Ing. Marianna Santoriello Jim Morrison DESCRIZIONE GEOGRAFICA DEGLI OCEANI L’oceano è inteso come l’insieme degli oceani e dei mari distribuiti con continuità sulla superficie terrestre. La geografia distingue i corpi idrici marini in: oceani, mari aperti, mari interni e mari chiusi. Gli oceani hanno estensione superiore ai continenti, mentre i mari aperti, mari interni e quelli chiusi hanno estensione inferiore. VENTI, ONDE, CORRENTI, MAREE VENTI CORRENTI ONDE MAREE ROSA NAUTICA DEI VENTI I venti prendono il nome della direzione di provenienza; la “rosa nautica dei venti”. Essa è un cerchio diviso in 32 parti dette “quarte” o “rombi” con angolo al centro di 11° 15’, è possibile rappresentare le quarte e i venti più noti detti principali: da N, Tramontana da E, Levante Cardinali da S, Mezzogiorno da W, Ponente da NE, Greco da SE, Scirocco Laterali da SW, Libeccio da NW, Maestro GENERAZIONE DEI VENTI L’aria può muoversi verso l’alto o verso il basso non meno che orizzontalmente. Si usa comunemente la parola “vento” per indicare soltanto quest’ultimo moto. Quando un metereologo dice “soffia un vento da Est” vuol dire che l’aria si muove orizzontalmente da Est verso Ovest. I moti verticali dell’aria sono chiamati comunemente correnti. I venti possono andare dalla calma fino a più di 100 m/sec in un tornado. Vicino al suolo la velocità media del vento varia da 5 a 20 m/sec circa. Se la Terra e l’atmosfera fossero a eguale temperatura non ci sarebbe motivo di spostamento dell’aria da una regione all’altra, cioè non esisterebbero i venti. La loro genesi è da attribuirsi alla differenza di temperatura esistente fra la superficie terrestre e l’atmosfera entrambe riscaldate dal sole, ma in maniera diversa. ANDAMENTO DELLA VELOCITA’ LUNGO LA VERTICALE Lo spessore dell’atmosfera a contatto con la superficie terrestre (sotto la regione geostrofica), può esser diviso in due sezioni: uno strato di forza costante fra 10 e i 100m in altezza, e sopra di esso la regione di Ekman. La variazione verticale della velocità del vento può esser descritta secondo la seguente relazione: Uz = velocità del vento alla quota z sul l.m.m. U* = velocità di attrito = ρU² k = costante di von Karman (0,4) Z0 = la rugosità o scabrezza della superficie Ψ = rappresenta gli effetti della stabilità della colonna d’aria sulla velocità del vento. L = la scala della lunghezza associata al processo di mescolamento che dipende dalla differenza di temperatura aria – mare . Se z è pari o minore di 20 m, può esser utilizzata la seguente relazione: ONDE GENERATE DAL VENTO Sono riportate alcune notazioni riferite a un’onda periodica o regolare. Cresta: punto più elevato della superficie d’acqua. Cavo: punto più depresso della superficie d’acqua. Altezza d’onda: distanza verticale dal cavo alla cresta H. Ampiezza d’onda: metà dell’altezza dell’onda. Lunghezza d’onda: distanza orizzontale tra due creste consecutive L. Periodo: intervallo temporale fra due creste successive, T. Velocità di fase: L/T Ripidità: H/L Fronte d’onda: luogo dei punti di fase costante. La direzione di propagazione del moto ondoso viene descritto dalle ortogonali d’onda che sono traiettorie ortogonali ai fronti d’onda. Numero d’onda : k= 2π/L Frequenza angolare: ω= 2π/T Celerità dell’onda: c = L/T MOTO ONDOSO Le caratteristiche del moto ondoso variano a secondo che si consideri il mare aperto o le vicinanze della costa. Nel primo caso si hanno onde di oscillazione: ogni particella d’acqua superficiale è soggetta ad un moto circolare, su di un piano verticale, senza subire traslazione. Nel 1802, il fisico Boemo Gerstner aveva intuito che le onde si propagano per trasferimento di energia cinetica, senza trasporto di materia. Anche le particelle sotto la superficie compiono un movimento circolare, ma a causa dell’attrito interno, esso decresce in ampiezza man mano che ci si allontana dalla superficie. La profondità massima a cui arriva il moto ondoso dipende dalla lunghezza e dall’altezza dell’onda. Avvicinandosi alla costa i cerchi diventano delle ellissi e sul fondo si ha un movimento orizzontale che