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Energia Rinnovabile Marittima: Sbloccare il Potere dell’Oceano per un Futuro Pulito

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Il Potenziale Inesplorato dell’Energia Oceanica

Poiché la Terra è per il 70% coperta da oceani e mari, non sorprende che molte delle risorse del pianeta si trovino in mare. Tuttavia, questo è un ambiente intrinsecamente più difficile per una creatura terrestre come l’uomo. Di conseguenza, l’energia oceanica è finora stata poco sfruttata, limitata principalmente allo sfruttamento offshore di petrolio e gas e ai parchi eolici offshore.

Ma c’è molto più potenziale per la generazione di energia in mare in altre forme. Dalle quasi illimitate aree di superficie alle maree, alle onde e al differenziale di altezza e temperatura, scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per trovare nuovi modi di attingere all’energia rinnovabile dalle onde infinite.

E questo potrebbe essere una fonte enorme di nuova energia rinnovabile, con il 2050 che potrebbe vedere 352 GW di capacità installata, o vicino all’intero parco nucleare globale attuale (399 GW).

Fonte: IRENA

Perché lo Sviluppo dell’Energia Oceanica è Stato Lento

Potrebbe sorprenderti che la produzione di energia nell’oceano sia iniziata solo pochi decenni fa, mentre altre forme di energia, dall’idroelettrico alla produzione di combustibili fossili onshore, hanno radici secolari.

Una ragione chiave è che è ovviamente più facile costruire sulla terra. I mari e gli oceani, al contrario, richiedono che qualsiasi infrastruttura sia galleggiante e/o ancorata al fondo del fondale marino, aggiungendo costi e vincoli ingegneristici. Tempeste regolari, o addirittura uragani nelle aree tropicali, aumentano la difficoltà di creare strutture che possano sopravvivere agli oceani.

Un altro fattore chiave è il sale marino. La salinità dell’oceano rende l’acqua di mare estremamente corrosiva per i componenti metallici, inclusi i sistemi di generazione di energia come le turbine. Ciò richiede l’applicazione di una complessa gamma di soluzioni personalizzate di rivestimento, oli e altre misure protettive per evitare che le infrastrutture energetiche vengano consumate dalla corrosione. La crescita di organismi marini dannosi come alghe e conchiglie (“biofouling”) può anche contribuire ai danni in mare, con il materiale organico che ostruisce e copre le macchine.

Infine, sebbene vasti, l’energia latente degli oceani è anche molto diffusa. Sulla terra, la geologia e la geografia tendono a concentrare naturalmente le risorse in depositi minerari, fiumi e corridoi di vento, qualcosa che la superficie piatta dell’oceano non fornisce.

Energia Eolica Offshore: Scalare in Mare

Come per praticamente ogni piattaforma energetica basata sul mare, l’eolico offshore tende a richiedere più capitale. La distanza dalle aree abitate e la corrosione dell’acqua salata aumentano anche i costi di manutenzione e possono ridurre la durata della turbina eolica e dei suoi componenti.

Ci sono, tuttavia, diversi vantaggi dell’eolico offshore:

  • Produzione più efficiente: i venti offshore sono più stabili, più potenti e soffiano più frequentemente rispetto a quelli terrestri.
    • Ciò porta non solo a una maggiore produzione ma anche a una più prevedibile, più vicina alla produzione di base rispetto alla generazione eolica onshore più intermittente.
    • In molte regioni, l’eolico offshore aumenta nel pomeriggio e alla sera, quando la domanda è al massimo.
    • Con la maggior parte della popolazione mondiale che vive vicino alla costa, i siti offshore sono spesso abbastanza vicini ai consumatori.
    • Un buon sito eolico in mare può essere molto più grande di quello onshore. Questo consente una maggiore scala.
  • Impatto ambientale ridotto. Riducendo l’uso del suolo e non disturbando l’ecosistema locale con strade di accesso e traffico in aree remote, l’eolico offshore può essere più ecologico rispetto a quello onshore.
    • L’area limitata dei parchi eolici può persino aiutare gli ecosistemi marini.
  • Meno opposizione: la distanza dai centri popolazionali e dalla vista limita notevolmente l’opposizione ai progetti eolici quando sono offshore. Le reazioni NIMBY (Not In My Back Yard) hanno un impatto molto minore.

