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Giovedì, 14 Dic 2017

Convertitori di energia marina su scogliere soffolte

 

Ing. Pierfranco Ventura

Ing. Manlio Palmarocchi

di STES - Scienziati e Tecnologi per l'Etica dello Sviluppo

 

CONVERTITORI DI ENERGIA MARINA SU SCOGLIERE SOFFOLTE CON RECUPERO DELLA PROTEZIONE DELLE COSTE

 

1.CONTRIBUTI E LIMITI NELLA PROTEZIONE DELLE COSTE

 

I tradizionali interventi di protezione nei casi di elevata erosione delle coste sono incentrati sul ripascimento artificiale con sabbia prelevata a largo e su scogliere in roccia variamente orientate davanti ai litorali in erosione o pennelli fino ai rivestimenti ed alle difese rigide aderenti.
Altri sistemi di prevenzione e protezione delle coste,specie in casi di contenuta erosione, rientrano negli interventi d’ingegneria naturalistica e si articolano in conservazione delle dune costiere con integrazioni e graticciate in più strati con vegetazione raffittita nei primi anni, vivai di praterie marine piantumate in materassi, barriere frangivento e vegetazione costiera fino alla demolizione del retrospiaggia e ricostituzione della macchia mediterranea o cuneo vegetale che innalza il vento dal litorale eroso.
Tali interventi di protezione delle coste presentano vari limiti fino a rischi di sprechiin funzione della energia del mare e della batimetria del sito da proteggere.
In presenza di elevata erosione delle coste, specie dove sono state tolte le dune e la macchia mediterranea, gli interventi naturalistici di piantumazione o di fascinate e simili sono rapidamente passibili di essere distrutti dal vento, l’uso invece di estesi materassi stabilizzanti il fondale ha dato buoni contributi antierosione.
In presenza di dune i validi interventi naturalistici di conservazione specie di nuova vegetazione rischiano di non attecchire in assenza di fondi per la manutenzione pluriennale.

 

Il ripascimento artificiale comporta il prelievo della sabbia da cave marine a largo tramite sorbone, rovinando i fondali più delle reti a strascico, ed il pompaggio sulle spiagge per la balneazione estiva con riporti anche innaturali sia granulometricamente (prelievi a terra) che planimetricamente (spiagge mai esistite).

L’asportazione e dispersione sistematica della sabbia durante le mareggiate invernali, oltretutto, insabbiano eventuali porti vicini ed intaccano nuovamente la spiaggia scalzandola a cerchiin particolare fra le scogliere.   
Interventi di protezione delle spiagge conscogliere o con difese rigide aderenti, modificando le correnti e le onde frangenti, esaltano l’erosione nei tratti limitrofinon protetti, specie a distanze entro il doppio della lunghezza della scogliera; si verifica inoltre uno scalzamento del fondale al piede della scogliera che esalta le onde sopraflutto ele mareggiate invernali con conseguente scoscendimento che comporta la sistematica ricarica sommitale nota nel campo della manutenzione dei lavori marittimi come “primaverizzazione”.

 

Le scogliere se non ben localizzate possonorovinare l’ecosistema dei sedimi del fondale, impedire il ripascimento naturale della sabbia per la formazione di barre, secche ed attecchimento delle praterie marine, come pure dar luogo a fenomeni di eutrofizzazione con crescita di alghe in caso di eccesso di fertilizzanti agricoli nell’acqua carente di ricambio e ossigenazione,essendo impedito il flusso marino verso il largo.
Il potenziale ripristino del sistema naturale di protezione delle coste è fortemente alterato e reso dipendente dalle scogliere, con inoltre un grave impatto negativo sul paesaggio litoraneo e l’attrattività turistica, con conseguenti perdite economiche private e demaniali.
La tematica della difesa delle coste e del recupero di energia deve tener conto soprattutto della variazione del moto ondoso da solo verticale in mare aperto (offshore) a sotto costa (inshore) dove s’instaura lo spostamento superficiale dell’acqua marina verso la spiaggia (cross-shore)e le correnti verso largo sul fondale rendendolo passibile di erosioni,vanno poi considerate le correnti più o meno costanti e più o meno intense che spesso seguono la linea della costa (correnti litoranee).


La realizzazione del ripascimento artificiale protetto al piede da scogliere soffolte sommerse, posizionate a tratti per favorire il ripascimento naturale ed ubicateall’internonell’inshore,presenta una buona protezione sperimentalmente validata ed a bassa manutenzione.
Si evidenzia in proposito che le correnti litoranee o parallele alla costa(long-shore), specie in presenza dialteratevariazioni artificiali dei paraggi delle coste,possanocreare erosioni importanti, analogamente contenibili con le scogliere soffolte.