trascina la sabbia avanti e indietro. Diminuendo la profondità, si ha anche un rallentamento della velocità di propagazione per cui le onde si avvicinano l’una all’altra. Quando l’onda è ormai prossima alla costa, l’attrito con il fondale ne frena maggiormente il cavo della cresta che, avanzando a maggior velocità si sbilancia in avanti e precipita spumeggiando: si formano così i frangenti di spiaggia. Il moto da ellittico diventa orizzontale e genera un’onda di traslazione che trasporta l’acqua verso riva. LE CORRENTI MARINE Si suddividono in: Correnti di gradiente Correnti di deriva Correnti inerziali Correnti di marea In base alla profondità Correnti superficiali Correnti profonde In base alla temperatura Correnti calde e fredde Correnti marine: Le principali correnti marine, presente in tutti i mari, possono in qualche modo esser paragonate a fiumi che si muovono con velocità lenta ma, costante scorrendo in un alveo inesistente, e le loro acque sono diverse da quelle che la circondano per temperatura, salinità e spesso anche per “colore” (più o meno torbide). Le correnti sono quindi movimenti di massa d’acqua che si originano per ripristinare condizioni di equilibrio tra zone diverse di mare. Nelle acque marine vi sono diversi fattori che possono variare, come ad esempio la salinità e la temperatura, che determinano variazioni di densità. Correnti di gradiente: sono causate da differenze di pressione sulla superficie del mare o anche da differenze di densità tra masse d’acqua contigue. Si formano quando esistono dislivelli della superficie delle acque causati dall’azione del vento, o perché masse d’acqua vicine hanno densa temperatura o salinità. Correnti di deriva: queste correnti si formano quando masse d’aria, spinte da venti costanti, trascinano masse d’acqua adiacenti grazie all’attrito. Questo è quanto succede, per esempio, nel caso della corrente nord equatoriale causata dagli Alisei, venti costanti equatoriali. Correnti inerziali: sono pertanto correnti che tendono a ruotare, e sono frequenti in bacini costieri o comunque in specchi acquei dove mutano spesso le condizioni idrologiche e meteorologiche. L’intensità di queste correnti è proporzionale alla velocità iniziale e può arrivare anche a 10/30 cm/sec. Correnti di marea: sono strettamente legate agli innalzamenti ed agli abbassamenti del livello del mare, ma il loro moto risulta sfasato rispetto a questi movimenti. Le correnti di marea coinvolgono tutta la massa d’acqua dalla superficie al fondo e risentono anch’esse della forza geostrofica, tendendo a ruotare in senso orizzontale. In base alla profondità si distinguono in: Correnti superficiali: sono correnti che si muovono entro i 200 metri di profondità. Tra le più note e studiate vi è ancora la Corrente del Golfo, quella del Labrador e quella del Humbolt. Correnti profonde: le correnti profonde sono spostamenti di acqua molto lenti e non sempre facili da studiare, una corrente profonda, ad esempio, esce dal Mediterraneo verso l’Atlantico attraverso lo Stretto di Gibilterra. In base alla temperatura si distinguono in: Correnti calde e fredde: le correnti calde sono quelle che hanno temperatura superiore a quella delle acque circostanti. Le fredde hanno invece temperatura inferiore a quella delle acque circostanti. LE CORRENTI OCEANICHE LE MAREE NELLA STORIA I fenomeni delle maree erano ben noti agli antichi. “Plinio”, nella sua NATVRALIS HISTORIAE scrive: “….molto è stato detto sulla natura delle acque, ma il fenomeno più stupefacente è il flusso è il riflusso delle maree, che, è vero, assume varie forme, ma è causato dal sole e dalla luna. La marea sale due volte e scende due volte tra due successivi levarsi della luna, sempre nello spazio di 24 ore. Prima la luna sorge con le stelle e fa salire la marea, dopo un po’, raggiunta la sommità del ciclo, declina e tramonta, e la marea decresce. Dopo esser tramontata, la luna attraversa i cieli sotto la terra, e quando si avvicina al meridiano opposto la marea sale di nuovo; quindi rifluisce finché la luna sorge di nuovo dalla nostra parte. Ma la marea del giorno successivo non capita mai alla stessa ora di quella del giorno precedente …..”