A seconda della profondità, possono essere usati diversi ancoraggi per le turbine eoliche offshore.

Fonte: DoE

Man mano che la tecnologia eolica avanza, una nuova opzione è non costruire un pilastro gigante per una turbina gigante, ma un “muro di turbine” ancora più grande. Alcune unità sono in sviluppo per modelli da 40 MW e potrebbero raggiungere fino a 126 MW.

Un tale sistema sarebbe più adatto ad aree con venti molto forti e quasi costanti, come il Mare del Nord.

La concentrazione dei progetti eolici offshore in megaprogetti, come la North Sea Energy Island da 10 GW considerata dal gigante del settore Orsted, probabilmente diventerà una tendenza dominante in futuro, poiché riduce i costi di manutenzione e installazione condividendoli tra più turbine eoliche.

L’eolico offshore è destinato a rimanere la principale fonte di energia marittima non fossile del prossimo decennio, grazie all’abbondante energia eolica in mare e a una tecnologia già abbastanza matura.

Alcuni analisti stimano che l’eolico offshore potrebbe essere 12 volte più grande entro il 2040, con gli anni 2030 che vedranno molte nuove turbine eoliche galleggianti installate.

(Puoi leggere di più sul potenziale dell’energia eolica nel nostro rapporto dedicato “Can Wind Power The World?”)

Energia delle Maree: Energia Rinnovabile Prevedibile dalla Luna

Nonostante l’eolico sia la forma dominante di energia marittima, è l’effettiva energia delle maree quella più antica. Si tratta dello sfruttamento dell’energia generata dalla gravità della Luna che crea l’innalzamento e l’abbassamento del livello del mare con la marea.

Questo è stato inizialmente sfruttato con un mulino ad acqua che utilizzava il movimento del mare, invece di un fiume, per far girare la ruota del mulino. La prima centrale di energia mareale su larga scala è stata costruita nel 1966, con la Rance Tidal Power Station, in Bretagna, nel nord‑ovest della Francia.

Un vantaggio chiave dell’energia mareale è che è estremamente stabile e prevedibile, consentendo una produzione di base rinnovabile molto affidabile. Produce anche di notte e in inverno senza alcuna diminuzione, rendendola un buon complemento all’energia solare.

Tuttavia, è un modo difficile per raccogliere energia. Di solito richiede di trovarsi in una zona di alta marea o con una corrente forte che incanala la marea in uno stretto stretto. Questo ha storicamente limitato i siti potenziali per questa forma di energia. Significa anche che, nella maggior parte dei casi, è necessario costruire una diga mareale.

La rarità dei progetti mareali ha ostacolato il settore, poiché elimina le possibili economie di scala dalla produzione di massa, sostituendole con soluzioni personalizzate che richiedono progetti costosi.

“We are at the point where we’re demonstrating the technology reliably, and we’re scaling it up to commercial utility scale. What we’ve got to do is look at relatively small projects, just to demonstrate that the technology is reliable, overcoming environmental hurdles, and also build momentum and the scale we need.”

Seumas Mackenzie – Chief operating officer for tidal developer Nova Innovation

Ad oggi, sono considerati numerosi progetti, ma nessuno è prodotto in serie.

Fonte: IRENA

La necessità che le turbine si muovano costantemente nell’acqua di mare aumenta anche le difficoltà legate alla corrosione e al biofouling.

Nel complesso, è improbabile che l’energia mareale diventi presto un importante contributo al nostro rete elettrica.

Tuttavia, può essere una soluzione molto valida per isole isolate e regioni costiere, come dimostrato da progetti pilota nelle Isole Shetland e Orkney. Queste isole richiedono o una costosa connessione alla rete o importazioni di combustibili fossili.

Sfruttare le Correnti Oceaniche per l’Energia Rinnovabile

Sfruttare le correnti oceaniche profonde, che muovono una quantità enorme di acqua in modo costante, potrebbe fornire una fonte di energia molto potente, anche superiore a quella mareale, ed è attualmente una possibilità teorica.

