Questo giroscopio galleggiante potrebbe ricavare il 50 percento di energia dalle onde del mare

Una svolta giapponese nella tecnologia delle onde marine

La maggior parte dei dispositivi per l'energia delle onde fallisce non appena il mare si agita. Un ricercatore dell'Università di Osaka ha però sviluppato un sistema basato su un giroscopio capace di reagire in tempo reale a ogni variazione delle onde.

Il concetto ideato dal ricercatore prevede un dispositivo galleggiante dotato di giroscopio, in grado di "percepire" ogni cambiamento delle onde e convertire fino alla metà della loro energia cinetica in elettricità. Per ora esiste soltanto nelle simulazioni, ma i risultati sono così promettenti da rendere imminente una prima serie di prove in mare aperto.

Un approccio matematico prima che fisico

Il ricercatore giapponese ha scelto una strada insolita: invece di costruire un prototipo affidandosi all'intuizione, ha cominciato da una descrizione matematica precisa del comportamento delle onde e della risposta del giroscopio. Ha impiegato la cosiddetta teoria lineare delle onde, che tratta ogni onda come un'oscillazione regolare, consentendo di calcolare con esattezza come si muoverà la struttura al variare dell'altezza e della frequenza del moto ondoso.

Questo approccio permette di progettare un sistema che si adatta continuamente alle condizioni del mare. Mentre i dispositivi più vecchi funzionavano bene solo con onde costanti e prevedibili, il nuovo concetto parte dal presupposto che ogni onda sia diversa dall'altra, richiedendo un aggiustamento operativo costante.

Come funziona il convertitore giroscopico di energia delle onde

Il dispositivo si chiama GWEC, ovvero convertitore giroscopico di energia delle onde. Nella pratica assomiglia a una capsula chiusa che galleggia sulla superficie dell'acqua, al cui interno si trova un volano rotante ad altissima velocità collegato a un generatore elettrico.

Quando le onde fanno oscillare la piattaforma, il giroscopio reagisce attraverso il fenomeno della precessione: resiste al cambiamento di posizione e si "oppone" al movimento. Questa resistenza meccanica può essere controllata e trasformata in energia elettrica. I modelli matematici dimostrano che un tale sistema può essere ottimizzato per catturare fino al 50 percento dell'energia cinetica delle onde che lo alimentano.

Si tratta di un valore straordinariamente elevato. Per fare un paragone, nell'energia eolica esiste il cosiddetto limite di Betz: una turbina non riesce a sfruttare più del 59 percento dell'energia del vento, perché l'aria deve pur continuare a scorrere. Nel caso delle onde, un limite analogo si colloca intorno alla metà dell'energia del moto ondoso.

Due parametri fondamentali devono essere regolati in tempo reale: la velocità di rotazione del volano e l'intensità della frenatura del generatore, ovvero il carico elettrico. Quando le onde crescono, il sistema può accelerare il volano o modificare il carico per sincronizzarsi meglio con il moto marino. Quando il mare si calma, fa il contrario.

Perché le macchine precedenti per le onde fallivano

L'idea di sfruttare un giroscopio in mare non è nuova. Strutture di questo tipo venivano progettate già vent'anni fa e vennero testate soprattutto nelle acque italiane. Il problema era che i prototipi funzionavano bene soltanto con onde "da manuale", caratterizzate da altezza e frequenza abbastanza costanti — condizioni che si trovano più facilmente in una vasca di prova che nell'oceano aperto.

Nelle acque reali, le onde cambiano in continuazione. Si alzano e si abbassano nel giro di minuti, arrivano da direzioni diverse, si scontrano, si sovrappongono, si frangono e variano per lunghezza e inclinazione. La maggior parte dei dispositivi precedenti si comportava come un pannello solare fisso: funzionava discretamente in una gamma ristretta di condizioni, ma appena il mare cambiava, riusciva a catturare solo una piccola frazione dell'energia disponibile.

Il ricercatore di Osaka ha affrontato il problema in modo diverso. L'essenza della sua concezione sta nel fatto che il dispositivo non aspetta passivamente le onde, ma si adatta continuamente alle loro caratteristiche. Nelle simulazioni, un GWEC dinamico di questo tipo mantiene un'efficienza vicina al 50 percento molto più spesso rispetto alle soluzioni precedenti, segnando un progresso decisivo rispetto ai sistemi che cedevano al minimo cambiamento dello stato del mare.

Il limite fisico e il confronto con la realtà

La soglia del 50 percento non deriva da una mancanza di creatività degli ingegneri, bensì dalla fisica stessa. Qualsiasi sistema oscillante che galleggia sulla superficie dell'acqua incontra un limite naturale alla quantità di energia che può sottrarre a un'onda. Un assorbimento troppo aggressivo dell'energia fermerebbe semplicemente il movimento dell'acqua circostante — e a quel punto cesserebbe di funzionare anche la stazione stessa.