. LE MAREE Il fenomeno delle maree consiste in oscillazioni periodiche con innalzamenti (flussi) e abbassamenti (riflussi) ritmici del livello del mare. La fase di massimo sollevamento delle acque si chiama alta marea, quella di massimo abbassamento prende il nome di bassa marea. La differenza tra l’altezza raggiunta dell’acqua durante l’alta marea e quella raggiunta durante la bassa marea è detta ampiezza di marea. L’ampiezza di marea varia da luogo a luogo, dipende dalle dimensioni e dalla forma dei bacini marini. LINEE COTIDALI Per la rappresentazione grafica delle maree al largo si utilizzano le cosiddette linee cotidali. Un esempio che possiamo fare, consideriamo la linea IV indica il luogo dei punti nei quali si ha l’alta marea 4 ore lunari dopo il transito della luna sul meridiano di Greenwich. Dall’esame delle linee cotidali si ricava facilmente il verso di propagazione dell’onda di marea. POTENZIALE ECONOMICO DEI MARI E DEGLI OCEANI I nostri mari e i nostri oceani possiedono il potenziale necessario per diventare fonti importanti di energia pulita. Sfruttare il potenziale economico dei mari e degli oceani in modo sostenibile è un elemento chiave della politica marittima dell’UE. Il settore dell’energia oceanica è stato recentemente evidenziato nell’ambito della strategia della Commissione sulla crescita blu come uno dei cinque settori in via di sviluppo dell’economia blu che potrebbero contribuire a incentivare la creazione di posti di lavoro nelle zone costiere. HORIZON 2020 A partire dagli anni ’80 l’UE ha inoltre finanziato vari progetti nell’ambito dei programmi quadro di ricerca e del programma “ Energia intelligente per l’Europa”, per un importo massimo di 90 milioni di euro. “Horizon 2020”, il nuovo programma dell’UE per la ricerca e l’innovazione, consentirà di affrontare sfide sociali importanti, in particolare in materia di energia pulita e di ricerca marina. Si tratta dunque di un nuovo potente strumento che potrà essere sfruttato per guidare il settore dell’energia oceanica verso l’industrializzazione, la creazione di nuovi posti di lavoro e la crescita economica. ENERGIA EOLICA OFF-SHORE Alla fine del 2012 il settore dell’energia eolica offshore comprendeva quasi 5 GW di capacità installata, ripartita tra 55 centrali offshore in 10 paesi europei. Nei primi sei mesi del 2013 sono state messe in servizio 277 nuove turbine eoliche offshore, con una capacità supplementare di 1 GW. Entro il 2020 la capacità totale installata dovrebbe raggiungere i 43 GW, con una produzione pari a circa il 3% del consumo totale di elettricità dell’UE. ENERGIA EOLICA OFF-SHORE Questo tipo di energia sembra presentare maggiori vantaggi rispetto alla produzione di energia eolica terrestre: le unità di produzione in mare sono più grandi di quelle sulla terraferma, i venti sono più forti e più stabili in mare rispetto alla terraferma e i parchi eolici in mare destano meno preoccupazioni tra le popolazioni vicine. Si stima che entro il 2020 la capacità installata di dette unità possa essere da 30 a 40 volte superiore a quella attuale. PARCO EOLICO OFF-SHORE Negli ultimi anni la politica di produzione di energia eolica ha rivolto la sua attenzione alla realizzazione di parchi eolici off-shore, in quanto presentano una maggiore efficienza da un punto di vista dello sfruttamento del potenziale eolico e caratterizzati da impatti ambientali e visivi generalmente inferiori rispetto agli impianti installati a terra. La grossa difficoltà nella realizzazione di installazioni di questo tipo è la contemporanea presenza sia di condizioni climatiche ottimali, sia di conformazioni geomorfologiche della piattaforma continentale che rendano la costruzione e la manutenzione di questi parchi appetibile da un punto di vista economico. In questo senso le zone più appropriate dove installare questo tipo di impianti risultano essere mari poco profondi caratterizzati da facile accessibilità per i mezzi di manutenzione e localizzati in zone dove lo svolgimento di altre attività umane, quali la pesca e la navigazione, non siano disturbate o penalizzate dalla presenza delle torri degli areogeneratori e da tutte le infrastrutture accessorie. ELEMENTI COSTITUTIVI DI UN PARCO EOLICO OFF-SHORE 1. Opere di fondazione delle torri eoliche. 