Un dispositivo galleggiante con giroscopio trasforma le onde in elettricità con un’efficienza senza precedenti
Un dispositivo galleggiante dotato di volano risponde al movimento delle onde e riesce a convertire la loro energia in elettricità con un’efficienza mai vista prima. Mentre la maggior parte delle tecnologie esistenti falliva al variare delle caratteristiche delle onde, questo nuovo approccio sfrutta un controllo dinamico in tempo reale.
Ricercatori dell’Università di Osaka hanno presentato un modello matematico di un sistema capace di rivoluzionare la raccolta di energia dalle onde marine. Si tratta di una struttura galleggiante con una ruota che ruota rapidamente, la quale risponde all’oscillazione provocata dalle onde. Secondo il creatore del concept, fino alla metà dell’energia del moto ondoso potrebbe essere trasformata in corrente elettrica.
L’idea in sé non è completamente nuova, ma i prototipi precedenti hanno incontrato un ostacolo fondamentale: funzionavano bene soltanto con un tipo specifico di onda, il che nel mare reale significa un’utilità molto limitata. Il nuovo approccio si basa invece sulla capacità del sistema di adattare continuamente i propri parametri alle condizioni istantanee dell’oceano, ottenendo così un’efficienza nettamente superiore in un ampio spettro di situazioni.
Come funziona il convertitore giroscopico di energia delle onde
Il sistema descritto è denominato GWEC, ovvero convertitore giroscopico di energia delle onde. In parole semplici, si tratta di una capsula galleggiante chiusa con al centro una ruota che gira rapidamente, collegata a un generatore. Quando un’onda passa sotto il dispositivo, l’intera struttura inizia a rollarsi e inclinarsi. Il giroscopio resiste a questi movimenti e tale resistenza può essere catturata meccanicamente e trasformata in energia elettrica.
Dal modello emerge che un giroscopio ben controllato può teoricamente convertire in corrente elettrica fino al cinquanta percento dell’energia trasportata dall’onda. Questo numero non è arbitrario, ma deriva dalle leggi fisiche delle onde stesse: per qualsiasi dispositivo galleggiante vale il principio che da un’onda superficiale non si può ricavare più della metà della sua energia.
Strutture simili erano apparse già intorno all’anno 2000, tra cui i lavori del team del Politecnico di Torino sul sistema ISWEC. Le aspettative erano elevate, ma la maggior parte dei progetti si è fermata alla fase di modelli dimostrativi o piccole installazioni pilota. Il problema principale risiedeva nel design rigido, che presupponeva un tipo di onda relativamente costante.
Il mare, però, cambia continuamente. Altezza, direzione, frequenza e forma delle onde possono variare di minuto in minuto. I dispositivi ottimizzati per condizioni ideali sfruttavano in pratica solo una minima frazione dell’energia disponibile. È paragonabile a un impianto fotovoltaico i cui pannelli fossero orientati in modo fisso in base al sole di un unico giorno dell’anno: non appena il sole cambia posizione, l’efficienza del sistema crolla rapidamente.
Il contributo del ricercatore di Osaka
Takahito Iida, specialista di architettura navale dell’Università di Osaka, ha affrontato il problema da una prospettiva teorica. Ha costruito un esteso modello matematico che descrive il comportamento di un giroscopio galleggiante in acque agitate, applicando la teoria lineare delle onde. In questa formulazione, l’onda diventa un’oscillazione ordinata, il che consente di calcolare con precisione come il dispositivo risponderà a diversi tipi di movimento.
Sulla base di questi calcoli, il ricercatore ha individuato un insieme di parametri che permettono al convertitore di lavorare in modo ottimale. Due elementi sono determinanti: la velocità di rotazione del volano, che può essere aumentata o ridotta in base all’intensità e alla frequenza delle onde, e la rigidità regolata del generatore, ovvero quanto fortemente il generatore oppone resistenza al movimento del giroscopio. Secondo i calcoli, questi due parametri devono essere regolati in tempo reale in modo pressoché continuo.
