Energie 2015 - Stesecoetica

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Energie 2015

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SVILUPPO AD OGGI


Innovazione e Ricerca
Brevetto n. 1411057


INNOVATIVA
PRODUZIONE DI ENERGIA MARINA
E PROTEZIONE DELLE COSTE
TRAMITE
BARRIERE DI TURBINE GALLEGGIANTI


Ing Manlio Palmarocchi

Ing. Pierfranco Ventura


Roma  2015

In inglese: oggi/dissesti





1 - PROPOSTA


La produzione di energia marina accoppiata alla protezione delle coste è stata ufficializzata con il brevetto n 1411057 comprovato a livello europeo dal Patent Office di Monaco ed è proposta come Innovazione e Ricerca dagli Ing. Manlio Palmarocchi (ex ENI e EUBIA European Bioenergy Industries Association) e Pierfranco Ventura (ex Dip. Ing. Strutturale e Geotecnica Univ. Sapienza).
   La proposta è nata nell’ambito degli sviluppi per la Salvaguardia dell’Ambiente promossi dalla STES (www.stesecoetica.it)  Organizzazione di Volontariato Culturale sorta nel 1989 per estendere i valori della Bioetica alle varie Discipline in modo da rispettare la Vita in tute le sue fasi.
Di seguito si evidenziano i vantaggi della proposta sia rispetto a quelli degli altri convertitori di energia dalle onde del mare (WEC) sia dei tradizionali sistemi di difesa delle coste in erosione e si riporta una valutazione economica esemplificativa per i primi prototipi, su un fondale di bassa consistenza a 6 m sotto il livello del mare.
   Il brevetto serve soprattutto per innescare iniziative imprenditoriali sulla produzione di energia marina e dare luogo  inizialmente ad una Ricerca per la realizzazione di prototipi in vera grandezza in modo da tarare l’efficienza di nuove giranti sottocosta e successivamente per la difesa "morbida" delle coste con innovative stese di turbine in barriere sfalsate riconvertendo le protezioni attuali.
   L’utilizzo dell’energia rinnovabile, dalla trasformazione dell’energia delle onde offshore in correnti marine inshore, è proposto soprattutto per sostenere economicamente la difesa delle coste contenendo le spese attuali, riconvertendole in nuove tecnologie ecologiche, non sostenute solo da incentivi eccessivi, come verificatosi in Italia.
 Le protezioni  e manutenzione attuali sono tradizionalmente incentrate sui ripascimenti artificiali con sabbie sistematicamente asportate dalle mareggiate invernali che sconvolgono anche il fondale sopraflutto alle scogliere emergenti vicine alle spiagge ed i  tratti di litorale adiacenti non protetti.
    I danni e sprechi sono certi da decenni: urge pertanto una Conversion of beach  nourishment nei Lavori Marittimi per la difesa delle coste, anche e specialmente in relazione all’innalzamento del livello dei mari a causa dei cambiamenti climatici.


2 - PROTOTIPI DI RICERCA E INNOVAZIONE TECNOLOGICA

La stesa di convertitori innovativi per la produzione di energia marina viene proposta come barriera frangicorrenti sottocosta per prevenire l’erosione delle coste.  




   I convertitori sono stati progettati per essere sperimentati in prototipi in modo da valutarne l’efficienza e stimarne i contributi economici a sostegno della difesa delle coste e delle entrate economiche dei Comuni rivieraschi, anche favorendone gli indotti turistici e nautici.
    Le onde offshore pulsanti solo verticalmente, figura 1, con energia stazionaria, si trasformano in correnti nella fascia sottocosta ove il fondale risale con piano inclinato fino alla spiaggia, passando da una zona di innesco correnti, con il fondale ancora privo di erosioni, ad una zona ove le correnti sono intense e sul fondale si verificano le massime erosioni fino a far arretrare il litorale, quando è stato gravemente alterato dall’asportazione delle dune e della macchia Mediterranea.
   Le indagini, specie con rilievi batimetrici stagionali e tramite mappatura iniziale con correntometri, devono accertare tale fascia delle correnti marine intense, in modo da ubicare le turbine ove possono funzionare con il maggior rendimento possibile.
    Le turbine prototipo solo nella prima fase sperimentale sono fulcrate su un palo-briccola di acciaio fondato su plinti-zavorra, in modo da resistere isolatamente alle mareggiate ed essere facilmente varabili e spostabili per ricercare, con l’ausilio del monitoraggio tramite correntometri, la fascia più efficiente sottocosta, ove bisogna ricostituire la formazione della barra mobile invernale.