2. Turbine eoliche. 3. Elementi di sostegno della turbina eolica. 4. Cavi di interconnessione tra le turbine. 5.Cavi di collegamento sottomarini che trasportano l’energia sulla terraferma. 6. Cabina di trasformazione a terra necessaria per elevare la tensione prodotta dagli alternatori alla tensione della rete elettrica nazionale. Una centrale eolica è un insieme di elementi tecnici e di innovate tecnologie, capace di produrre energia elettrica pulita e rinnovabile. Si tratta di un’opera di ingegneria relativamente semplice fondata su di un principio elementare che sfrutta l’energia cinetica del vento, combustibile naturale la cui forza è tale da mettere in movimento le tre pale che compongono la turbina fissate ad un rotore il cui asse è collegato all’interno di un generatore elettrico capace di produrre energia elettrica. Maggiore è l’altezza della torre ove ubicare il generatore, maggiore sarà la capacità di captazione dell’energia cinetica, quindi la sua trasformazione in energia elettrica. ENERGIA OTTENIBILE DAL VENTO (TEORIA DI ALBERT BETZ) La quantità di energia che il vento trasferisce al rotore dipende da: Densità dell’aria: l'energia cinetica di un corpo in movimento è proporzionale alla sua massa (peso) quindi dipende dalla densità. Più pesante è l’aria, maggiore sarà l’energia ricevuta dalla turbina. A 15°C a pressione atmosferica l’aria ha una densità di 1.225 kg/m3 , valore che diminuisce leggermente con l’aumentare dell’umidità e col diminuire della pressione ed aumenta col diminuire della temperatura. Area del rotore: essa aumenta con il quadrato del diametro essendo l'area del cerchio πD²/4, questo significa evidentemente che se raddoppio il diametro del rotore, la turbina riceverà quattro volte più energia. Velocità del vento: l’energia cinetica del vento è Ec= 1/2mv², mentre il momento è M0=mv, quindi la potenza per unità di area sarà P=EcM 0 e quindi la potenza ottenuta sarà proporzionale alla terza potenza della velocità del vento. Se la velocità del vento raddoppia, la potenza sarà otto volte maggiore. In realtà non tutta l’energia posseduta dal vento può essere assorbita dal rotore, come dimostrato nella teoria di Betz. Albert Betz ha dimostrato che solo una parte, e precisamente il 59,3%, della potenza posseduta dal vento può essere teoricamente assorbita dal rotore. Il perché è facilmente intuibile, infatti per cedere tutta la sua energia il vento dovrebbe ridurre a zero la sua velocità immediatamente alle spalle del rotore, con l'assurdo di una massa in movimento prima e di una massa d'aria perfettamente immobile immediatamente dopo. In realtà il vento, passando attraverso il rotore, subisce un rallentamento e cede parte della sua energia cinetica, questo rallentamento avviene in parte prima e in parte dopo il rotore. IMPATTO AMBIENTALE DOVUTO A PARCHI EOLICI OFF-SHORE L’energia eolica è una fonte rinnovabile, non richiede alcun tipo di combustibile perché utilizza l’energia cinetica del vento (conversione dell’energia cinetica del vento, dapprima in energia meccanica e poi in energia elettrica) che è pulita, perché non provoca emissioni dannose per l’uomo e per l’ambiente. Gli impatti ambientali sono da ricercare durante la fase di realizzazione ed esercizio del parco eolico sotto vari aspetti. Durante la fase di realizzazione di una centrale eolica i fattori impattanti di cui tenere conto sono: Occupazione di area marina e di suolo; Movimentazione del fondale marino (e conseguente parziale distruzione) a causa della realizzazione delle fondazioni delle turbine, della posa dei cavi e della realizzazione della sottostazione; Traffico navale e aereo indotto con conseguente dispersione di oli e soluti; Limitazione dell’area alle attività di pesca o a rotte navali; Alterazione della qualità dell’acqua per attività di cantiere; Emissioni