 

2. COSTI DEL RIPASCIMENTO E DELLE SCOGLIERE

 

I costi preliminari,da valutare su una lunghezza significativa di fascia litoranea,riguardano le indagini articolate nei rilievi batimetrici, rilieviaerofotogrammetrici e satellitaridelle mareggiate, valutazione dello spettro delle onde più rappresentativo dei venti prevalenti nel settore di traversia,campoboe preliminari per rilevamenti stagionalia varie distanze dalla costa del passaggio dall’offshore all’inshore, rilievo geomorfologico, prove geotecniche sui sedimi del fondale ed analisi idrodinamica del progettodegli interventi specie di ancoraggio e zavorramento.
I costi delmonitoraggio per controllare in esercizio i provvedimenti antierosione, validarne l’efficienza eprogrammare  la manutenzione, in base al metodo osservazionale previsto dalla normativa vigente, nella fase di Ricerca,sonodell’ordine del5% dell’importo lavori.

 

Si possono installare ondametri offshore, correntometriinshore(da 3D Doppler, al micro mulinello fino a consumo di gesso)e svolgere l’elaborazione periodica dei dati in modo da programmarele ispezioni subacquee ed i controlli batimetrici almeno per i primi 5 anni(follow-up).
I costi dei lavori di ripascimentodipendono soprattutto dall’assortimento granulometrico, dal rapporto di consistenza fondale/riporti, dall’estensione e pendenza batimetrica del fondale dell’inshoreche condiziona le correnti indotte dal moto delle onde e risente molto della ciclicità termica del vento terra-mare, rispetto all’offshore caratterizzato da venti e correnti a largopiù intense , in quanto non condizionate dal fondale poco profondo.
Una fascia di ripascimento  a puro titolo di esempio lunga 1 km ed estesa 350 m per il ripristino sia della spiaggia sia del fondale stabilizzato, con spessore medio di 1 m comporta 350000 metri cubi di sabbia,con sottrazione a largo equivalente ad un cubo di 70 m di lato di dragaggio.

 

Se si considera un costo medio della sabbia satura non pulita sciolta da cava marina dell’ordine di 8€/m3risulta uncosto iniziale del ripascimento dell’ordine di 3 milioni di euro, rapidamente crescente se si effettuanosistematici ripascimenti dopo ogni erosione invernale, specie nei litorali alle foci dei fiumi con a monte dighe, per carenza di trasporti solidi.
La manutenzione è ancor più accentuata se il ripascimento ripristina solo la spiaggia o esigui tratti del fondale per carenza delle indagini, progetto e monitoraggio predetti.
Per ridurre le successive erosioni si realizzano delle scogliere soffolte di massi naturali al piede del ripascimento artificiale, per cui ad esempio con massi di roccia sommersi a sezione trapezia, in parte autoaffondante nei sedimi del fondale, con scarpate estese il doppio di quelle all’asciutto e con mantellata per trattenere la sabbia,il costo s’incrementa di massima di 1 milione di euro, con costi complessivi iniziali dell’ordine di4 milioni euro/kmper l’esempio schematizzato.
Tale stima è riducibile alla scogliera soffolta con il solo ripascimento naturale, con tempi di ricostituzione del litorale ovviamente più lunghi.
Si aumenta la vita del ripascimento con costi dimanutenzione marginali, altrimenti notevolmente più elevati, cumulati negli anni in assenza dalla protezione soffolta a margine del ripascimento artificiale e letteralmente dispersi a mare.

 

I costi poi delle scogliere vicino alle coste variano con la distanza dalla cava di roccia e crescono rapidamente con la profondità del fondale, essendo la basedella fondazione il lato lungo di una sezionea trapezio alto fino all’emersione per il frangimento delle onde.
I costi incrementano ulteriormente a seconda dell’entità delle ricariche sommitali di manutenzione dopo lo  scalzamento causato dalle mareggiate.

 

3. CONTRIBUTI E LIMITI NELLA PRODUZIONE DELL’ENERGIA MARINA

 

Grande fermento di brevetti si è sviluppato negli ultimi decenni per la produzione di energia marina a partire peraltro dai primi progetti illuministi di macchine idrauliche, fino alle stime attuali di contributi in TWh/anno della produzione ecologica di energia rinnovabile.
La produzione di energia marina, che in Italia è ancora lontana da realizzazioni commerciali, presenta una forza potenziale immensa e tale che l’innovazione tecnologica non può permettersi di trascurarla economicamente, specie come si propone nel successivo paragrafo se si accoppia la produzione di energia marina alle barriere per la protezione delle coste dall’erosione.

