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Energia da onda e protezione della costa - Barbara Zanuttigh -
Sino ad ora la tecnologia di sfruttamento della energia da onda si è concentrata essenzialmente sull’efficienza e produttività dei dispositivi in condizioni climatiche piuttosto intense. In realtà, sussistono due elementi chiave che possono rendere fattibile dal punto di vista economico il prosieguo della ricerca tecnologica e la installazione a scala di prototipo, anche in mari poco energetici:
- Il dimensionamento del sistema per funzionare in condizioni climatiche tipiche piuttosto che in condizioni estreme
- L’utilizzo combinato
• installazione del WEC integrata in infrastruttura portuale, come protezione del porto;
• installazione del WEC presso l’area circostante una piattaforma offshore esistente al fine di renderla il più possibile autonoma nel funzionamento;
• installazione del WEC galleggianti sotto-costa come elemento per la protezione della costa.
L’utilizzo per la protezione della costa è particolarmente interessante perché i cambiamenti climatici si prevede porteranno l’innalzarsi del livello di medio mare e mareggiate più frequenti e più intense. Questo comporta dunque maggiore energia ondosa a disposizione rispetto alla situazione attuale, e contemporaneamente maggiore erosione delle spiagge e inondazioni delle zone urbane nel retrospiaggia (Figura 1.1).
I convertitori di energia da onda, assorbendo appunto energia ondosa, potrebbero costituire una valida misura per ridurre il rischio dei litorali in modo sostenibile. Nel seguito si sintetizza lo studio condotto su uno specifico dispositivo.
Figura 1.1 Due immagini di recenti mareggiate intense;
a sinistra, Genova, 30/10/2008, a destra, Ostia, 10/11/2010.
Il dispositivo DEXA (http://www.dexawave.com/energy-from-ocean-waves.html) è stato sottoposto a svariate prove in vasca presso l’Università di Aalborg, Danimarca (in scala 1:30), volte sia a determinarne la produttività -in termini di potenza prodotta Pm ed EFFICIENZA η rapporto tra la potenza prodotta Pm e la potenza d’onda Ponda, - sia a valutarne l’effetto per la protezione del litorale in termini di coefficiente di TRASMISSIONE Kt, che rappresenta il rapporto tra l’altezza d’onda a riva e al largo del dispositivo (e dunque tanto più è minore di 1 tanto più indica una riduzione della energia che andrà a trasmettersi oltre il dispositivo verso le coste).
Il DEXA è un convertitore di energia ondosa di tipo Wave Activated Body, un’immagine della installazione esistente ad Hanthsolm, Danimarca, è riportata in Fig. 1.2. Il dispositivo è caratterizzato da una struttura semplice: due pontoni incernierati in mezzeria, ove è presente un sistema di estrazione dell’energia.
Il DEXA si ispira al sistema di estrazione dell’energia ondosa sviluppato e brevettato nel 1980 dal famoso inventore Sir Christopher Cockerell. Il sistema di Cockerell era basato sul principio (vedere Fig. 1.3) secondo cui un pontone galleggiante, spostato dal suo punto di equilibrio, tenta di recuperare l’equilibrio mediante una forza pari al 44% della sua massa totale (quando il pontone è sollevato completamente fuori dall’acqua da una estremità). Disponendo la spinta di galleggiamento e la forza peso alle estremità esterne del pontone, la forza disponibile può essere ottimizzata: nella nuova configurazione infatti la forza di BILANCIAMENTO diventa pari al 50% (invece del 44%) della massa totale e si ottiene anche una riduzione del consumo di materiale rispetto al caso di pontone compatto. Ciascun pontone DEXA è costituito da due galleggianti tubolari, connessi con un anello rigido, per ottimizzare la DISTRIBUZIONE del peso.
Figura 1.2 – Immagine del DEXA ad Hanthsolm, Danimarca, in scala 1:5 circa.
Figura 1.3 - Schema del principio base di funzionamento per il dispositivo di Cockerell e per il DEXA.