           Si richiama che tale duna sommersa oscillando sul fondale smorza naturalmente la  trasformazione dell’energia delle onde offshore in correnti inshore attenuando i fenomeni di erosione insieme allo smorzamento del vento effettuato dalle dune a dalla vegetazione sul litorale.
   La perdita di tutti questi presidi naturali, prodotta dai gravi danni ambientali, può essere arginata con le barriere di convertitori proposti, oltre a contribuire all’urgente necessita di ridurre i gas serra per arginare i gravi cambiamenti climatici tramite l’incremento di nuove produzioni rinnovabili.
   I prototipi delle turbine (blu converter) sono costituiti da una girante ad asse verticale con pale, pressofuse in vetroresina rinforzate in alluminio, con nervature simili a quelle delle ali degli uccelli e forme a farfalla, fig. 2, con le massime dimensioni per sfruttare efficientemente le correnti marine.
  Le pale sono fulcrate intorno ad un mesogalleggiante, ovvero con peso complessivo del monoblocco pale-rotore dinamo equivalente a quello dell’acqua, in modo da renderlo in equilibrio sommerso indifferente, con rendimenti oltre 10 volte superiori all’eolico.
  Il dimensionamento del galleggiante è inoltre a trottola in modo da bilanciare inerzialmente il monoblocco dinamo-pale girante sullo stelo, al fine di ridurre al massimo gli attriti con lo stelo fissato alla zavorra.