 

L’ENEA è interessata alla scelta dei siti e nelle Università di Napoli, Milano, Torino sono stati elaborati alcuni prototipi nel campo della Ricerca ed Innovazione Tecnologica.
Le tipologie elettromeccaniche di produzione di energia marina si articolano in almeno una decina di categorie, tralasciando i sistemi che sfruttano la pressione osmotica salina o i differenziali termici profondi e le produzioni dalle maree o alle foci dei fiumi specie per maree tipo mascaret.
Una fonte importante di energia marina è quella dovuta alle correnti marine profonde offshore (grandi turbine Sabella Francia, Open Center Scozia, ecc.) o negli stretti (Kobold Messina, ecc.) convertibile tramite turbine sui fondali simili a quelle eoliche.

 

Produzione di energia minore presentano i sistemi che convertono l’energia cinetica delle ondedel marein energia elettromeccanica (Wave Energy Converter WEC) utilizzati anche per pompare acqua in quota e cumulare energia potenziale per turbine (Searaser UK) o per desalinizzare l’acqua del mare (CETO Australia).
Si richiama che le oscillazioni delle onde sono solo verticale nel mare a largo offshore in quanto le particelle d’acqua innalzate superficialmente dal vento non si spostano orizzontalmente per il rispetto dell’equilibrio simmetrico in un semispazio liquido (Boussinesq).
Pertanto i convertitori possono essere dei galleggianti puntiformi ancorati sul fondale che muovono assorbitori con pistoni verticali (Lysekil Svezia, Protean Australia, ecc.) o galleggianti attenuatori delle onde (Pelamis Scoziacon pistoni oleodinamici longitudinali, ecc.)o apparecchi sul fondale che sfruttano la pressione differenziale della oscillazione delle onde (Archimede  Scozia LockNess, ecc.).
Diverso è il contenuto energetico del mare sotto costa inshore in cui l’inclinazione del fondale desta correnti superficiali verso la costa con vortici bilanciati, per il rispetto dell’equilibrio globale del cuneo trasversale d’acqua, da una corrente profonda verso largo sul fondale, che crea l’erosione.
Lo spettro marinodell’oscillazione delle onde offshore è pertanto diverso da quello inshore:l’accelerazione delle onde a largo è caratterizzata dalla crescita dei periodi di pulsazioni verticali e riduzione della frequenza ciclica all’intensificarsi della velocitàdel vento, mentre le onde sottocostatendono alle pulsazioni della risacca essendo condizionate dalle correnti causate dai moti vorticosi indotti dal vento in superficie e trattenuti dal fondale.                    
Ciò comporta che avvicinandosi alla costa nearshore i predetti convertitori a pistoni offshore non funzionano; è possibile però utilizzare altri convertitori tipo pendoli oscillanti ancorati sul fondale  che sfruttano soprattuttola riflessione di frangenti controfalesie e scogli di roccia  (Oyster Scozia nelle Isole Orcadi) o piccole turbine ancorate, o colonne oscillanti in cassoni, o diffusori.

Si noti inoltre che il trascinamento del vento di galleggiantiancorati invece davanti a spiaggenonne consente l’oscillazione orizzontale, ma sospingendoli continuamente li spiaggia;è necessario pertanto utilizzare piccole turbine sommerse, variamente orientate che sfruttano “in barriere” le correnti sia trasversali sia litoranee, in modo da cumulare effetti del vento e termici che presentano picchi diversi durante l’anno, migliorando la durata di funzionamento dell’impianto.
Le pale eoliche e marine offshore presentano interessanti accoppiamentidi produzione di energia marina/eolica, che a largo possono integrare fortemente la produzione inshore e l’uso delle smartgrid per immettere la corrente a terra in rete.
La conversione dell’energia cinetica delle onde tende a concentrarsi in gradi apparecchiature con i frangenti oceanici offshore o con mareggiate riverberanti su scoglinearshore, mentre deve essere distribuita in tanti piccoli apparecchi elettromeccanici per le correnti inshorespecialmente nel mare Mediterraneo che presenta  oscillazioni a largo e correnti verso costa, piccole ma frequenti.
Tale limite rende la produzione di energia marina dalle correnti inshoreuna frazione piccola delle possibili produzioni marine specie offshore sopra delineate, in termini però di MWh/anno la produzione può essere comunque significativa.
Ciò rappresenta la finalità della Ricerca desumibile tramite l’integrazione del predettomonitoraggiocon wattmetri per il rilievo della innovativa produzione di energia elettrica.