La struttura semplice del DEXA, senza piccole parti esposte, garantisce inoltre una buona resistenza ai detriti galleggianti (bottiglie, reti da pesca, legni, corde, contenitori per il pescato, versamenti di idrocarburi, etc) che, soprattutto durante una tempesta, possono dirigersi verso un parco di convertitori e comprometterne l’operatività. Questo convertitore è realizzato in modo che gli animali marini non possano essere schiacciati, intrappolati, o rimanere feriti in alcuna parte della struttura. E’ dotato di spigoli dolci e non ha spazi confinati. Al contrario, il convertitore o un parco di dispositivi possono diventare un habitat sicuro per piccole comunità di animali marini e piante. L’impatto visivo generato dall’installazione di un parco di questi dispositivi WAB è pressoché nullo: il profilo è basso e il parco è invisibile già da pochi chilometri di distanza. Infine non è previsto nessun impatto acustico agente sugli spazi di vita umani.
Il DEXA risulta semplice da installare e trasportare. Il convertitore ed il sistema di ancoraggio vengono trasportati dal cantiere fino alla località prestabilita mediante un rimorchiatore. Il sistema di ancoraggio viene affondato nell’oceano alla località prevista e il convertitore attaccato ad esso mediante un cavo. Il dispositivo ha anche un profilo tale da garantire un effetto relativamente basso di trascinamento da parte del vento, rendendo più semplici i requisiti per l’ancoraggio. DEXA può essere facilmente trasportato a riva per revisione a scopo manutentivo, sempre mediante un rimorchiatore. Infine, il convertitore può essere smantellato alla fine del suo ciclo di vita e rimosso completamente dall’ambiente oceanico, usando le stesse attrezzature impiegate in fase di installazione.
La Figura 1.4 riporta l’efficienza η, la potenza prodotta Pm adimensionalizzata con la massima misurata Pm,MAX e il coefficiente di TRASMISSIONE Kt desunti da prove sugli stati ondosi caratteristici del Mare del Nord per due fondali (h1=11 m e h2=12 m in scala 1:1). I dati sono mostrati in funzione del parametro l/Lp, che corrisponde alla lunghezza del DEXA l adimensionalizzata con la lunghezza dell’onda al largo al picco Lp. L’efficienza η e il coefficiente di TRASMISSIONE Kt diminuiscono con l/Lp, mentre il rapporto Pm/Pm,MAX cresce. Si può quindi identificare una condizione ottimale per l’uso combinato nella conversione di energia e protezione del litorale (in questo caso, per l/Lp˜0.74) e provvedere di conseguenza a un opportuno dimensionamento del dispositivo sulla base delle caratteristiche ondose locali per potenziare l’effetto combinato della installazione. Di fatto, anche in condizioni ottimali per la installazione combinata, ossia l/Lp˜0.74, l’attenuazione dell’onda risulta piuttosto modesta, circa dell’85%, suggerendo che è necessario installare il singolo dispositivo all’interno di parchi, composti di più linee, in modo da ottenere sia uno smorzamento adeguato per la protezione della costa sia una maggiore produzione energetica. Questo chiaramente comporta la necessità di utilizzare ampie zone marine, dell’ordine almeno del km lungo costa e del mezzo km perpendicolarmente a costa, con conseguente necessità di investigare previamente i possibili conflitti di uso del mare (turismo, pesca, navigazione, etc.).
Si noti l’assenza di dipendenza dei risultati dal fondale, ad assicurare che il comportamento del dispositivo non sia influenzata da spostamenti dello stesso su fondali leggermente minori, a vantaggio di maggiore economia specialmente nel caso di fondali a debole pendenza, e da condizioni di alta e bassa marea, nonché aumento del livello del mare causa i previsti cambiamenti climatici.
Figura 1.4 - EFFICIENZA η, Potenza prodotta Pm adimensionalizzata con la massima misurata Pm,MAX e coefficiente di TRASMISSIONE Kt in funzione del parametro lunghezza adimensionalizzata con la lunghezza d’onda al picco l/Lp. Prove sugli stati ondosi caratteristici del Mare del Nord per due fondali (h1=11 m e h2=12 m in scala 1:1).
Ringraziamenti
La ricerca è finanziata dal progetto THESEUS, FP7.ENV2009-1, contratto 244104 (www.theseusproject.eu), e dal progetto SDWED (www.sdwed.civil.aau.dk).