Su una superficie oceanica apparentemente tranquilla si muove una piccola capsula, dentro la quale ruota ad alta velocità una pesante ruota d’acciaio. Le onde fanno oscillare lo scafo e, lungo un cavo, inizia a scorrere corrente elettrica. Non è un racconto di fantascienza, ma un progetto di ricerca reale portato avanti all’Università di Osaka. Un fisico giapponese mostra che un giroscopio galleggiante progettato correttamente potrebbe trasformare l’energia delle onde del mare in elettricità con un’efficienza pari a circa la metà dell’energia contenuta nelle onde stesse. Per ora il risultato esiste solo in simulazioni al computer, ma i numeri sono così promettenti che il progetto è vicino al passaggio dal mondo virtuale al mare aperto.
Il mare agitato come gigantesca centrale del futuro
L’idea di ottenere energia dalle onde oceaniche affascina gli ingegneri da decenni come fonte inesauribile e pulita di elettricità. Il vento e la luce solare vengono già sfruttati su larga scala, mentre gli oceani del mondo restano praticamente inutilizzati. Le ragioni principali sono due: il comportamento caotico e imprevedibile della superficie marina e le condizioni operative estreme. L’acqua salata provoca corrosione, le tempeste danneggiano le strutture e le correnti in continua variazione rendono difficile il funzionamento stabile degli impianti.
Il nuovo concetto, descritto in una rivista scientifica di alto livello, ruota attorno a un dispositivo chiamato GWEC – Gyroscopic Wave Energy Converter, cioè un convertitore di energia ondosa con giroscopio interno montato su una struttura galleggiante. L’idea di base non è del tutto nuova: ricorda il progetto ISWEC sviluppato al Politecnico di Torino. Il fisico giapponese, però, propone un approccio radicalmente diverso al controllo del sistema.
Come funziona il dispositivo giroscopico galleggiante
In termini semplici, il GWEC è una struttura galleggiante – qualcosa a metà tra una boa e una piccola imbarcazione – al cui interno è racchiusa una pesante ruota di inerzia che ruota ad alta velocità. La ruota è collegata a un generatore elettrico che produce corrente.
Quando un’onda solleva e poi riabbassa il dispositivo, l’intera struttura si inclina. Il giroscopio, per il principio di precessione, si oppone al cambiamento della propria orientazione nello spazio e genera una resistenza. Questa resistenza assume una forma molto concreta: un momento meccanico che può essere “catturato” e trasformato in energia elettrica.
Il GWEC galleggiante trasforma quindi l’oscillazione disordinata delle onde in un movimento più regolare del giroscopio, che a sua volta viene convertito in elettricità utile per alimentare la rete.
Le soluzioni sviluppate finora, però, presentavano un grave limite: erano progettate in modo rigido per un determinato tipo di onda. Quando le condizioni del mare cambiavano – onde più alte o più basse, più ripide o provenienti da un’altra direzione – l’efficienza calava drasticamente. È un po’ come avere pannelli solari fissi in una sola posizione: funzionano bene solo in un intervallo ristretto di condizioni.
La svolta: un dispositivo che si “adatta” da solo alle onde
Takahito Iida, dell’Università di Osaka, ha affrontato il problema da un’altra angolazione. Invece di progettare un unico sistema rigido, ha creato un modello matematico molto dettagliato e ha simulato il comportamento del dispositivo in un’ampia gamma di condizioni d’onda. Per farlo ha utilizzato la cosiddetta teoria lineare delle onde, che le descrive come oscillazioni regolari e prevedibili.
Si tratta di una semplificazione rispetto al mare reale, caotico e irregolare, ma offre un potente strumento: permette di testare migliaia di varianti in un ambiente digitale sicuro e di individuare quali parametri costruttivi risultano più vantaggiosi.
Sulla base di queste analisi, il ricercatore ha concluso che il GWEC deve essere in grado di regolare dinamicamente, in tempo reale, almeno due elementi: la velocità di rotazione della ruota di inerzia e la resistenza del generatore, cioè la “forza frenante” che viene trasformata in corrente.
Un sistema di questo tipo funzionerebbe in modo analogo a un sistema di sospensioni attive in un’auto: invece di un’unica taratura rigida, l’elettronica modificherebbe costantemente il comportamento del dispositivo in base alle condizioni del momento. L’onda cresce? Aumentano anche le richieste al sistema. Il mare si calma? Il dispositivo passa a una modalità più “leggera”.
Le simulazioni mostrano che, con un controllo adeguato, il convertitore giroscopico può raggiungere un limite teorico di circa 50% dell’energia dell’onda catturata.
Perché il limite fisico è circa il 50%
Questa percentuale può sembrare modesta rispetto ai sogni di “efficienza quasi al 100%”, ma la fisica pone vincoli molto rigidi. Per un dispositivo che oscilla sulla superficie dell’acqua esiste un limite preciso: nessun convertitore di questo tipo può estrarre da un’onda più di circa la metà della sua energia, altrimenti l’onda stessa si estinguerebbe prima di raggiungere il dispositivo.
La situazione ricorda quella dell’energia eolica, dove vale il cosiddetto limite di Betz: una turbina non può catturare più di circa il 59% dell’energia cinetica del vento, se deve lasciar passare ancora aria oltre le pale. Per quanto geniale possa essere il progettista, questa soglia non può essere superata senza violare le leggi fondamentali della natura.
Per questo il fatto che il modello di Osaka raggiunga circa il 50% su un ampio spettro di onde comuni entusiasma gli esperti. Significa un dispositivo che, in teoria, lavora molto vicino alle possibilità massime permesse dalla fisica stessa.
