Tesi - Stima del potenziale energetico delle correnti marine nello strato superficiale del Mar Mediterraneo

Università degli Studi di Roma ‘La Sapienza’

Facoltà di ingegneria civile ed industriale

Corso di laurea triennale in ingegneria per l’ambiente ed il territorio

Tesi di laurea in meccanica dei fluidi

Stima del potenziale energetico delle correnti marine

nello strato superficiale del Mar Mediterraneo

Relatore: Candidato:

Giovanni Leuzzi Simone Guazzotti

Anno accademico 2020/2021 1

Indice

1. Introduzione ....................................................................................................................... 3

1.1 L’energia marina ................................................................................................................................ 3

1.2 Correnti Marine ................................................................................................................................. 4

1.3 La circolazione delle correnti nel Mar Mediterraneo ........................................................................ 5

1.4 Potenza ricavabile dalle correnti marine ........................................................................................... 7

2. Dispositivi per la conversione di energia da correnti marine ................................................. 8

2.1 Classificazione .................................................................................................................................... 8

2.2 Metodologia di installazione del dispositivo in sito ........................................................................ 12

2.3 Scelta della turbina da prendere in considerazione per l’analisi energetica .................................. 13

2.3.1 Criteri utilizzati per la scelta della turbina ............................................................................... 14

2.3.2 Elenco delle Turbine prese in considerazione ......................................................................... 14

2.4 Turbine scelte come modello di riferimento per l’analisi energetica ............................................. 16

3. Copernicus e dati oceanici ................................................................................................. 18

3.1 Generalità ed obbiettivi del progetto Copernicus ........................................................................... 18

3.2 Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS) ..................................................... 20

3.3 Definizione e struttura dei NetCDF File ........................................................................................... 22

4. Elaborazione dei dati ......................................................................................................... 26

4.1 Linguaggio di programmazione Fortran .......................................................................................... 26

4.2 Programma per la lettura dei file NetCDF in formato asci .............................................................. 28

5. Valutazione del potenziale energetico del Mar Mediterraneo ............................................ 32

5.1 Valutazione preliminare del potenziale energetico ad un metro di profondità ............................. 32

5.2 Batimetria dei siti con potenziale energetico maggiore.................................................................. 34

5.3 Metodologia e principio utilizzato per l’individuazione del sito specifico ...................................... 36

5.4 Valutazione del potenziale energetico relativo alle turbine galleggianti ........................................ 37

5.5 Valutazione del potenziale energetico di turbine collocate sul fondale marino ............................. 39

5.6 Considerazioni e risultati dell’analisi energetica ............................................................................. 42

5.7 Valutazione della potenza sottostimata .......................................................................................... 46

5.8 Limitazioni dell’ analisi effettuata ................................................................................................... 48

6. Conclusioni ........................................................................................................................ 49

6.1 Riassunto elaborato e sviluppi futuri ............................................................................................... 49

Bibliografia: ............................................................................................................................. 50

Sitografia Internet .................................................................................................................... 51

2

1. Introduzione

1.1 L’energia marina

La Terra è ricoperta per il 71% da oceani e mari, una massa d’acqua di proporzioni smisurate,

essenziale per la regolazione del clima. L’ oceano rappresenta un’importante riserva energetica

quasi del tutto inutilizzata e con un potenziale inesauribile. Un enorme potenziale che però deve

far fronte agli attuali limiti tecnologici ed economici, essendo un settore piuttosto giovane.

Secondo un’analisi effettuata l’Ocean Energy System 2014 e l’Ocean Energy Europe 2016 si

prevede che l’energia marina si diffonderà specialmente in Nord Europa raggiungendo una

capacità di 100 GW, equivalente al 10% del consumo elettrico europeo.

Figura 1. Shares of energy sources

in total global primary energy

supply in 2008 (Fonte: IPCC, 2011)

Figura 2. ‘Estimate of global potential tidal resources’

(Fonte: Offshore Energy http://www.energybc.ca/cache/tidal3/tidalreserves.html) 3

L’energia ricavabile dal mare può essere classificata in diverse tipologie, a cui corrispondono

differenti soluzioni tecnologiche:

1. energia delle correnti marine, il cui principio è praticamente identico a quello utilizzato per

estrarre energia dal vento tramite le turbine eoliche.