La fondazione a pianta circolare è a innesto eccentrico per resistere alle mareggiate; solo per i prototipi isolati è in c.a. spostabili in modo da ricercare inizialmente l’ubicazione con le correnti marine misurate più efficienti. Il basamento dei prototipi può essere fatto anche zavorrando relitti di barche con eventuali contrappesi mobili per consentire
tarature sperimentali dell’ancoraggio in sito, mentre per la produzione prefabbricata di serie in barriere, gli steli sono innestati su pozzetti  vibroinfissi aperti alla base e auto-zavorrati con la sabbia del fondale (par. 7), senza uso di cemento.
    Le pale sono piatte a "farfalla" e sagomate con bordature verticali piegate "ad unghia" per innescare il moto rotatorio, mantenendo però alta la superficie maestra di spinta delle correnti.
    La girante può in tal modo ruotare alla minima corrente superficiale, favorita anche da pale con rivestimento idrorepellente, aumentando molto le ore di produzione di elettricità tramite una dinamo multipolare stagna, con inverter di ultima generazione, solidale ad un albero coassiale e posta fuori dal livello del mare per semplificare l’impermeabilizzazione e la relativa manutenzione.
    Il sistema viene monitorato con telewattemetri tramite una centralina da terra che registra anche i dati dei correntometri, in modo da misurare l’efficienza fra l’energia cinetica marina e quella elettrica certificata.
    La resistenza alle mareggiate viene valutata in modo simile a quello delle briccole di attracco a largo, con rigidezza maggiorate da nervature radiale dello stelo che imita quella delle spighe di grano, e con verifiche dinamiche assimilabili a quelle in campo sismico degli oscillatori semplici, con periodi propri quasi nulli lontani dalla risonanza, essendo la massa annullata dal galleggiamento.
    Si evidenzia inoltre che l’ubicazione a mare della stesa di turbine ricade subito dopo il tratto in cui le onde offshore si trasformano in correnti inshore, ovvero in una zona in cui le mareggiate  si attenuano prima di esaltarsi sul fondale inclinato.
     La barriera va adattata, con il progetto esecutivo, alla profondità batimetrica del sito prescelto specie in funzione dell’energia delle onde che variano da 1 a 10 kWh/m, con ad esempio 5 kWh/m, nel mare Tirreno.
    Il costo delle indagini, modellazione, progetto esecutivo, costruzione delle turbine prototipi, installazione e monitoraggi specie della sagomatura delle pale, si stima in circa 1 milione di euro comprensivo delle tasse italiane che non tengono conto della Ricerca in Cantiere.
    Tali  costi sono molto riducibili nel caso di produzione di serie in barriere, gestiti da più partner specializzati e con regimi fiscali più equi per investimenti sulle innovazioni.
    Le indagini per ubicare le turbine, oltre a quelle tipiche del ripascimento artificiale (§ 4), vanno incentrate sulla ricerca della fascia di oscillazione sul fondale della barra mobile invernale, ovvero dove le onde offshore si trasformano in correnti inshore.
   Tale batimetria può essere rilevata con i droni con telecamera all’infrarosso e integrata con un campo boe di correntometri a diverse distanze dal litorale, con misure integrabili anche spostando i prototipi strumentati; i rilievi stagionali vanno effettuati .almeno per i primi 2 anni (follow-up) per i prototipi, estensibili poi alle barriere in modo da controllarne l’efficacia antierosione.
  Nella fase di monitoraggio dei prototipi le pale possono essere inoltre strumentate con moderni estensimetri estesi e con i più efficienti rivestimenti idrorepellenti che imitano ad esempio la pelle degli squali.
   Nella seconda fase sperimentale le barriere di giranti rilevate più efficienti e smorzanti le correnti marine superficiali potranno anche essere accoppiate alla base a reti o frange pesanti (fig. 6), imitanti la poseidonia, per smorzare contemporaneamente le correnti marine  prossime al fondale.
   Le nuove giranti disposte a pettine, paragrafo 7, tipo barriera corallina artificiale, assolvono pertanto anche la funzione di frangiflutti per la protezione "morbida" delle coste in erosione.
   In merito si sono svolte prove nella vasca navale dell’INSEAN a Roma su modelli di frangiflutti in scala ridotta 1:4 che hanno evidenziato un sensibile comportamento smorzante della barriera trasversale alla vasca con pareti verticali peggiorative della realtà.
   Il modello, costituito da cilindri galleggianti Φ20 orizzontali con 4 alette radiali ed incatenati a zavorre sul fondo vasca, pur se diverso da quello della turbina sopra descritta ha presentato una crescente efficacia di smorzamento all’incrementarsi della frequenza delle onde incidenti corrispondente a una riduzione dello spettro dell’energia dissipata rispetto a quella impressa dalla paratia pulsante simulante un’altezza d’onda significativa (media di un terzo delle altezze d’onda più alte) corrispondente a H 1/3 = 1,5 m e periodo medio caratteristico T 1 = 3s,  tipici del Mare Tirreno.