di rumore e vibrazioni. Mentre nella fase di esercizio abbiamo: Occupazione di suolo e di area marina; Presenza fisica dell’opera; Emissioni di rumore e vibrazioni; Generazione di campi elettromagnetici da parte dei cavi elettrici; Traffico navale e aereo determinato dalle attività di manutenzione; Alterazione del fondale dovuta all’introduzione delle fondazioni delle turbine. Durante la fase di esercizio gli impatti di maggiore entità riguardano l’avifauna e il paesaggio. IMPATTO VISIVO L’impatto paesaggistico dei parchi eolici offshore è una delle principali fonti di discordia nell’installazione di questo tipo di impianti ed è importante stabilire dei criteri per poter quantificare l’impatto paesaggistico degli aereogeneratori, osservatore. Il problema maggiore sorge nel momento in cui viene alterato in maniera percettibile dalla costa il profilo dell’orizzonte. Il più delle volte, le zone adatte per le installazioni si trovano in ambienti isolati di natura incontaminata che hanno il loro maggiore valore proprio in questo aspetto e che ovviamente verrebbero deturpati ed impoveriti dalla costruzione di un parco eolico. Gli ecologisti stessi si trovano divisi nello schierarsi contro o a favore, evidenziando come questo aspetto sia tra i più importanti da prendere in considerazione prima di pianificare la realizzazione di tali opere. Ad ogni modo, considerando che queste strutture si trovano ad una certa distanza dalla costa e la zona è soggetta a bassa visibilità dovuta a fenomeni metereologici come le nebbie e le brume, in una prima analisi, l’impatto sul paesaggio può essere considerato trascurabile. IMPATTO ACUSTICO E INTERFERENZA SULLE COMUNICAZIONI Impatto acustico Il rumore emesso da una centrale eolica non è percettibile dalle abitazioni, poiché una distanza di poche centinaia di metri è sufficiente a ridurre il disturbo sonoro. In generale, la tecnologia attuale consente di ottenere, nei pressi di un aereogeneratore, livelli di rumore alquanto contenuti, tali da non modificare il rumore di fondo che a sua volta è fortemente influenzato dal vento stesso, con il risultato di mascherare ancor più il contributo della macchina. E’ bene segnalare che il ronzio degli aerogeneratori è ben al di sotto, in termini di decibel, del chiasso di un ufficio pubblico o del rumore che sentiamo stando in automobile o in mezzo al traffico, senza mai arrivare a quello di molte industrie attive nelle periferie delle città. Lo stesso vento che soffia, di per sé, certe notti fa più rumore di una wind farm. Interferenze sulle comunicazioni La macchina eolica può influenzare: le caratteristiche di propagazione delle telecomunicazioni (come qualsiasi ostacolo), la qualità del collegamento in termini di segnale-disturbo e la forma del segnale ricevuto con eventuale alterazione dell’informazione. Una adeguata distanza degli aereogeneratori fa sì che l’interferenza sia irrilevante. FLORA E FAUNA Sulla base delle informazioni disponibili, si può affermare che le possibili interferenze di qualche rilievo degli impianti eolici con la flora e la fauna riguardano solo l’Impatto dei volatili con il rotore delle macchine. In particolare, le specie più influenzate sono quelle dei rapaci. Gli uccelli migratori sembrano adattarsi alla presenza di questi ostacoli e in genere le collisioni sono molto contenute. ENERGIA MARINA Il mare è riserva di energia Il termine “Energia Marina”, viene comunemente utilizzato in riferimento all’energia di marea o all’energia ondosa; ciò nonostante è importante ricordare che molte altre tipologie di energia possono essere estratte dal mare. In particolare l’energia marina si manifesta nelle seguenti forme: 1) Energia d ai gradienti salini; 2) Energia d ai gradienti termici; 3) Energia d alle maree; 4) Energia d alle corrent i marine e dalle corren ti di marea 5) Energia d ; a onde. ENERGIA A GRADIENTE SALINO L’energia a gradiente salino, detta anche energia osmotica, è l’energia legata alla differenza di concentrazione salina fra l’acqua di mare e l’acqua dolce. L’energia osmotica, che si libera in elevate quantità