Un esperimento sul fondo dell’oceano potrebbe rivoluzionare lo stoccaggio dell’energia verde
Al largo delle coste californiane sta prendendo forma un esperimento che potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui immagazziniamo l’energia rinnovabile. Una gigantesca sfera di cemento del diametro di 9 metri viene calata sott’acqua come prototipo di un nuovo tipo di batteria.
L’idea nasce dall’istituto di ricerca tedesco Fraunhofer IEE e i test si svolgono nell’area di Long Beach, negli Stati Uniti. La domanda fondamentale è una sola: il fondale oceanico può diventare un enorme e discreto deposito di elettricità prodotta da vento e sole?
Le energie rinnovabili hanno un difetto ostinato: generano elettricità quando splende il sole o soffia il vento, non necessariamente quando ne abbiamo più bisogno. Le batterie tradizionali, basate su metalli e chimica complessa, sono costose e richiedono enormi quantità di materie prime. I bacini idroelettrici a pompaggio, invece, trasformano interi fondovalle e scatenano proteste delle comunità locali.
Gli ingegneri del Fraunhofer IEE hanno concluso che, quando sulla terraferma mancano spazio o consenso sociale, vale la pena guardare sotto la superficie del mare. Gli oceani offrono distese sconfinate e la pressione che regna a grandi profondità può essere considerata un “carburante” naturale e gratuito per produrre energia.
Come funziona la sfera di cemento-batteria sul fondo dell’oceano
Il progetto si chiama StEnSea e sfrutta la fisica classica in una configurazione sorprendentemente semplice. L’intero principio si articola in due fasi: la carica e la restituzione dell’energia.
Fase di carica: la sfera è vuota all’interno e giace a diverse centinaia di metri di profondità. Quando nella rete elettrica c’è un surplus di energia da turbine eoliche o pannelli solari, delle pompe espellono l’acqua dall’interno verso l’esterno, compiendo lavoro contro l’enorme pressione circostante.
Fase di restituzione: quando la domanda di energia aumenta, le valvole si aprono e l’acqua ad alta pressione irrompe all’interno, azionando una turbina e un generatore. L’energia “investita” per svuotare la sfera torna sotto forma di elettricità.
La sfera in fase di test ha un diametro di 9 metri e pesa circa 400 tonnellate. Nonostante questa mole, il funzionamento è concettualmente semplice: le componenti meccaniche sono essenzialmente pompe, valvole e un generatore, tecnologie già ben note in altri impianti energetici.
Le stime del team di ricerca suggeriscono che pochi cicli completi di carica e scarica basterebbero a coprire il consumo annuale di elettricità di un’abitazione media. La durata prevista della struttura è di cinque o sei decenni. Il generatore andrebbe sostituito mediamente ogni vent’anni, senza necessità di sollevare l’intera costruzione in superficie — la manutenzione avverrebbe direttamente sott’acqua.
I fondali marini al posto delle valli allagate
Il segreto del progetto risiede nelle condizioni ideali che si trovano in profondità. I parametri migliori si ottengono tra 600 e 800 metri sotto il livello del mare, dove la pressione dell’acqua è sufficientemente elevata da immagazzinare grandi quantità di energia, senza dover rinforzare eccessivamente la sfera stessa.
A queste profondità si trova il giusto equilibrio tra alta efficienza, costi dei materiali accettabili e fattibilità tecnica dell’installazione. In più, qui regna una calma relativa: le correnti sono più deboli che in superficie, la temperatura è stabile e l’attività biologica è inferiore rispetto agli strati più bassi.
A differenza delle dighe o dei grandi bacini artificiali sulla terraferma, le installazioni sottomarine non richiedono spostamenti di popolazioni né trasformazioni del paesaggio. Le coste di Norvegia, Stati Uniti, Giappone e Brasile si prestano particolarmente bene a questo tipo di infrastruttura energetica, grazie a pendii sottomarini ripidi e profondità adeguate relativamente vicino alla riva.
I ricercatori sottolineano che lo sviluppo ulteriore delle centrali a pompaggio tradizionali è frenato dai vincoli geografici e dalle opposizioni ambientaliste, mentre sul fondo del mare il potenziale di spazio aumenta e i conflitti con le popolazioni locali sono praticamente inesistenti.
I vantaggi di questa tecnologia rispetto alle soluzioni tradizionali
Le sfere di cemento sui fondali marini presentano diversi vantaggi decisivi rispetto ai sistemi convenzionali di accumulo energetico:
- condizioni stabili, senza l’influenza delle condizioni meteorologiche in superficie
- occupazione di suolo minima e nessuna alterazione del paesaggio
- sfruttamento della pressione naturale dell’acqua come fonte energetica
- lunga vita utile della struttura, fino a sessant’anni
- possibilità di manutenzione subacquea senza smontare l’intera unità
- compatibilità con i parchi eolici offshore
- impatto positivo sulla biodiversità, grazie alla funzione di scogliera artificiale
- scalabilità dai piccoli prototipi fino a sfere del diametro di 30 metri
Grazie alla sua texture superficiale ruvida, ogni sfera è progettata per fungere da scogliera artificiale. La società Sperra, partner tecnico del progetto, evidenzia come strutture simili abbiano già influenzato positivamente la biodiversità: esperimenti precedenti nel Lago di Costanza hanno mostrato una colonizzazione biologica delle nuove strutture sorprendentemente rapida.
