqua al di sotto dei 200 metri; di fondo se interessano lo strato d’acqua vicino al fondale marino).

Principali correnti oceaniche

Il fenomeno è presente in bacini marini e oceanici e in bacini lacustri di grande estensione (come ad esempio i grandi laghi del rift africano). In tali contesti, su coste basse e debolmente inclinate, le correnti di marea possono raggiungere velocità e forza notevole (fino ad 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. Attualmente esiste solo un impianto per lo sfruttamento delle maree in Francia, mentre sono in corso esperimenti per lo sfruttamento del potenziale energetico delle onde nel Regno Unito, in Norvegia e in Giappone. Le correnti marine si comportano come delle correnti aeree e come nelle centrali eoliche, può essere sfruttata l’enorme energia cinetica che queste masse d’acqua spostano nel loro perenne cammino. Generatori ad asse orizzontale o verticale sono in fase di studio o di sperimentazione; nel Mediterraneo il sito di maggior interesse è lo Stretto di Messina, dove generatori che sfruttano la rotazione delle pale e la rivoluzione intorno al proprio asse, riescono a produrre una grande quantità di energia.

ENERGIA DALLE ONDE MARINE

Le onde sono create quando il vento soffia sull’acqua. Nell’oceano il vento è molto potente e agisce su centinaia di chilometri di acqua. Questo significa che molta energia è trasferita dall’aria all’acqua.

La strada di sfruttare il moto delle onde del mare per ottenere energia elettrica, nonostante i problemi, non smette di solleticare la fantasia degli ingegneri. Ci sono allo studio ipotesi per concentrare e focalizzare le onde in modo da aumentarne l’altezza e il potenziale di conversione in energia elettrica. Altre ipotesi prevedono invece di utilizzare le variazioni di pressione che sì riscontrano al di sotto della superficie del mare, altre di utilizzare dei galleggianti che “copiano” il moto ondoso trasferendolo a dei generatori per mezzo di pistoni idraulici.

Progetto PELAMIS

Un progetto di una nuova tecnologia che, sfruttando l’energia prodotta dalle onde di superficie degli oceani, permette di produrre elettricità è il Progetto Pelamis, il cui nome deriva da un serpente marino. Pelamis è un sistema basato su una struttura semisommersa che, grazie al movimento dettato dalle onde agisce su dei pistoni idraulici accoppiati a dei generatori in grado di trasformare l’energia meccanica 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 e 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.

ENERGIA DALLE MAREE

La marea è 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.

Schema dell’influsso del Sole e della Luna sulle maree

Come detto sopra, la marea è un movimento periodico giornaliero. Esso è dovuto a vari fattori:

  • le acque tendono a ristabilire l’equilibrio idrostatico turbato dalla diversità di riscaldamento solare alle diverse latitudini, che ne modifica ovviamente la temperatura, ma anche la salinità e quindi la densità;
  • la rotazione terrestre determina i sensi di circolazione simmetrica delle masse acquee;

Oggi esistono diversi progetti di sfruttamento delle maree:

  • sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità;
  • compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazione di turbine in seguito alla sua espansione;
  • movimento di ruote a pale;
  • riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine.

La tecnica energetica sfrutta il dislivello tra l’alta marea e la bassa marea: la cosiddetta ampiezza di marea. Un presupposto importante è ovviamente un’ampiezza di marea sufficiente. Nei siti dove quest’ampiezza lo è, si possono realizzare le centrali di marea costiere, ossia grandi dighe di sbarramento sulla costa. Queste presentano però un grande limite dovuto all’erosione che esercitano sulle coste e nell’abbondante sedimentazione all’interno del bacino. Per questi motivi si sta pensando a degli impianti offshore con opportune griglie di sbarramento e data la non elevata velocità delle turbine si può anche garantire la salvaguardia della flora e della fauna marina.

ENERGIA DAL GRADIENTE SALINO (OSMOTICA)

Osmosi (schema)

Il fenomeno fisico dell’osmosi fu notato per caso la prima volta nel 1784 quando il sacerdote e fisico francese Jean-Antoine Nollet mise una vescica di maiale riempita di vino in un barile d’acqua. L’effetto fu che la vescica si gonfiò fino a scoppiare.

Negli anni Cinquanta c’è stato un crescente interesse per la produzione di acqua potabile da acqua di mare. Un passo avanti è stato compiuto dagli americani Sidney e Loeb producendo una membrana semipermeabile utile allo scopo. La produzione di acqua dolce per osmosi inversa è oggi una tecnologia consolidata ed utilizzata soprattutto in Medio Oriente.

In natura questo fenomeno si verifica quando i fiumi contenenti acqua dolce scaricano in mare che è invece costituito da acqua salata. Il principio dell’osmosi non è semplice da comprendere, ma basti pensare che per realizzare acqua dolce dall’acqua salata del mare occorre l’uso di una grande quantità di energia. Al contrario, per ottenere acqua salata da quella dolce, si libera energia. Quindi, si immagini quanta energia viene liberata nel momento in cui l’acqua dolce dei fiumi entra in contatto con quella salata del mare. Teoricamente ci sono diversi modi per convertire l’energia dissipata quando l’acqua dolce si miscela all’acqua di mare in energia da utilizzare. Le tecniche più interessanti sono:

  • ritardo-pressione per osmosi (pressure-retarded osmosis, PRO);
  • elettrodialisi inversa (reverse electrodialysis, RED).

ENERGIA DAL GRADIENTE TERMICO (TALASSOTERMICA)

Sistema a gradiente termico

Sfrutta le differenze di temperatura tra la superficie marina (generalmente più calda) e le profondità oceaniche (nell’ordine delle centinaia di metri). Spesso viene anche indicata come OTEC, acronimo inglese per Ocean Thermal Energy Conversion.

Sono due, i metodi con i quali si può ottenere energia dal gradiente salino:

  • dialisi elettroinversiva (osmosi);
  • Pressure Retarded Osmosis (PRO).

Entrambe queste tecnologie si basano sull’osmosi ottenuta con membrane a ioni specifici. Un tempo il costo della membrana poteva diventare un ostacolo allo sviluppo di questa tecnologia; oggi, invece, è disponibile una nuova membrana in polietilene modificata elettricamente, poco costosa ideale per un potenziale uso commerciale. In Olanda, dal 2005 è attivo un primo impianto sperimentale da 50 Kw.

 

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