3 – OBIETTIVI E RICADUTE VANTAGGIOSE

La Ricerca si articola in una prima fase di realizzazione a mare in vera grandezza di giranti prototipi brevettate in modo  da  validarne l’efficienza  e la scelta dei materiali più duraturi per le turbine di serie da disporre in barriere.
   Si perseguono poi gli obbiettivi e ricadute principali incentrati sulla seconda fase sperimentale riguardante la dissipazione "morbida" dell’energia marina sfalsando stese "a pettine" di turbine  mesogalleggianti utilizzate come frangiflutti, o meglio barriere frangicorrenti sottocosta, a qualche centinaio di metri dal litorale, per la protezione delle spiagge in erosione.
Le barriere "blu energy reef" depotenziano le velocità dei flussi  in arrivo verso i litorali e favoriscono nel contempo la deposizione delle sabbie ovvero il ripascimento naturale del fondale interessato, evitando apporti artificiali.  
   Si prevede una sufficiente fonte di entrate economiche fino al bilanciamento del costo dell’energia elettrica (energy parity) e specialmente il contenimento dei costi della manutenzione specie dei ripascimenti artificiali e delle scogliere in massi emergenti, con sensibile risparmio della spesa pubblica e sui contenziosi (spending review).  
  Si toglierebbero infatti le scogliere emergenti, anche trasformandole in pietrisco per ripascimento artificiale, con eliminazione delle forti erosioni nei tratti laterali alle scogliere, nonché dei continui scalzamenti dei fondali sabbiosi specie nei tratti centrali sopraflutto e dell’eutrofizzazione  in particolare sottoflutto alle scogliere vicino alla spiaggia.
  La protezione delle coste verrebbe trasformata in barriere sottocosta segnalate dalle cuffie/boe illuminate, con la possibilità anche di realizzare attracchi per la nautica da diporto, favorendo la ricarica delle batterie ed evitando d’intasare in estate  i porti.
  Si favorisce poi il recupero del paesaggio litoraneo, il controllo delle coste illuminate di notte, la protezione dei bagnanti dai natanti, l’attecchimento delle praterie marine con il riequilibrio dell’ecosistema marino per la riproduzione dei pesci e dei mitili su fondali non più desertificati.
  Si sviluppano nuovi posti di lavoro anche favorendo la formazione per la riconversione del personale nei campi delle attività: elettromeccaniche, nautiche e specie delle opere marittime e della manutenzione.
  Si costituirebbero vere e proprie Aziende con conseguente aumento del fatturato e l’acquisizione di nuovi mercati nazionali ed esteri per difendere i litorali, estendendone e incrementandone il livello sabbioso e anche per presidiarli dall’innalzamento del livello dei mari causato dai cambiamenti climatici.
La proposta può dare luogo ad un Centro Innovazione e Ricerca sulle Energie Rinnovabili,  specie sperimentale in vera grandezza, estendibile alla geotermia, biogas da rifiuti organici e liquami, solare termico, ecc. con riconversioni ecologiche delle produzioni di energia da fossili di fondamentale importanza e per ridurre i gas serra mondiali.
Si ribadiscono soprattutto i seguenti vantaggi:
Riconversione dei  costi dei ripascimenti e delle scogliere emergenti per la difesa delle spiagge e relativa manutenzione periodica in investimenti di protezione connessi a stese di turbine per la  produzione  di energia elettrica ammortizzabile già con 1 MW per anno a chilometro sottocosta.