Avvicinarsi a questo limite per una vasta gamma di condizioni ondose rappresenta un grande passo in avanti. Le simulazioni, però, sono sempre più favorevoli dei test in mare aperto. Quando il ricercatore ha verificato il modello con onde più irregolari e deformate, i risultati sono risultati meno brillanti.

In condizioni di forte tempesta, l'efficienza è calata in modo significativo. Esiste poi un altro problema molto concreto: il volano stesso deve essere mantenuto in rotazione, il che richiede energia a causa di attriti, resistenze nei cuscinetti e perdite nell'azionamento. Nei calcoli iniziali questo consumo interno è stato escluso, il che significa che il bilancio energetico reale potrebbe rivelarsi meno favorevole.

Se il giroscopio consuma troppa elettricità per mantenere la propria rotazione, l'intera installazione perde senso economico, anche se matematicamente risulta eccellente. I ricercatori di Osaka sono consapevoli di questo problema e intendono affrontarlo durante i test fisici.

Dalle simulazioni al prototipo galleggiante

Nonostante questi interrogativi aperti, il ricercatore giapponese ha in programma di passare ai test fisici. Prima in acque sperimentali controllate, poi in mare aperto. Solo allora si capirà davvero come il dispositivo affronta la combinazione reale di onde, correnti, vento e corrosione.

Il ricercatore annuncia inoltre di voler sperimentare una geometria completamente diversa per il guscio del dispositivo. Finora la maggior parte di queste strutture veniva progettata simmetricamente, con il lato destro e sinistro identici. Il responsabile del progetto sta ora valutando una forma deliberatamente asimmetrica, che in teoria potrebbe instaurare interazioni più complesse con le onde.

Nei modelli matematici emerge un'ipotesi audace: con la forma giusta della capsula, potrebbe forse essere possibile superare la soglia del 50 percento di energia recuperata. Si tratta ovviamente di pura speculazione. Numerose assunzioni potrebbero non corrispondere alle condizioni reali e il limite stesso deriva dalle leggi fondamentali della fisica, per cui molti team guardano a queste previsioni con grande cautela.

I paesi che si affacciano sul mare — compresi quelli del Mar Baltico e della Scandinavia — stanno dedicando un'attenzione sempre maggiore a queste tecnologie. Le onde potrebbero costituire un complemento ai parchi eolici offshore, garantendo un mix più equilibrato di fonti di energia rinnovabile.

Perché le onde attraggono sempre più gli esperti di energia

Nonostante i dubbi, un numero crescente di centri di ricerca torna ad occuparsi di energia dalle onde. Rispetto al vento e al sole, il movimento dell'acqua presenta alcune proprietà particolarmente interessanti:

• Densità energetica superiore all'aria — l'acqua è ottocento volte più pesante
• Andamento più prevedibile rispetto alla luce solare
• Funziona anche di notte e con cielo coperto
• Impatto visivo minore rispetto alle turbine eoliche
• Sfruttamento delle zone costiere con moto ondoso permanente
• Possibilità di combinazione con l'energia eolica offshore
• Produzione elettrica più stabile nel corso dell'anno
• Totale indipendenza dall'orario della giornata

Perché soluzioni come il GWEC possano uscire dalla fase dei prototipi, devono tuttavia fare i conti con alcune sfide molto pratiche: la corrosione e l'usura dei componenti in acqua salata, gli eventi meteorologici estremi come le tempeste, l'impatto sulla navigazione e sulla pesca, e i costi di manutenzione di strutture posizionate a decine di chilometri dalla costa.

D'altra parte, chiunque abbia mai assistito al mare aperto in una giornata ventosa vede con i propri occhi un'enorme quantità di energia che si disperde nelle onde che si scontrano tra loro. Ecco perché governi e aziende finanziano con crescente disponibilità le ricerche che hanno la possibilità di domare almeno in parte questa energia.

L'energia delle onde può davvero essere integrata nella rete elettrica?

Rimane sullo sfondo un'ulteriore questione: come collegare queste installazioni alla rete elettrica nazionale. Le onde non sono regolari come una centrale nucleare, ma la loro variabilità è diversa da quella del vento o del sole. Se la tecnologia giroscopica riuscisse davvero a mantenere un'efficienza vicina al limite fisico per un'ampia gamma di condizioni, renderebbe più semplice pianificare la gestione della rete e lo stoccaggio dei surplus in batterie o sotto forma di idrogeno.

Per i paesi marittimi — inclusi quelli che si affacciano sul Mar Baltico — questi concetti potrebbero fra qualche anno entrare a far parte del mix energetico reale. La condizione è semplice: il giroscopio galleggiante deve resistere non solo ai calcoli del computer, ma anche alla prima vera tempesta invernale in mare aperto. Se supererà questa prova, le onde potrebbero diventare un protagonista molto più rilevante nella corsa all'energia pulita di quanto molti oggi immaginino.