 

4. PROTEZIONE COSTE CON RECUPERO DI PRODUZIONE DI ENERGIA MARINA

 

Molto promettente è la sinergia fra il ripascimento marginato al piede da una scogliera soffolta ad imitazione della barriera a scanno delle praterie marine (in francese matte) e la produzione di energia dalle correnti marine superficiali ottenuta tramite apparecchiature galleggianti ancorate alla scogliera sommersa.
Tale scogliera soffolta disposta a tratti consente di intercettare  la corrente di ritorno a largo sul fondale in modo datrattenere la sabbia di ripascimento artificiale e di consentire per colmata anche il ripascimento naturale.

 

La posizione ideale della scogliera soffolta fissa è al posto delle barre naturali nell’inshore, ovvero oltre la fascia ove le correnti superficiali e di ritorno sul fondale non tendono a smorzarsi per equilibrarsi con l’offshore; ubicazioni della scogliera soffolta all’interno dell’inshoreva scelta peraltro in modo da non alterare il flusso sul fondale come quelle emergenti sottocosta con gravi erosioni.
È importante che si installino nell’inshore un numero congruo di convertitori di energia e di opportune dimensioni, considerando oltre all’orientamento trasversale alla costa,  anche quello parallelo per lo sfruttamento dell’energia da correnti litoranee.


Si propone un nuovo sistema di produzione di energia marina costituito da turbine galleggianti, ancorate con varie catene a plinti in cemento armato o ancoraggi profondi, predisposti e zavorrati dalla scogliera soffolta, e dotati all’imboccatura di convogliatori-diffusori che consentono sia di sfruttare le componenti delle correnti oblique, sia di aumentare per effetto Venturi la velocità dell’acqua sulla turbina - alternatore, tipo grandi correntometri, incrementandone i rendimenti do produzione elettrica.
Le catene di ancoraggio consentono nei casi di mareggiate violente di evitare danneggiamenti;il sistema è inoltre progettato con golfare a rottura ciclica programmata in modo da concentrare la manutenzione periodica sostituendo vincoli limitatie pulendo le turbine dalle incrostazioni.
Il dimensionamento dei cilindri è fatto per compensare al galleggiamento il peso della turbina-alternatore; l’esercizio degli ancoraggi è suffragato daprove cicliche e quello delle zavorre con anche contrappesi inizialmente mobili per consentire tarature sperimentali in sito.

La stesa dei convertitori è segnalata da boe per la navigazione  (in sede d’indagini usate per rilevare l’inshore) ed è a tratti interrotta per consentire il passaggio delle imbarcazioni peraltro in punti concentrati favorendone il controllo e la salvaguardia dei bagnanti.
La stesa di turbine essendo prefabbricata in moduliè salpabile in altri siti, una volta stabilizzata l’erosione anche con l’ausilio dell’attecchimento delle praterie marine, specie a scanno stabile (matte),attualmente impossibile con i frangenti contro le scogliere emergenti  che sovesciano il fondale.
L’energia marina come le altre rinnovabili è variabile come durata annua, potenza e discontinua come fruizione,per cui è  notoriamente legata all’immissione computerizzata nei 2 sensi in nuovi
tratti di rete elettrica (smartgrid), come per l’eolico ed il solare, in modo da far “incontrare” la casualità della produzione con il consumo. 
È interessante realizzare una barriera prototipo in vera grandezza in cui si possono sperimentare vari tipi di convertitori “mediterranei”,similmente a quanto fatto in Scozia per i mari burrascosi,

 

5. BENEFICI DELL’INTEGRAZIONE E RICAVI DALL’ ENERGIA MARINA

 

L’energia cinetica delle onde è valutata, nella letteratura tecnica specialistica, in media annua da 1 a 10 kWh/m nel mar Mediterraneo offshore passando dai 3 kWh/m del Tirreno ai 10 kWh/m della Sardegna.
Si evidenzia che lo sfruttamento energetico è minore di quello dell’offshore essendo condizionato dall’esigenza di ancorare  i convertitori di energia alla scogliera immersa nell’inshore a protezione antierosione del piede del ripascimento. 
Si ipotizza pertanto che il mar Tirreno  presenti nella predetta fascia di utilizzo dell’inshoreprobabili valori medi fino ad 1 kWh/m, ovvero con valori di 1 ÷ 2 kWh/m per il 50% dell’anno bilanciati da un 50% di calma, corrispondenti anche a flussi massimi da 5 kWh/m per il 20% delle 8760 h/anno, ovvero circa 1500 h/anno, tolte anche le perdite e le soste per manutenzione.
Se si considera il rendimento del flusso delle correnti simile all’eolico ed al fotovoltaico, per cui essendo la tariffa dell’energia marina 0,34 euro/ kWh, contro l’attuale 0,22 del solare e fotovoltaico, il  ricavo viene dell’ordine di 1 milione di euro/anno/km per una produzioneinshoredi 1 MWh/km all’anno.