alla foce di un fiume, dove l’acqua dolce si mescola con la salata, può esser convertita in energia utile mediante l’impiego di una membrana semipermeabile, che separa l’acqua dolce da quella salata: il liquido a bassa salinità passa attraverso la membrana nella soluzione a salinità maggiore generando una sollevazione del livello dell’acqua salata e creando quindi un salto sfruttabile con tecnologie idroelettriche tradizionali. ENERGIA DAI GRADIENTI TERMICI Le acque superficiali, più calde, consentono di far evaporare sostanze a basso punto di ebollizione, come ammoniaca e fluoro; i vapori ad alta pressione; mettono in moto una turbina ed un generatore di elettricità, passano in un condensatore e tornano allo stato liquido raffreddati dall’acqua aspirata dal fondo. L’OTEC è una tecnologia che si presenta vantaggiosa solo nei mari tropicali, dove la differenza tra le acque di superficie e quelle profonde , è di circa 20°, differenza sufficiente a garantire la produzione di una quantità di energia economicamente, sfruttabile. Mostra i gradienti di temperatura oceanica esistenti nel mondo: le zone dal giallo al rosso sono le zone idonee per il principio dell’OTEC. Sfruttamento del gradiente termico al fine di produrre energia elettrica. ENERGIA DELLE MAREE La marea è il ritmico innalzamento e abbassamento del livello del mare provocato dall'azione gravitazionale della Luna e del Sole. Le maree, solitamente, presentano un’ampiezza (dislivello tra l’alta marea e la bassa marea) inferiore ad 1 metro. In alcune zone, per la particolare configurazione del sito, i dislivelli possono essere particolarmente elevati, tali da prestarsi ad essere sfruttati per la produzione di energia elettrica mediante centrali di marea. In fase di alta marea, quando l’onda di marea è sufficientemente alta, l’acqua fluisce in un vasto bacino passando attraverso una serie di tunnel, nei quali aziona delle turbine collegate a dei generatori. Durante la bassa marea, al contrario, l’acqua del bacino defluisce verso il mare aperto e nuovamente mette in rotazione le turbine poste all’interno dei tunnel. Le turbine impiegate negli impianti di mare sono turbine di tipo reversibile, capaci cioè di azionarsi per entrambe le direzioni del flusso. ENERGIA DELLE CORRENTI MARINE E DI MAREA Le correnti di marea, nello specifico, sono particolari correnti marine che hanno origine dall'escursione mareale; l'energia delle correnti di marea rappresenta una delle fonti più interessanti ed inesplorate tra le fonti di energie rinnovabili. Le correnti marine sono dotate di energia cinetica e possono pertanto essere sfruttate con lo stesso principio utilizzato per l’energia eolica: con generatori ad asse orizzontale, nel caso di correnti marine costanti, come quelle presenti nel Mediterraneo; con generatori ad asse verticale, nel caso di correnti di marea, cambiando queste direzioni di 180° più volte nell’arco di una giornata. DISPOSITIVI DEL TIPO OWCs (OSCILLATING WATER COLUMNS) I dispositivi per la conversione dell’energia ondosa di tipologia OWC (Oscillating Water Column) sono denominati anche “Convertitori a colonna d’acqua oscillante” e presentano un principio di funzionamento simile a quello delle turbine eoliche, poiché impiegano turbine ad aria per produrre energia. Gli OWCs sono costituiti, in generale, da una camera parzialmente sommersa in comunicazione con l'ambiente marino circostante grazie ad un'apertura sul fondo, situata sotto il livello dell'acqua; l'onda viene catturata all'interno della struttura e si forma una colonna d’acqua che sostiene nello spazio sovrastante un certo volume di aria; questo volume viene periodicamente diminuito o aumentato in funzione dei movimenti di compressione/decompressione esercitati dalle onde che entrano ed escono dal dispositivo; l'effetto è quello di forzare l'aria nei due sensi attraverso le lamine di una turbina che nella maggior parte dei casi ruota in una sola direzione, indipendentemente dal verso del flusso (turbina Wells); il movimento meccanico della turbina aziona un motore da cui si genera una corrente elettrica.