Efficienza e durata in esercizio delle turbine galleggianti, di semplice costruzione, è verosimilmente elevata e rapidamente controllabile con una Ricerca su pochi prototipi.
Si evidenzia in proposito che un incremento delle superfici delle pale, con poca spesa, consente di aumentare molto la produzione di energia marina, rendendo le giranti mesogalleggianti  le più economiche fra le fonti rinnovabili, fino alla competitività con la produzione a gas.
Si ottiene poi il contenimento della produzione di CO 2 e accumulo di sabbia sul litorale per arginare l’innalzamento del livello del mare in atto a causa dei cambiamenti climatici e previsto dall’ONU (IPCC) superare il metro entro i prossimi decenni se non si dimezzano globalmente i gas serra fino a 3 t CO 2 /anno per abitante del mondo, cominciando da riduzioni del 3% /anno dei paesi ricchi, ancora possibili economicamente.
Le turbine ubicate sottocosta risentono poco delle mareggiate in quanto ricadono dopo la fascia (fig.1) ove l’energia stazionaria del moto ondoso offshore si trasforma, sul basso fondale, in correnti inshore orizzontali;  in ogni caso azioni molto aleatorie sono scarsamente trasmesse dalla trottola galleggiante potendo ruotare liberamente intorno allo stelo di sostegno.
Riattecchimento delle praterie marine con il ripristino dell’ecosistema tramite lo sviluppo della poseidonia e il ripopolamento ittico lungo le fasce di 300 ÷ 500 m dal litorale protette dalle barriere artificiali proposte, utilizzabili anche per le colture di mitili, e assimilabili alle barriere coralline.  
Sul livello del mare rimane visibile solo lontano la serie di boe rosse illuminate sulle teste delle turbine, collegate in barriere ove si produce energia che va poi a terra, in modo da delimitare la "no fishing zone" interrotta solo nei passaggi dedicati alla nautica da diporto.
Eliminazione dei prelievi di sabbia con sorbone sui fondali a largo per ripascimenti artificiali.
Eliminazione delle scogliere emergenti e delle ricariche con i massi (primaverizzazione dopo le mareggiate) consentendo la riqualifica del paesaggio, evitando di bloccare le alghe da eutrofizzazione e favorendo il disinquinamento.
Le turbine funzionano anche in emergenza in caso di terremoto in quanto sono assimilabili ad oscillatori semplici antisismici, presentano infatti una massa in sommità nulla essendo mesogalleggiante e pertanto un periodo proprio nullo lontano dalla risonanza nello spettro marino.
Disponibilità ulteriore di energia sia lungo i litorali che nei porti come pure tramite attracchi lungo le barriere per la nautica da diporto in transito, specialmente con sviluppo dei moderni sistemi di energy storage ed evitando il sovraffollamento estivo dei porti.
Aumento della sicurezza tramite l’illuminazione permanente delle barriere che fa da deterrente, la barriera difende poi i bagnanti; si può sviluppare il turismo subacqueo per visitare le turbine, allestendo anche tratti della barriera a parco giochi e fish-watching.
Sviluppo di nuovi posti di lavoro nei campi della ricerca sull’energie rinnovabili, elettromeccanica, opere marittime, difesa ecosistemi marini, manutenzione e sicurezza delle coste.