Tuttavia, l’estrema profondità e la distanza dalla costa per l’installazione di tali strutture, così come il potenziale rischio di perturbare queste correnti, molto importanti per la regolazione climatica, non ne rendono una possibilità realistica nel prossimo futuro.

Tuttavia, correnti meno potenti ma più vicine alla costa potrebbero forse costituire un’opzione più realistica per questo concetto.

Energia delle Onde: Trasformare le Onde Oceaniche in Elettricità

Anche più onnipresente delle maree, le onde sono una parte naturale dell’oceano e una fonte teoricamente illimitata di energia, rappresentando quasi la metà del potenziale energetico dell’oceano (escluso il vento).

Fonte: IRENA

Qui, molti progetti sono ancora in fase di valutazione, senza che nessuno abbia dimostrato una chiara superiorità rispetto agli altri o sia prodotto in serie. In generale, l’idea è raccogliere energia attraverso l’innalzamento e l’abbassamento del livello dell’acqua, l’oscillazione di una boa o la rotazione di una boa.

Fonte: IRENA

Sebbene la prontezza tecnologica sia ancora inferiore rispetto all’energia mareale, l’energia delle onde potrebbe diventare un importante contributo entro il 2040, con l’Unione Europea che prevede 1 GW di produzione derivata dall’oceano entro il 2030 e 40 GW entro il 2040.

“I dispositivi per l’energia delle onde devono essere progettati per resistere e sopravvivere alle condizioni di tempesta, e questo potrebbe rappresentare una preoccupazione importante in un mondo che si riscalda, dove le tempeste diventano sempre più estreme.

C’è molta energia delle onde disponibile, ma è certamente più costosa e tecnicamente difficile da sfruttare.”

Conchúr Ó Brádaigh – Vice president of the Faculty of Engineering at the University of Sheffield

Questa sarà una soluzione energetica altamente dipendente dalla dimensione locale delle onde, con alcune regioni più adatte di altre. L’Atlantico del Nord, il Pacifico del Nord e il sud dell’Australia sembrano i migliori candidati.

Energia Termica Oceanica: Sfruttare il Calore Sottostante

(OTEC) sfrutta la differenza di temperatura tra l’acqua di superficie calda e l’acqua molto più fredda in profondità. Un gradiente termico come questo è teoricamente molto potente per la generazione di energia.

Fonte: Britannica

Per essere economicamente pratico, il differenziale di temperatura dovrebbe essere di almeno 20 °C (36 °F) nei primi 1 000 metri (circa 3 300 piedi) sotto la superficie.

Poiché maggiore è il gradiente, più alto è il potenziale di generazione di energia e più bassi i costi, questa è probabilmente una soluzione migliore per acque tropicali calde combinate con fondali marini che scendono rapidamente, in particolare nel Sud‑Est asiatico e al largo delle coste del Messico e del Brasile.

Le strutture OTEC possono essere sia onshore (con tubazioni che vanno nell’oceano) sia galleggianti. Mentre le superfici galleggianti hanno molti più siti potenziali, saranno più costose da costruire e mantenere. La produzione di energia offshore dovrebbe essere riportata a terra, sia tramite cavi elettrici sia tramite produzione in situ di idrogeno, metanolo o ammoniaca da trasportare ai centri di popolazione.

Un possibile effetto collaterale positivo dell’OTEC potrebbe essere quello di portare in superficie acque profonde ricche di nutrienti. Questo potrebbe essere utilizzato per l’acquacoltura marina ecologica e persino aiutare a catturare carbonio tramite la crescita del fitoplancton.

Fattorie Solari Galleggianti: Massimizzare la Superficie Marina per Energia Pulita

Oltre a utilizzare l’energia degli oceani stessi, i mari ci forniscono un’altra risorsa abbondante: l’area di superficie.

Al contrario della terra, spesso usata per fattorie o habitat naturali e relativamente costosa per metro quadrato, la maggior parte della superficie marina è relativamente improduttiva, soprattutto nelle aree tropicali ad alta radiazione solare.

Non ci sono nemmeno vicini o persone offesi dall’aspetto estetico di questi campi solari offshore. Questo rende la possibilità di campi solari galleggianti offshore attraente.

