ENERGIA DAGLI
OCEANI
Energia dagli oceani
L'oceano racchiude grandi quantità di energia.
I surfisti testimoniano la potenza delle onde, e i
marinai più temprati rispettano l'immensa forza delle
correnti e delle maree. Gran parte di questa energia
proviene, tutto sommato, dai corpi celesti, il sole e
la luna. I raggi del sole riscaldano l'oceano e danno
origine ai venti che sollevano le onde.
L'attrazione della luna interagisce con quella della terra producendo cicli
di maree regolari e prevedibili. L'attrazione gravitazionale del sole ha un
piccolo effetto sulle maree, ma l'azione combinata dei due corpi celesti
può portare a maree davvero grosse
L'energia delle onde
Le onde forniscono a molti sportivi un bel po' di divertimento ed emozioni,
ma in alto mare la loro forza terribile può sbalzare via un'imbarcazione o
capovolgerla. Onde alte decine di metri, con lunghezze d'onda di più di
cento metri sono comuni nell'Oceano Atlantico come nel Pacifico.
Questa energia esisterà finché ci saranno sulla Terra grandi distese
d'acqua e potrebbe essere un'immensa risorsa, ma non ci sono ancora
progetti commerciali su vasta scalea per il suo utilizzo.
Da dove vengono le onde?
Le onde sono create quando il vento soffia sull'acqua.
Puoi accorgertene quando soffi sulla superficie di una tazza o di una
bacinella piena d'acqua. Più forte soffi, più grosse diventano le onde.
Nell'oceano il vento è molto più potente e agisce su centinaia di chilometri
di acqua. Questo significa che molta energia è trasferita dall'aria all'acqua.
La velocità delle onde dipende dalla loro lunghezza d'onda, che a sua volta
dipende dalla velocità del vento e dalla profondità dell'acqua.
I venti sono creati dalle correnti convettive provocate dal differente
riscaldamento della terra e dell'acqua da parte del sole.
Quanta energia si può ottenere dalle onde?
In teoria, il potenziale di estrazione di energia dalle onde su tutto il pianeta è
enorme. Se tutti i luoghi adatti nel mondo (cioè quelli in cui le onde, nel corso
dell'anno, conducono più energia) fossero attrezzati a sfruttare questa
energia, tutta la domanda del pianeta potrebbe essere soddisfatta. Questo
dipende dal fatto che l'acqua ricopre circa i due terzi della superficie del
pianeta. Un problema è che, se si rimuove tutta l'energia dalla onde in un
luogo, tutte le località adiacenti avranno onde molto più piccole. Bisogna
perciò stare molto attenti alla localizzazione degli impianti e al calcolo
dell'energia totale disponibile.
Come estrarre energia dalle onde?
L'energia delle onde è difficilmente utilizzabile nel suo stato naturale.
Perciò delle macchine devono convertirla in una forma più utilizzabile, di
solito in energia meccanica o pressione, e poi trasformarla in elettricità.
Il tutto non è semplice, poiché in un punto un singolo ciclo di un'onda
può durare vari secondi, mentre un tipico generatore ha bisogno di
muoversi 30.000 volte più veloce, al ritmo di 3.000 cicli al secondo. Qui
sotto mostriamo qualcuno dei dispositivi utilizzabili:
Dispositivi a ondata
Questi dispositivi sono basati sul fatto che
l'onda sposta fisicamente una massa
d'acqua.Citiamo solo due esempi di
dispositivi che sfruttano l'impeto dell'acqua
per creare energia elettrica.
La sacca flessibile
Qui l'impeto dell'onda colpisce l'aria
racchiusa in una sacca flessibile attaccata a
un qualche supporto. Questo spinge l'aria
fuori dalla sacca e attraverso una turbina,
che produce elettricità azionando un
generatore.
Quando l'onda si allontana, la sacca (che è elasticizzata) si gonfia di nuovo
risucchiando l'aria attraverso la turbina. Un buon progetto della turbina può
far sì che questa ruoti sempre nella stessa direzione, sia quando l'aria entra
che quando esce. Questo semplifica anche il progetto del generatore.