Le misurazioni attualmente in corso in California puntano a verificare se questo processo avvenga in modo analogo nell’oceano aperto. Gli scienziati monitorano non solo l’efficienza energetica, ma anche la velocità e le modalità con cui la vita si concentra attorno alla “batteria-scogliera” di cemento.
Il cemento come nuovo habitat per la vita marina
Il cemento è generalmente associato a una materia grigia e inerte. Il partner statunitense del progetto, la società Sperra, intende sovvertire questa percezione attraverso la stampa 3D su larga scala. Invece di colare superfici lisce e monolitiche, gli ingegneri stampano le strutture strato per strato, ottenendo rugosità e porosità controllate.
La texture della superficie è fondamentale. Ruvida e ricca di cavità, facilita la colonizzazione rapida da parte di microrganismi che costituiscono la base della catena alimentare, alghe e altre piante marine, crostacei e altri invertebrati, oltre a pesci in cerca di rifugio e nutrimento.
Invece di un corpo estraneo calato in un ecosistema, ogni sfera dovrebbe agire come una scogliera progettata con cura. I ricercatori osservano la colonizzazione delle superfici in cemento da parte di plancton, alghe, molluschi e piccoli pesci. I risultati preliminari dal Lago di Costanza hanno dimostrato che su strutture simili la biodiversità aumenta più rapidamente che sulle rocce naturali.
Quanto può essere grande una tale centrale elettrica subacquea
Il prototipo attuale da 9 metri di diametro è solo il punto di partenza. Il team del Fraunhofer IEE sta già pianificando costruzioni di scala molto maggiore, fino a 30 metri di diametro. Con le dimensioni cresce il volume interno e quindi la quantità di energia che può essere “racchiusa” nel differenziale di pressione.
In pratica, ciò apre la possibilità di creare vere e proprie fattorie subacquee di accumulo energetico. Alcune decine di sfere disposte in gruppi potrebbero collaborare con un parco eolico offshore o con una vasta installazione di pannelli solari sulla terraferma. Quando la produzione supera il fabbisogno, le sfere si “caricano”; quando arriva una notte senza vento, restituiscono energia su richiesta del gestore della rete.
Questo tipo di accumulo si adatta particolarmente bene ai sistemi che già investono massicciamente nelle rinnovabili. Le applicazioni emblematiche comprendono la stabilizzazione dei parchi eolici offshore, il supporto alla rete in regioni dove è difficile costruire nuove linee ad alta tensione, lo stoccaggio dell’energia fotovoltaica nelle zone costiere e la potenza di riserva per grandi aree metropolitane situate vicino al mare.
Grazie alla lunga vita utile delle sfere, anche i costi iniziali relativamente elevati possono essere ammortizzati su decenni di esercizio. È un modello economico profondamente diverso da quello delle batterie convenzionali, che dopo dieci o quindici anni richiedono la sostituzione di interi moduli.
Cosa potrebbe non funzionare e quali prospettive si aprono
Ogni tecnologia di questo tipo solleva domande legittime. Per le sfere di cemento subacquee emergono in primo piano i temi della sicurezza e dell’impatto sugli ecosistemi marini. Gli ingegneri devono anticipare le conseguenze di guasti, come il danneggiamento delle valvole o perdite di tenuta. Si pone poi il problema della manutenzione a grandi profondità, dove ogni intervento richiede attrezzature speciali e squadre altamente qualificate.
Occorre inoltre considerare le interazioni con la pesca e la navigazione. Vasti campi di sfere-deposito non devono interferire con le rotte marittime o con le zone intensamente sfruttate dalla flotta peschereccia. A tutto ciò si sovrappone la regolamentazione internazionale sull’utilizzo dei fondali marini.
Per i Paesi privi di sbocco al mare o con coste su bacini poco profondi, come il Mar Baltico, raggiungere la profondità ottimale di 600-800 metri è praticamente impossibile. Ciò non esclude tuttavia la partecipazione delle rispettive imprese nazionali: queste possono inserirsi nelle catene di fornitura di cemento, pompe, sistemi di controllo o analisi dei dati, mentre le installazioni vere e proprie sorgeranno magari al largo delle coste norvegesi o portoghesi.
Lo stoccaggio di energia sul fondo del mare indica il futuro dell’energia
Accumulare energia sul fondo del mare illustra bene una tendenza più ampia: nella transizione energetica non si tratta più soltanto di installare nuovi pannelli e turbine. Un ruolo sempre più centrale spetta alla flessibilità dell’intero sistema, ovvero alla capacità di conservare i surplus per utilizzarli in seguito. Le sfere di cemento che sfruttano la pressione naturale dell’acqua sono una delle soluzioni più concrete e al tempo stesso intuitive che possano contribuire a risolvere questo puzzle.
Per il consumatore comune queste strutture resteranno invisibili, sepolte a centinaia di metri sotto la superficie. L’effetto, però, potrebbe essere molto tangibile: bollette elettriche più stabili, meno interruzioni di corrente e un migliore sfruttamento dell’energia eolica e solare. Se il test in California darà esiti positivi, il dibattito sul ruolo che i fondali oceanici possono giocare nell’energia del futuro è destinato a intensificarsi rapidamente.