Fonte: RWE

Inoltre, la riflessione della luce solare dalla superficie del mare aumenta l’isolamento totale. Questo fenomeno potrebbe essere sfruttato ulteriormente per una maggiore generazione di energia grazie ai pannelli solari bifacciali.

L’acqua relativamente fredda aiuta anche a mantenere i pannelli freschi, migliorandone la durata e la resa massima.

Diversi altri paesi, dall’Africa, ai Caraibi, al Sud America e all’Asia Centrale, potrebbero soddisfare dal 40 % al 70 % della loro domanda annuale di elettricità distribuendo FPV. Anche paesi sviluppati come Finlandia e Danimarca potrebbero prelevare rispettivamente il 17 % e il 7 % della loro domanda annuale da tali fonti.

Tuttavia, ci sono alcuni rischi associati a questo design di fattoria solare.

La prima sfida è la presenza di sale. Non solo può causare i consueti rischi di corrosione sui sistemi elettrici sensibili e sulle strutture di supporto, ma i depositi di cristalli di sale dallo spray marino possono accumularsi sui pannelli, riducendo la loro efficienza di conversione fotoelettrica. Una possibile soluzione è posizionare la piattaforma dei pannelli solari più in alto sopra il livello del mare, come nel progetto pilota Yellow Sea No. 1 del developer cinese Huaneng Group.

Un altro potenziale problema sono le tempeste e gli uragani, che possono distruggere le strutture solari galleggianti molto prima che riescano a “rimborsare” l’energia necessaria per costruirle.

Quindi, in generale, invece di una struttura che galleggia direttamente sull’acqua come in un lago d’acqua dolce, le centrali solari marine potrebbero essere più probabilmente montate su piattaforme galleggianti non dissimili da mini‑impianti petroliferi.

Energia Geotermica in Acque Profonde: Una Frontiera Futuristica

Solo a livello teorico, questa è una forma di energia che a lungo termine potrebbe diventare importante per molti paesi, soprattutto quelli situati lungo il cosiddetto “Ring of Fire” intorno all’Oceano Pacifico.

Poiché la crosta oceanica è molto più sottile di quella continentale (4 miglia di spessore invece di 10‑43 miglia), è possibile raggiungere temperature molto elevate con perforazioni meno profonde.

Fonte: GeologyIn

Per sfruttare questa energia potenziale sarà necessario un ulteriore progresso nell’energia geotermica, un argomento di cui abbiamo discusso in dettaglio in “Energia Geotermica: Energia Verde Calda”.

È probabile che la forma finale di questa fonte energetica sarà la combinazione di perforazioni ultra‑profonde in mare (attualmente usate per la produzione di petrolio) e generazione di energia geotermica a ciclo aperto o chiuso.

Fonte: BGS

Uranio dall’Acqua di Mare: Una Nuova Fonte di Combustibile Nucleare

Oltre a vento, sole, maree e onde, l’oceano potrebbe anche essere una fonte di energia a basso contenuto di carbonio in modo sorprendente: essendo il più grande giacimento di uranio del pianeta.

L’acqua di mare contiene tracce di uranio disciolto, e l’enorme volume dell’oceano significa che qualsiasi processo efficiente per estrarre questa risorsa la trasformerebbe in una fornitura praticamente illimitata di combustibile radioattivo, con fino a 4,5 miliardi di tonnellate, quasi 1 000 volte più grandi delle riserve terrestri di uranio.

Abbiamo scritto di recente che un progresso tecnico che utilizza tessuto di fibra di carbonio trattato con sufficiente superficie per catturare ioni di uranio potrebbe consentire la raccolta di uranio tramite una reazione elettrochimica.

Combinato con centrali nucleari galleggianti, con un modello già sperimentato dalla Russia e prototipi testati da aziende come Danish Saltfoss, questo potrebbe rendere gli oceani il futuro dell’energia nucleare.

Fonte: Saltfoss

Biocarburanti Algali: Coltivare Energia dall’Oceano

Infine, un modo per il mare di produrre direttamente energia potrebbe essere raccogliere la crescita di microalghe per produrre biocarburanti e altri biomateriali come le plastiche.

Utilizzando l’acqua di mare, il biocarburante algale può risolvere il problema dell’approvvigionamento idrico per gli impianti di biocarburante, con le aree migliori che sono regioni semi‑desertiche con molta luce solare, ma risorse limitate di acqua dolce.