Quando il mare si calma, il sistema modifica le impostazioni per estrarre il massimo dalle onde più piccole. Quando arriva un’onda più potente, si adatta di nuovo per evitare di perdere efficienza. Le simulazioni indicano che con questo tipo di controllo dinamico il convertitore può mantenere a lungo un’efficienza prossima al limite teorico del cinquanta percento.
I ricercatori stanno inoltre esplorando la possibilità di adottare una forma asimmetrica per il dispositivo. Una struttura più larga o più alta da un lato e più stretta dall’altro potrebbe interagire con l’onda in modo specifico, generando ulteriori fenomeni idrodinamici che vanno oltre il semplice modello di una scatola galleggiante simmetrica. Dalle analisi preliminari emerge proprio che la forma simmetrica è in parte responsabile del limite del cinquanta percento.
Perché da un’onda non si può ricavare più della metà della sua energia
Il cinquanta percento citato nello studio non è un numero casuale scelto dai progettisti: è un limite che deriva dalla fisica delle onde stesse. Per qualsiasi dispositivo che si limiti a galleggiare in superficie e a muoversi insieme all’onda vale una regola precisa: non può estrarre più della metà dell’energia dell’onda. Se tentasse di prelevarne di più, l’onda inizierebbe a frangere o a essere eccessivamente frenata.
Il parallelo più calzante è il limite di Betz nell’energia eolica. Questa legge stabilisce che nessuna turbina eolica può sfruttare più di circa il cinquantanove percento dell’energia trasportata dal vento, poiché altrimenti bloccherebbe completamente il flusso d’aria. Per le onde sulla superficie dell’acqua esiste una barriera analoga.
Raggiungere questo limite in un ampio range di condizioni marine rappresenterebbe comunque un progresso notevole rispetto ai prototipi precedenti, che funzionavano in modo accettabile solo con onde ideali. Il limite fisico, però, rimane tale. Superarlo è possibile soltanto cambiando il principio di funzionamento, ad esempio immergendo parte della struttura sotto la superficie o utilizzando un meccanismo di cattura dell’energia diverso.
I ricercatori di Osaka avvertono tuttavia che tutto esiste ancora solo su computer e in equazioni. Le simulazioni partivano da onde considerate relativamente regolari e ben formate, il che in natura accade raramente e solo per brevi periodi. Quando il ricercatore ha applicato il modello a onde più irregolari e caotiche, l’efficienza del sistema è calata, in modo particolarmente marcato con onde molto forti e disordinate, come quelle che si formano durante le tempeste.
Dove finisce la teoria e inizia il mare vero
Un secondo problema riguarda i costi energetici interni del dispositivo. Il giroscopio non gira gratuitamente: ha bisogno di energia per compensare l’attrito nei cuscinetti e la resistenza dell’aria all’interno della copertura. Nelle simulazioni questi costi sono stati per ora trascurati. In un dispositivo reale sarà necessario calcolarli watt per watt, perché in condizioni limite il bilancio energetico potrebbe risultare pari a zero o addirittura negativo.
La redditività economica finale del convertitore dipende dalla differenza tra la corrente generata e quella consumata per mantenere il funzionamento del sistema. Questo dato sarà decisivo per gli investitori. Un dispositivo che produce elettricità a un costo inferiore rispetto alle tecnologie esistenti, considerando tutti i costi di costruzione, manutenzione e riparazione, ha concrete possibilità di successo commerciale. In caso contrario, le capsule giroscopiche si aggiungeranno alla lunga lista di meraviglie promettenti ma irrealizzate dell’ingegneria navale.
Nonostante questi interrogativi, il team pianifica esperimenti su scala fisica, probabilmente prima in vasche per la ricerca idrodinamica, dove è possibile generare in modo controllato diversi tipi di onde. Il passo successivo sarebbero i test in acque aperte, una sfida logistica e finanziaria ben più impegnativa. Saranno proprio queste prove a rivelare se il concept regge al di fuori dell’ambiente controllato del laboratorio.