Il canale ristretto
Se hai mai guardato le onde che si infrangono su di una costa rocciosa, ti
sarai accorto che le onde sono più grosse e più violente quando sono
costrette nello spazio tra due rocce. Questo accade perché l'onda è
concentrata, o meglio focalizzata. Questo effetto è alla base del progetto di
un canale ristretto che concentra le onde, rendendole più grandi e
sollevando maggiormente l'acqua. Se al termine di un canale del genere una
delle pareti è più bassa della sommità dell'onda, allora l'acqua ne uscirà e
potrà essere utilizzata per riempire un serbatoio a quota superiore rispetto al
livello del mare. Questa differenza di quota significa che, se pratichiamo un
foro nella parete del serbatoio, l'acqua ne uscirà per tornare in mare.
E se in questo foro mettiamo una turbina
il flusso dell'acqua la terrà in rotazione,
producendo energia elettrica.
Si possono anche coinvogliare le onde in
uno spazio sempre più stretto al termine
del quale esse possano salire su una
rampa e, ricadendo, produrre energia
facendo girare delle turbine, come nel
dispositivo sperimentale qui a lato.
Colonne d'acqua oscillanti
Se una colonna d'acqua è contenuta in un tubo,
le onde che passano intorno ad esso cambiano
la pressione alla base del tubo. Questo accade
poiché le onde sono più alte del livello medio
dell'acqua e la pressione cresce con la
profondità (se vuoi, trovi qui una spiegazione).
Questo cambiamento nella pressione fa alzare e
abbassare il livello dell'acqua nel tubo con il
passare delle onde e questo moto può essere
usato per generare elettricità in vari modi usando
differenti dispositivi, tra cui :
Macchine che usano l'acqua come fluido idraulico
Se il tubo, o il contenitore, in cui oscilla la colonna d'acqua è tappato, l'acqua si
muoverà su e giù al suo interno. Se nella parte superiore del contenitore è
realizzata una camera d'aria, il moto dell'acqua tenderà a comprimerla e a
espanderla. Se si fora questa camera, l'aria verrà spinta all'esterno e risucchiata
all'interno man mano che l'onda passa e la colonna d'acqua si muove.
Una turbina situata in questo foro può allora essere usata per produrre
elettricità. In questa foto è mostrato un dispositivo a colonna oscillante per
produrre energia dalle onde.
Macchine che usano galleggianti
nella colonna d'acqua oscillante
Alcune macchine hanno semplicemente un
galleggiante sulla superficie della colonna
d'acqua oscillante. Un'asta può essere
collegata a questo galleggiante e il suo moto in
su e in giù può essere utilizzato per azionare un
generatore, anche se sono necessari
meccanismi piuttosto complessi perché questo
lento moto possa azionare un generatore da
3000 cicli al minuto.
Uso dei galleggianti
Credo che tu sia stato in barca con il mare un
po' mosso. Altrimenti, prova a immaginare una
barca che galleggia sull'acqua salendo e
scendendo dalle onde, mentre i suoi passeggeri
lentamente diventano verdi. Questo moto di
salita e discesa, anche se poco piacevole per i
passeggeri dei traghetti, è molto utile per creare
energia da utilizzare.
Se un galleggiante è ancorato sul fondo del mare con una molla, quando
si muove su e giù sulle onde, esso tenderà e rilascerà la molla.
Questo è ovviamente uno spreco di tempo e di energia, ma se la molla è
sostituita da un sistema di ingranaggi connessi a un generatore, questo
moto potrà produrre elettricità. Talvolta il mare è troppo profondo perchè
il galleggiante possa essere ancorato rigidamente al suolo; quando
questo accade, si sostituisce l'ancora con una grossa piastra. Poiché è
molto difficile muoverla, a causa della sua grossa area, la piastra
funziona come un punto di ancoraggio.
In alcuni dispositivi i galleggianti vanno
su e giù con le onde che li sospingono,
ma se sono grossi abbastanza si
inclinano anche, mentre sono sulla
pendenza di un'onda. Questo è quanto
accade alle navi in mare se le onde sono
grandi: le navi vanno su e giù e
contemporaneamente oscillano in
orizzontale mentre salgono sulle onde e
poi scivolano su di esse. La combinazione
di questi due moti può produrre elettricità.