2. energia a gradiente salino che utilizza la differenza di concentrazione salina tra l’acqua di

mare ed acqua dolce (per esempio alla foce di un fiume);

3. energia mareomotrice (o delle maree);

4. energia del moto ondoso, che impiega l’energia cinetica relativa alla propagazione delle

onde per generare energia elettrica

5. energia talassotermica (o energia mareotermica) che sfrutta gradienti e differenze di

temperatura tra masse d’acqua.

Il presente progetto di tesi è focalizzato sullo studio dell’energia da correnti marine. In particolare

l’obbiettivo è analizzare il potenziale energetico delle correnti marine nel bacino del Mar

Mediterraneo ed individuare i siti idonei ed energeticamente più produttivi in cui poter installare

un dispositivo per la conversione energetica da correnti marine, in particolare per tale valutazione

sono state prese in considerazione turbine ad asse orizzontale.

1.2 Correnti Marine

Le correnti marine possono essere concettualmente suddivise in base alle cause e forze motrici

che le generano:

1. Le Correnti di marea sono legate al fenomeno fisico delle maree, le quali sono generate

dall’azione combinata tra l’attrazione gravitazionale esercitata dai corpi celesti (Luna

principalmente e Sole) e la forza centrifuga dovuta alla rotazione terrestre intorno al baricentro

Terra - Luna. Le maree provocano l’oscillazione verticale del livello della superficie marina e

quindi variazioni di altezza ed energia potenziale dell’acqua, quest’ultima può essere utilizzata

per ricavare energia elettrica tramite centrali mareomotrici collocate in prossimità della costa.

Il flusso e il riflusso dell’acqua verso la costa e successivamente verso il mare aperto crea un

movimento orizzontale dell’acqua ovvero le correnti di marea. Inoltre, a causa del profilo delle

coste e della batimetria, i flussi di marea non sono uniformi sul pianeta e in alcune zone, come

promontori, stretti o baie, si concentrano forti correnti di marea.

Il fenomeno delle maree ha un andamento ciclico di fasi di circa sei ore è prevedibile nell’arco

di diversi anni , non essendo dipendente dalle condizioni metereologiche, ed è senza dubbio un

fattore positivo e favorevole per le tecnologie atte a convertire l’energia cinetica delle correnti,

in quanto consente di stimare la quantità di energia ricavabile. 4

2. Le correnti di gradiente sono dovute al fatto che la pressione non è distribuita in modo regolare

ed uniforme sulla superficie del mare ed alla differenza di densità delle masse d’acqua

circostanti. Questi moti si generano quando la superficie dell’acqua ha una certa pendenza

rispetto all’orizzontale (ovvero quando la superficie del mare non è parallela alle superfici

equipotenziali di gravità), fenomeno che avviene per l’azione esterna del vento, che concentra

ed accumula masse d’acqua verso una certa direzione, o per la presenza di masse d’acqua

vicine di diversa temperatura e salinità e di conseguenza di diversa densità.

La direzione e l’intensità del moto delle correnti di gradiente tendono a ripristinare

l’orizzontalità della superficie marina. Tali correnti sono generalmente di intensità modesta in

mare aperto, in quanto il dislivello che si viene a creare è dell’ordine di millimetri, centimetri o

eccezionalmente metri e si manifestano tra centinaia o migliaia di metri, perciò la pendenza

della superficie risultante del mare è minima. La situazione è differente in vicinanza della costa:

il vento che spira dal mare verso la costa può concentrare lungo il litorale grandi masse

d’acqua, che non essendo in grado di defluire verso il mare aperto a causa del vento contrario

che le ha trasportate precedentemente, generano forti correnti. Tali correnti si propagano

quindi verso l’unica direzione a loro disponibile, ovvero parallelamente alla linea di costa.

(È stata utilizzata ‘Smd Vela: correnti marine’ come fonte per l’apprendimento delle nozioni.)