Per diventare commercialmente viable, questa tecnologia dovrà continuare a ottimizzare la resa delle alghe, gestire bene il rischio di contaminazioni delle colture e migliorare l’efficienza della conversione in carburanti utilizzabili come il biodiesel.

Idrogeno, Ammoniaca e Metanolo

L’acqua di mare potrebbe anche essere una fonte di materia prima per la produzione di idrogeno, in particolare tramite elettrolisi. In generale, la produzione di idrogeno dall’acqua di mare può essere problematica, poiché il sale può danneggiare gli elettrocatalizzatori. Ideale, quindi, è trasformare l’acqua di mare in acqua dolce prima, tramite desalinizzazione.

I processi di produzione di energia, desalinizzazione ed elettrocatalisi potrebbero essere fusi insieme come abbiamo discusso recentemente su un design che combina pannelli solari, desalinizzazione per evaporazione e produzione locale di idrogeno.

L’idrogeno prodotto potrebbe poi essere trasformato in ammoniaca o metanolo per una più facile immagazzinamento e trasporto del carburante verde.

Produzione di Idrogeno e Carburanti Verdi dall’Acqua di Mare

Desalinizzazione con Energia Solare: Soluzioni di Acqua Dolce più Verdi

Oltre a produrre energia direttamente dall’oceano, i mari potrebbero anche aiutare a sostituire attività che attualmente consumano enormi quantità di energia, riducendo le emissioni.

Il primo è la già citata desalinizzazione, che sta diventando una fonte cruciale di acqua dolce per molti paesi. Metodi di desalinizzazione migliorati che utilizzano la luce solare diretta che colpisce l’oceano potrebbero ridurre la domanda energetica per la produzione di acqua dolce.

Sistemi di Raffreddamento con Acqua di Mare: Condizionamento d’Aria Costiero Efficiente

Questo concetto è simile all’Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) in quanto sfrutta la temperatura molto più fresca delle acque profonde. Tuttavia, può essere molto più efficiente poiché non richiede la conversione in elettricità, ma utilizza semplicemente l’acqua fredda come refrigerante nei sistemi di condizionamento d’aria.

Questo sistema può risparmiare circa 42 % di energia rispetto a un sistema di aria condizionata convenzionale (2,6 km di tubazioni nell’oceano per raggiungere un’area a 930 m di profondità).

Progetti sperimentali di punta includono ENGIE’s 20 MW Thassalia e EDF’s 21 MW Massileo progetti.

Il limite di questo sistema è che richiede un sistema di aria condizionata centralizzato e pre‑esistente a cui collegarsi. Richiede inoltre che l’area costiera abbia un fondale marino sufficientemente ripido affinché la profondità richiesta possa essere raggiunta con una tubazione abbastanza corta.

Stoccaggio di Energia Sott’acqua: Idroelettrico a Pompa e Batterie a Gravità

Stoccaggio Idroelettrico a Pompa in Acque Profonde

Un’altra opzione per utilizzare il mare come energia è usarlo come una batteria.

Il primo metodo per farlo è lo stoccaggio idroelettrico a pompa in acque profonde. È un sistema simile allo stoccaggio idroelettrico a pompa che utilizza dighe e montagne, ma sfrutta la profondità dell’oceano.

Questo potrebbe risolvere un grande problema dello stoccaggio idroelettrico a pompa, ovvero la mancanza di siti disponibili di dimensioni sufficienti per scalare la tecnologia. È un problema sfortunato, poiché lo stoccaggio idroelettrico è una tecnologia provata e scalabile che può immagazzinare energia per settimane o mesi con poca perdita, e ha un’efficienza di stoccaggio notevole del 70‑80 %.

Un progetto pilota sta esplorando questa idea: StEnSea, o “Stored Energy in the Sea”.

Una serie di sfere di cemento cavo sul fondale marino a profondità di 600‑800 metri, dove la pressione è già considerevole.

Quando la domanda di elettricità è bassa, queste sfere vengono svuotate di acqua usando pompe elettriche, immagazzinando l’eccesso di elettricità. Quando la domanda aumenta, vengono riempite nuovamente, con la pressione che fornisce l’energia.