Dispositivi oscillanti
Alcuni dispositivi assorbono energia dalle onde beccheggiando (cioè
ruotando su e giù nell'acqua). E' tecnicamente piuttosto difficile tradurre
questo lento movimento in un moto di velocità tale da far funzionare un
generatore in modo efficace.
Dispositivi a Flapping
Se i dispositivi sono posti in acqua con
dei cardini che blocchino la loro
posizione, le onde li faranno sbattere
(cioè ruotare avanti e indietro); anche
questo moto può azionare un
generatore (guarda lo schema qui
sotto).
Energia termica dagli oceani
E' ovvio per tutti che, se gli oceani ricevono luce solare per quindici ore al
giorno, essi vengono riscaldati da questo processo. In un certo senso,
questo calore è realmente energia solare.
L'oceano è un eccellente trappola per questa energia. Uno tra i vantaggi
principali è che l'oceano si raffredda lentamente e quindi l'energia può
essere estratta anche durante la notte. Questo non è ovviamente possibile
con le tecnologie solari tradizionali.
Per funzionare in modo efficiente, la
conversione di energia da un fluido (acqua,
nel nostro caso) richiede una risorsa di acqua
calda e fredda.
Nelle regioni tropicali e subtropicali c'è una
grande differenza di temperatura tra la
superficie dell'oceano e le acque più
profonde. Questo rende queste regioni molto
interessanti per la collocazione di attività di
estrazione di energia termica dall'oceano.
Come si converte questa energia?
Fondamentalmente, vengono pompate nell'impianto l'acqua calda proveniente
dalla superficie dell'oceano e l'acqua fredda dalle profondità oceaniche.
Questa sorgente di acqua calda e fredda aziona una macchina termica (una
macchina cioè che è azionata dal flusso di energia da un corpo caldo a uno
freddo).
Impianti a ciclo aperto :
Questo ciclo è molto simile a quello usato per l'acqua
calda in un impianto di energia geotermica. L'acqua
calda è inviata a un flashboiler (una caldaia) che
produce vapore acqueo. Il vapore aziona una turbina
che fa girare un generatore.
La cosa interessante è che quando l'acqua bolle
nella caldaia lascia sul fondo il sale. Quando il
vapore si è condensato (dopo essere stato
raffreddato per mezzo dell'acqua fredda), otteniamo
così acqua dolce. Questo significa che, come
sottoprodotti di questo processo, abbiamo sale e
acqua dolce.
Impianti a ciclo chiuso :
In termini reali questo significa che un impianto oceanico ad energia
termica funziona in modo simile a un impianto geotermico che usi acqua
sporca. Qui l'acqua calda è utilizzata per far evaporare una sostanza che
bolle facilmente (ad esempio l'ammoniaca). Il gas prodotto aziona una
turbina che a sua volta fa muovere un generatore. L'acqua fredda è
utilizzata per raffreddare l'ammoniaca finché ritorni liquida (cioè
condensi). Questo restituisce ammoniaca alla fase iniziale del ciclo e
spinge il vapore attraverso la turbina (quando l'ammoniaca condensa si
crea un vuoto) rendendo il ciclo più efficiente.
Qual è il futuro?
L'oceano assorbe un quarto dell'energia
solare che raggiunge la Terra; questa
quantità rappresenta una risorsa
energetica molto superiore all'attuale
domanda.
La cartina a lato ci mostra, colorandole di
rosso e giallo, le zone in cui questo
assorbimento è maggiore.
Ci sono tuttavia alcuni problemi:
La bassa temperatura della risorsa fa sì che l'efficienza del ciclo sia
molto bassa (intorno al 3%).
La quantità di acqua richiesta è enorme, dell'ordine di 500 tonnellate di
acqua calda e fredda per una centrale da 100 megawatt.
Gli impianti sono quindi molto grossi e molto costosi.
L'effetto sull'ambiente del flusso di simili masse d'acqua non è noto.
Questo significa che questi impianti vanno utilizzati solo quando il
ricorso ad altre fonti di energia è impraticabile o quando sono richiesti i
sottoprodotti.