3. Le Correnti di deriva sono dovute all’azione del vento, il quale esercita un’azione di

trascinamento sulla superficie del mare, per tramite dell’ attrito presente tra la massa d’aria

trasportata dal vento e la massa d’acqua sulla superficie del mare.

Il moto di deriva conseguente all’azione di trascinamento del vento si trasmette agli strati a

maggiore profondità con intensità decrescente e direzione variabile. L'andamento della

corrente e della sua direzione lungo la profondità è concettualmente rappresentabile come da

una spirale nota come "spirale di Ekman".

Le correnti oceaniche possono essere permanenti o stagionali, mentre le correnti di marea hanno

un ciclo temporale ben stabilito.

1.3 La circolazione delle correnti nel Mar Mediterraneo

Il Mar Mediterraneo essendo un bacino chiuso, a meno dello stretto di Gibilterra, non è

caratterizzato da correnti marine molto forti a differenza per esempio del Nord Europa

(Inghilterra, Scozia, Irlanda, Normandia, Norvegia).

I due motori principali che generano la circolazione di masse d’acqua sono:

- la circolazione termoalina, indotta da variazioni di temperatura e/o salinità e quindi anche di

densità.

- i movimenti superficiali causati dalla presenza del vento.

Lo scambio d’acqua marina avviene solo attraverso lo stretto di Gibilterra, mentre l’afflusso

d’acqua dolce è legato alle precipitazioni e al deflusso dei fiumi. 5

Il clima prevalentemente caldo e secco del Mediterraneo genera un intenso processo di

evaporazione che comporta un aumento della salinità e di conseguenza della densità. In

particolare il bacino Levantino del Mediterraneo è l’area maggiormente soggetta al fenomeno di

evaporazione e presenta un grado di salinità maggiore e una maggiore densità dell’acqua, che crea

una pressione sulle acque più profonde inducendo sul fondale marino una corrente che si dirige

verso lo stretto di Gibilterra. A questo concorrono anche le acque fredde e dense prodotte

nell’alto Adriatico durante gli eventi di Bora e nel Golfo del Leone durante i fenomeni di intenso

Maestrale.

Il Mar Mediterraneo risulta avere un bilancio d’acqua negativo, in quanto l’evaporazione ha un

contributo maggiore dell’apporto di acqua fluviale e piovana.

L’apporto di acqua più fredda proveniente dall’ Atlantico ed entrante nel Mediterraneo dallo

stretto di Gibilterra, andrà a compensare e bilanciare sia l’acqua evaporata che l’acqua più salata

che scorre in profondità da Est verso l’Atlantico.

Infatti è presente una principale cella termoalina che si sviluppa si sviluppa da Ovest verso Est ed è

costituita da due correnti a due profondità diversa e con direzione di propagazione opposta una

rispetto all’altra: una corrente superficiale entrante dallo Stretto di Gibilterra, che sotto l’effetto

della forza di Coriolis, si dirige propaga verso Est parallelamente alla costa africana e dirigendosi

verso il bacino levantino, e da una corrente più profonda e più salata che scorre in verso opposto e

si immette nell’Atlantico attraverso lo Stretto di Gibilterra.

Vi sono, inoltre, due celle secondarie che si sviluppano in direzione nord-sud e sono guidate da

processi di convezione profonda. Questi processi avvengono nel Mediterraneo Nord Occidentale

con la corrente ligure-provenzale ed a Est tra il Mar Adriatico ed il Mar Egeo.

Figura 3. Mappa della circolazione delle correnti marine del Mediterraneo (Fonte: Meteo Giulacci) 6

1.4 Potenza ricavabile dalle correnti marine

La potenza associata al flusso di un fluido (acqua o aria) si calcola con la teoria di Betz. Definendo ρ

la densità del fluido, u la sua velocità ed S la sezione ortogonale al flusso, la potenza associata ad

un fluido in movimento è: 1 3

= ∙ ∙ ∙

0 2

Mentre la potenza che una turbina è in grado di estrarre da un fluido (acqua o aria), secondo la

teoria di Betz è data dall’espressione: 1 3

= ∙ ∙ ∙ ∙

2

dove: 2

[ ]

- S: Area spazzata dalle pale del rotore

[ ]

- u: Velocità del fluido a monte della turbina

- a: fattore di interferenza, che rappresenta la perdita di velocità che il flusso subisce a

monte della turbina.