I ricercatori stanno anche studiando l’effetto dell’asimmetria della forma sull’efficienza complessiva. Un dispositivo con profilo non uniforme potrebbe aggirare alcuni limiti fisici dei corpi simmetrici, e le analisi preliminari suggeriscono che tale geometria potrebbe consentire di recuperare una quota ancora maggiore dell’energia dell’onda. Per ora si tratta di un’ipotesi piuttosto audace, e lo stesso ricercatore sottolinea che senza un prototipo e test in acqua reale non è possibile trarre conclusioni definitive.
Perché l’energia delle onde potrebbe trasformare il settore energetico delle aree costiere
Le onde marine sono tra le fonti rinnovabili di energia più dense del pianeta. A parità di superficie, possono trasportare più potenza rispetto al vento medio. Inoltre, in molte regioni del mondo — come le coste occidentali dell’Europa o del Sud America — le onde sono relativamente stabili per gran parte dell’anno. Questo è un vantaggio enorme rispetto al fotovoltaico, che di notte non produce nulla e nelle giornate nuvolose perde significativamente di potenza.
Per questo motivo si tenta da anni di domare l’energia delle onde, anche se finora nessuna tecnologia è entrata in produzione su larga scala. La maggior parte dei progetti si è bloccata nella fase di installazioni costose e complesse, che richiedono ispezioni e riparazioni frequenti. L’ambiente marino aggressivo — sale, corrosione, impatti delle onde e detriti galleggianti — distrugge molto rapidamente la meccanica sofisticata. Semplicità e robustezza sono quindi requisiti fondamentali.
Se il concept GWEC con controllo dinamico dovesse dimostrarsi valido, sul mare apparirebbe un nuovo tipo di parchi energetici. Al posto delle torri eoliche vedremmo file di piccole capsule galleggianti che sfruttano il rollio dell’acqua. Dal punto di vista del sistema energetico, una tale fonte avrebbe diversi vantaggi interessanti:
- alta densità energetica per unità di superficie rispetto al vento
- onde più prevedibili in molte aree rispetto al vento variabile
- possibilità di integrazione con infrastrutture marine esistenti, come i parchi eolici offshore
- impatto visivo ridotto rispetto alle alte turbine eoliche
- funzionamento continuo indipendente dall’ora del giorno
- funzionamento relativamente silenzioso sotto la superficie dell’acqua
Esistono però anche rischi concreti. Ogni elemento galleggiante può rappresentare un ostacolo per la navigazione o la pesca. Sarà necessario analizzare l’impatto di tali installazioni sull’ecosistema: dal rumore generato dalla meccanica alle potenziali collisioni con i mammiferi marini, fino alle variazioni nella circolazione locale dell’acqua. Le autorità di regolamentazione dovranno elaborare norme per la collocazione e la gestione di questi dispositivi.
Dal punto di vista degli investitori, rivestirà grande importanza anche la complessità del sistema di controllo. La necessità di correggere continuamente i parametri del giroscopio richiede algoritmi avanzati e una notevole quantità di elettronica. Più il sistema è complicato, maggiore è il rischio di guasti e più elevati sono i costi di manutenzione, soprattutto in località difficilmente accessibili in mare aperto. Per questo i progettisti cercano un equilibrio tra la sofisticatezza del controllo e la robustezza complessiva del dispositivo.
Cosa determinerà il successo dei convertitori giroscopici
Per il consumatore finale di energia, la cosa più importante sarà una sola: se un tale convertitore possa fornire corrente a un costo inferiore rispetto alle tecnologie esistenti, tenuto conto di tutti i costi di costruzione, manutenzione e riparazione. Se ci riuscirà, l’energia delle onde cesserà di essere un argomento esotico da convegno e entrerà nell’elenco dei pilastri reali della transizione energetica.
In caso contrario, le capsule giroscopiche si aggiungeranno alla lunga schiera di meraviglie promettenti ma irrealizzate dell’ingegneria navale. I risultati determinanti arriveranno dai primi test in ambiente reale. Soltanto il mare vero dirà se i modelli matematici di Osaka reggono alla prova dei fatti, o se incontreranno complicazioni impreviste. Per i ricercatori, la parte più difficile del lavoro inizia adesso.