Ad esempio per sfruttare i predetti valori massimi presunti necessita in media 1 turbina da 25 kWh/5 m di scogliera: tale stesa di turbine per la produzione di energia marina,come ordine di grandezza di larga massima,costa4 milioni euro/km, prevedendo le sopra delineate mirate indagini ed i monitoraggi a livello di validare un’ innovazione tecnologica.
Pertanto se si considerano anche la smartgrid,gli interessi e la manutenzioneperiodica, con il predetto ricavo il sistema  è ammortizzabile in circa 5 anni, per poi diventare fruttifero per almeno altri 20 anni di vita.
Al fine di contenere i costi nel campo della Ricerca ed Innovazione Tecnologica si può relativamente contenere la lunghezza della batteria di turbine, in modo da non sguarnire i vantaggi dei contributi statistici delle varie correnti, e soprattutto si possono ancorare le turbine su una scogliera soffolta già esistente di congrua lunghezza.
La salvaguardia dai furti può effettuarsi tramite sistemi di allarmi, ad esempio sull’interruzione dei cavi sottomarini, che potenziano oltretutto il controllo delle coste.
Si evidenzia che in caso di positivo passaggio alla produzione industriale, il ricavo rimane vantaggioso anche al ridursi delle tariffe che sostengono l’energia rinnovabile, come con le nuove tecnologie sempre più competitive con gli impianti a combustione fossile (gridparity).


Si recuperano, infatti, le spese per il ripascimento utilizzandole per la realizzazione degli impianti di produzione di energia e soprattutto evitando le protezioni antierosione sopra descritte che necessitano di costi elevati di manutenzione specie cumulati negli anni.
Ciò evita le speculazioni con abbandono degli impianti finite le tariffe agevolate e si consente di ammortizzare le spese di piccole produzioni di energia non competitive con le grandi centrali, ma fortemente mitiganti le tariffe durante le ore di punta.  
Si evidenzia inoltre che in caso di terremoti o alluvioni o nevicate eccezionali la produzione di energia marina persiste più dell’eolico o del solare e  risente meno di eventuali blackout delle grandi
reti di distribuzione; le autorizzazioni per stendere i cavi sottomarini sono meno impattanti che a terra e auspicabilmente meno burocratizzate.   
Notevoli sono poi i benefici aggiuntivi a cominciare dallo sviluppo occupazionale sia nella cantieristica nautica essendo i convertitori galleggianti assimilabili a  piccole imbarcazioni, sia per le industrie elettromeccaniche per le turbine - alternatori.
Analogo sviluppo s’incentiva per la prefabbricazione degli ancoraggi e zavorre e per il varo facilitato da palloni per il mesogalleggiamento indifferente.
Personale specializzato necessita inoltre per il monitoraggio e per la manutenzione, fino a istituire un’integrazione per il controllo delle coste, con particolare riguardo ai predetti passaggi nella barriera per la navigazione separata dalla balneazione.

 

L’attualissimo tema dell’apprendistato attraverso la formazione e la riqualificazione otterrebbe pertanto un buon contributo dal settore della produzione di energia marina.
Altro vantaggio ad integrazione  della protezione delle coste, potendo disporre  di tratti inshore protetti sottoflutto dalla barriera, è la creazione di un ambiente che consente ai pesci una maggiore tranquillità e la possibilità di riprodursi molto più facilmente.
Lo spostamento a largo delle attuali scogliere emergenti troppo vicine ai litorali consente inoltre un importante recupero del paesaggio marino, toglie il degrado e l’immondizia e riqualifica il turismo, in particolare anche a” kilometro zero”, specie se di elevato pregio ambientale e d’arte. 

La barriera consente anche attracchi provvisori per la piccola nautica da diporto, in modo da riscoprire l’antica navigazione sotto costa per ammirare il paesaggio a distanza di sicurezza  ed evitando altri porticcioli turistici che hanno intensificato le erosioni e sono oltretutto intasati nei periodi estivi.

 

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