Questi sistemi potrebbero essere distribuiti insieme a parchi eolici offshore, consentendo loro di tamponare la produzione intermittente di energia eolica utilizzando lo stesso cavo di alimentazione per trasmettere l’energia alla riva.

La valutazione tecno‑economica mostra che il sistema StEnSea è competitivo nei costi rispetto allo stoccaggio idroelettrico a pompa convenzionale (PHES).

Un altro vantaggio è la configurazione modulare ottenuta combinando diverse unità StEnSea in un impianto. Questo aumenta la flessibilità dell’impianto e quindi la gamma di possibili applicazioni.

Batterie a Gravità Oceaniche: Immagazzinare Energia con la Profondità

Un’idea simile all’utilizzo della profondità dell’oceano è costruire batterie a gravità offshore. La batteria a gravità è un concetto di cui abbiamo parlato in “Alternative Non Chimiche alle Batterie per la Transizione Energetica”: oggetti ultra‑pesanti come roccia, blocchi di cemento o aggregati di minerale di ferro, vengono sollevati e abbassati per immagazzinare o generare elettricità.

I componenti chiave delle batterie a gravità sono anche piuttosto semplici e già prodotti in serie: ancore, cavi metallici, alternatori e motori elettrici. Le batterie a gravità hanno un’efficienza di stoccaggio energetico dell’80‑85 % e possono durare fino a 50 anni, senza utilizzare materiali o metalli rari. La generazione di energia può anche essere molto flessibile, reattiva e di lunga durata.

La limitazione dello “stoccaggio energetico solido” con la gravità è che l’energia immagazzinata a pochi decine o centinaia di metri non è molto grande. Quindi, idealmente ne serve molta, e una fossa mineraria o una scogliera, se possibile.

Una piattaforma galleggiante potrebbe stare sopra un’area con fondale marino profondo e abbassare o sollevare un peso per diverse migliaia di metri. Questo concetto è chiamato Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Un’azienda che lavora su questo concetto è la startup francese Sink Float Solutions.

“Attualmente, le gru offshore con la più grande capacità di carico possono sollevare masse di 4000 tonnellate, che, per una velocità verticale di 20 km/h, corrisponderebbe a una potenza di 200 MW. Diverse argani nello stesso sito possono essere usati in parallelo.”

Un vantaggio di questo metodo è che le parti esposte all’acqua di mare possono essere molto semplici, solo cavo metallico e roccia/cemento, lasciando i componenti elettrici ed elettronici sensibili ben al di sopra del livello del mare nella piattaforma galleggiante.

Considerazioni Finali: Cambiare la Rotta verso l’Energia Pulita

I mari e gli oceani della Terra sono forse le più grandi risorse energetiche inesplorate disponibili, dall’eolico offshore allo sfruttamento del gradiente termico delle acque profonde, maree e onde. Le stesse caratteristiche dell’acqua di mare potrebbero anche essere usate per la desalinizzazione o il raffreddamento.

La luce solare che colpisce il mare potrebbe anche essere usata per la produzione di idrogeno o biocarburanti, contribuendo a decarbonizzare i settori difficili da elettrificare.

Gli oceani potrebbero anche essere una fonte chiave di risorse o di futura produzione energetica, con, ad esempio, la purificazione dell’uranio dall’acqua di mare e l’energia geotermica offshore profonda.

Infine, potrebbero rappresentare un’opzione potente e scalabile per lo stoccaggio di energia, in particolare con batterie a gravità e idroelettrico a pompa in acque profonde.

Tuttavia, tutte queste possibilità devono essere valutate alla luce delle difficoltà molto reali create dalla corrosione del sale, dai depositi di sale, dal biofouling e da violente tempeste & uragani.

Paradossalmente, le soluzioni a questi problemi probabilmente beneficeranno notevolmente dall’esperienza di lunga data dell’industria oil&gas nella costruzione di piattaforme offshore e nella manutenzione di macchinari complessi e fragili in mare.

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Jonathan è un ex ricercatore di biochimica che ha lavorato nell'analisi genetica e nei trial clinici. Ora è un analista di mercato e scrittore di finanza con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione The Eurasian Century.