Dove finisce la matematica e iniziano i problemi reali
Le simulazioni sono una cosa, l’oceano ne è un’altra. Quando il ricercatore ha “alimentato” il modello con onde irregolari e asimmetriche, simili a quelle del mare aperto, l’efficienza ha iniziato a diminuire. Il calo è risultato più marcato durante le grandi onde disordinate, proprio nei momenti in cui il potenziale energetico dell’acqua è più elevato.
Emergono anche problemi molto pratici, a partire dall’alimentazione del giroscopio stesso. La ruota di inerzia non ruota all’infinito senza attrito. Deve ricevere energia in modo regolare per mantenere l’elevata velocità di rotazione e superare le resistenze meccaniche.
Se l’energia necessaria a mantenere in moto il giroscopio risultasse troppo alta, potrebbe consumare una parte significativa dell’energia ricavata dalle onde e, nel caso peggiore, rendere l’intero impianto energeticamente svantaggioso.
L’autore dello studio non ha ancora incluso in modo completo nei calcoli i cosiddetti “costi propri” del sistema. Una valutazione reale della redditività sarà possibile solo quando gli ingegneri avranno costruito un prototipo fisico, collegato l’elettronica, messo in funzione gli ingranaggi e misurato tutto in chilowattora prodotti rispetto a quelli consumati.
Dai calcoli alla prima boa in mare
Nonostante questi limiti, il team di Osaka sta chiudendo la fase puramente numerica del progetto. Sono in corso i preparativi per la costruzione e il test di un prototipo fisico. La prima fase probabilmente prevede prove in scala ridotta in vasche ondose artificiali, dove la forma e la frequenza delle onde possono essere controllate con precisione. Il passo successivo sarà la sperimentazione in acque aperte, con un mare reale e imprevedibile.
Il ricercatore vuole inoltre testare un’idea meno intuitiva: invece di una struttura perfettamente simmetrica, sta valutando galleggianti con forme volutamente asimmetriche. L’obiettivo è far sì che il dispositivo reagisca in modo diverso a onde provenienti da direzioni e con ritmi differenti. Secondo le analisi preliminari, una forma “irregolare” potrebbe aggirare parte dei limiti imposti dai modelli tradizionali e spingere il limite pratico di efficienza leggermente oltre l’attuale soglia.
Per ora si tratta solo di un’ipotesi: solo i test mostreranno se questo approccio ha davvero senso o se si tradurrà in una serie di esperimenti costosi senza vantaggi significativi.
Confronto con altre fonti e sfide dell’energia dalle onde
Se dispositivi di questo tipo dimostreranno di funzionare bene, le regioni costiere potrebbero ottenere un nuovo strumento per alimentare città, porti e impianti industriali. Nel lungo periodo le onde risultano più prevedibili del vento e, a differenza del sole, non “scompaiono” per un’intera notte. In combinazione con l’eolico offshore e i pannelli solari a terra si potrebbe creare un mix in cui le diverse fonti si compensano a vicenda.
Esistono però diversi rischi e criticità:
- costi di installazione e manutenzione in ambiente marino aggressivo
- complessità tecnica dei sistemi di controllo attivo
- impatto potenziale su ecosistemi marini locali
- interferenze con rotte di navigazione e attività di pesca
- concorrenza di soluzioni più mature, come grandi parchi eolici e sistemi di accumulo
Una singola boa ha un’impronta ecologica minima, ma un campo esteso di dispositivi può modificare le condizioni locali per pesci, mammiferi marini e traffico marittimo. A questo si aggiunge la domanda, tutta economica: gli investitori riterranno conveniente puntare su sistemi a onde più complessi, quando esistono già tecnologie consolidate per accumulare energia e sfruttare il vento?
Cosa può cambiare per chi consuma energia
Se tecnologie come il GWEC dovessero diventare comuni, l’utente medio potrebbe non accorgersene direttamente, salvo per un effetto: maggiore stabilità delle forniture da fonti rinnovabili. Le onde possono lavorare quando il vento cala e il cielo è coperto. Per i gestori di rete questo rappresenta un prezioso “riempimento dei vuoti”, che riduce la necessità di avviare centrali di backup a gas o a carbone.
Un esempio viene dai Paesi che hanno già puntato molto sul mare, come Danimarca e Regno Unito per l’eolico offshore. In futuro, accanto ai parchi eolici potrebbero comparire campi di convertitori d’onda galleggianti, destinati ad alimentare parte delle infrastrutture portuali, gli impianti di desalinizzazione o le microreti locali sulle isole.
Se il lavoro del gruppo di Osaka dimostrerà che il sistema giroscopico è davvero efficiente e resistente, progetti energetici in altri mari – compreso il Baltico – potrebbero iniziare a considerare seriamente questa tecnologia come complemento alle fonti rinnovabili già esistenti.
FAQ
L’energia dalle onde può diventare una fonte principale come eolico e fotovoltaico?
Al momento l’energia dalle onde è ancora in una fase di sviluppo meno avanzata rispetto a eolico e fotovoltaico. I costi sono più alti e le tecnologie non hanno ancora una lunga storia di funzionamento su larga scala. Tuttavia, in alcune aree con mare particolarmente favorevole, nel medio-lungo periodo potrebbe diventare una componente importante del mix energetico, soprattutto per stabilizzare la produzione rinnovabile.
Il limite del 50% di efficienza vale per tutti i dispositivi a onde?
Il limite fisico descritto riguarda in generale i sistemi che estraggono energia da onde che devono continuare a propagarsi oltre il dispositivo. Diverse configurazioni possono avvicinarsi di più o di meno a questo limite, ma non superarlo senza cambiare la natura del processo. Il valore intorno al 50% è quindi un obiettivo teorico massimo per convertitori come il GWEC, non una soglia specifica solo per il progetto giapponese.