: [ ]

- Densità del fluido 3

2

= = 4(1 − )

Il coefficiente di potenza è definito come rapporto tra la potenza P e la

0

potenza P0 e rappresenta l’efficienza del dispositivo, ossia quanta potenza meccanica rotazionale

del rotore si riesce a produrre rispetto a quella all’energia cinetica posseduta dalla corrente che

investe il rotore.

La teoria di Betz dimostra che si ottiene un’interferenza ottimale per a = 1/3, al quale è associato

un Cp,max= 16/27 = 0.593, ovvero il valore massimo di potenza realmente estraibile da un flusso

di corrente è pari al circa il 60 % della potenza teorica posseduta da un fluido in moto.

Infine, la potenza erogabile elettrica dal generatore è così calcolata:

1 3

= g ∙ m ∙ ∙ ∙ ∙ ∙

2

dove:

ηg

- = rendimento è il rendimento meccanico globale dell’albero di trasmissione tra turbina e

rotore del generatore elettrico e del moltiplicatore di giri

ηm

- = rendimento del generatore elettrico

Solitamente conviene esprimere la potenza teorica rispetto alla superficie unitaria, esprimendola

cioè in kW/m^2 . 7

2. Dispositivi per la conversione di energia da correnti marine

2.1 Classificazione

È possibile estrarre energia dalle maree e da correnti marine utilizzando l'energia potenziale o

l'energia cinetica dell’acqua, perciò in base a questo principio si può effettuare una prima

distinzione tra centrali mareomotrici e idrogeneratori.

Le centrali mareomotrici sono progettate per sfruttare l’alternarsi delle alte e basse maree e sono

generalmente collocate in prossimità della costa. Durante l’alta marea, l’acqua defluisce verso un

bacino artificiale o naturale passando attraverso una serie di condotti, nei quali acquisisce energia

cinetica, la quale viene convertita dalla turbina in energia meccanica rotazionale e

successivamente dal generatore, collocato sullo stesso asse della turbina, in energia elettrica.

Mentre durante la fase di bassa marea, il deflusso verso il mare aperto della massa d’acqua

accumulata nel bacino durante l’alta marea, mette nuovamente in rotazione le turbine.

Un esempio di centrale mareomotrice si trova sull’estuario del fiume Rance in Bretagna, nel quale

si ha un’escursione di marea di qualche metro. La potenza installata di tale impianto è di 240 MW.

Figura 4. Centrale mareomotrice di Saint-Malo (Fonte: https://prezi.com/p/duieak8r50dx/centrale-mareomotrice-20/)

Con idrogeneratori si intendono turbine marine galleggianti e legate al fondale tramite un sistema

di ancoraggio, collocate direttamente sul fondo marino oppure a mezz’acqua. Questa tipologia di

impianti, considerati singolarmente, ha una potenza generata nettamente più bassa rispetto alle

centrali mareomotrici, ma anche una dimensione ed impatto ambientale di gran lunga inferiore.

Possono essere, inoltre, classificati in base alle modalità con cui estraggono energia dalle correnti

marine. 8

• Le turbine marine ad asse orizzontale:

Sono i dispositivi più utilizzati ed il principio di

funzionamento di base è lo stesso con cui le

turbine eoliche estraggono energia dal vento.

La differenza con le turbine eoliche è che la

velocità delle correnti marine in media è molto

minore a quella del vento, ma la densità

dell’acqua è di gran lunga più elevata, circa 800

volte quella dell’aria.

La velocità della corrente mette in rotazione il

rotore attorno ad un asse orizzontale che è a sua

volta collegato ad un generatore elettrico.

Figura 4. Turbine ad asse orizzontale fisse sul fondale marino (Fonte: Enea)

• Turbine ad asse verticale:

Questi dispositivi prevedon