4 – CONTRIBUTI E LIMITI NELLA PROTEZIONE DELLE COSTE

I tradizionali interventi di protezione nei casi di elevata erosione delle coste sono incentrati sul ripascimento artificiale con sabbia prelevata a largo e su scogliere in roccia variamente orientate vicino ai litorali in erosione o pennelli fino ai rivestimenti ed alle difese rigide aderenti.
Altri sistemi di prevenzione e protezione delle coste, specie in casi di contenuta erosione, rientrano negli interventi d’ingegneria naturalistica e si articolano in conservazione delle dune costiere con integrazioni di graticciate in più strati e vegetazione costiera raffittita nei primi anni per mantenere le barriere frangivento. Ben più rara è la demolizione del retrospiaggia e la ricostituzione della macchia mediterranea a cuneo vegetale che, insieme ai cordoni dunali, innalzano il vento dal litorale proteggendolo dall’erosione, anche tramite vivai di praterie marine piantumate nel fondale.
In presenza di dune litoranee, i validi interventi naturalistici di conservazione specie di nuova vegetazione rischiano di non attecchire in assenza di fondi per la manutenzione pluriennale.
Tali interventi di difesa delle coste presentano vari limiti fino a rischi di sprechi in funzione del crescere della gravità delle perdite di mitigazione naturale dell’ energia del mare in relazione al livello di degrado del litorale correlato alla geomorfologia e alla batimetria del sito da proteggere.
In presenza di elevata erosione delle coste, specie dove sono state tolte le dune e la macchia mediterranea, gli interventi naturalistici di piantumazione o di fascinate e simili sono rapidamente passibili di essere distrutti dal vento; l’uso di estesi materassi stabilizzanti il fondale ha dato qualche contributo locale antierosione, non ottenuti con i tubi sommersi ripieni di sabbia.
Il ripascimento artificiale comporta poi il prelievo della sabbia da cave marine a largo tramite sorbone, rovinando i fondali più delle reti a strascico, e pompando sabbia anche sulle spiagge per la balneazione estiva con riporti anche innaturali sia granulometricamente (prelievi a terra) che planimetricamente (spiagge mai esistite).
L’asportazione e dispersione sistematica della sabbia durante le mareggiate invernali, oltretutto, insabbiano eventuali porti vicini ed intaccano nuovamente la spiaggia completamente o scalzandola a cerchi in particolare fra le scogliere e in modo ancora più esteso in presenza di alterate
variazioni artificiali dei paraggi delle coste.
Interventi di protezione delle spiagge con scogliere o con difese rigide aderenti, modificando le correnti e le onde frangenti, esaltano l’erosione nei tratti limitrofi non protetti, specie a distanze entro il doppio della lunghezza della scogliera.
Si verifica inoltre uno scalzamento del fondale al piede della scogliera che esalta le onde sopraflutto e le mareggiate invernali con conseguente scoscendimento che comporta la sistematica ricarica sommitale con massi, nota nel campo della manutenzione dei lavori marittimi come "primaverizzazione".
Le scogliere possono rovinare l’ecosistema dei sedimi del fondale, specie creando una geomorfologia irregolare con turbolenze e rip current e impedendo il ripascimento naturale della sabbia per la formazione di barre, secche ed attecchimento delle praterie marine.
La vicinanza dei massi alla spiaggia da pure luogo a fenomeni di eutrofizzazione con crescita di alghe in caso di eccesso di fertilizzanti agricoli nell’acqua carente di ricambio e ossigenazione, essendo rallentato dalle scogliere il flusso marino verso il largo.
Il potenziale ripristino del sistema naturale di protezione delle coste è fortemente alterato e reso dipendente da tali scogliere, con inoltre un grave impatto negativo sul paesaggio litoraneo e l’attrattività turistica, con conseguenti perdite economiche private e demaniali.
La tematica della difesa delle coste e del recupero di energia deve tener conto soprattutto della prima descritta (fig. 1) variazione del moto ondoso da solo verticale in mare aperto (offshore), a sotto costa (inshore) dove s’instaura lo spostamento superficiale dell’acqua marina verso la spiaggia (cross-shore) e le correnti in eccesso sul fondale rendendolo passibile di erosioni.
Vanno poi considerate le correnti più o meno costanti e più o meno intense che spesso seguono la linea della costa (long shore) e che sono sempre smorzate dalle giranti proposte opportunamente sfalsate verso il litorale, specie per rendere efficaci in mare aperto gli interventi esecutivi antierosione rendendoli adattabili ai finanziamenti in lotti.
La realizzazione del ripascimento artificiale protetto al piede da scogliere soffolte o da tubi e materassi sommersi pieni di sabbia, di forma e altezza proporzionata per favorire il ripascimento naturale e non esaltare le correnti di superficie
, presentano protezioni che possono ridurre la manutenzione del ripascimento ma offrono comunque difese rigide.
Tali opere marittime non sono paragonabili alla difesa naturale "morbida" delle dune sommerse invernali oscillanti sul fondale in modo da smorzare le correnti che provocano l’eccesso di erosione.
Più di recente sono stati proposti nuovi tipi di difese sommerse tipo le reef ball o geocontenitori cementizi forati stesi per contenute altezze sul fondale in modo da dissipare le correnti e favorire l’habitat dei pesci, senza ammassarli nelle reti per l’acquacoltura.
Le correnti in eccesso specie superficiali sono peraltro verosimilmente contenibili con la barriera di turbine "morbida" proposta, simile agli impianti di coltivazione a largo dei mitili o più in generale alla barriera corallina o alle dune sommerse di poseidonia (matte).


5 – COSTI RIPASCIMENTI E  SCOGLIERE A CONFRONTO CON LE BARRIERE

I costi preliminari, da valutare su una lunghezza significativa di fascia litoranea, riguardano le indagini articolate nei rilievi batimetrici, rilievi aerofotogrammetrici delle mareggiate con i droni fino ai satelliti, valutazione dello spettro delle onde più rappresentativo dei venti prevalenti nel settore di traversia, rilievo geomorfologico, prove geotecniche sui sedimi del fondale ed analisi idrodinamica del progetto esecutivo degli interventi.
I costi del monitoraggio servono per controllare in esercizio i provvedimenti antierosione, a cominciare dai semplici confronti fotografici mensili del litorale, in modo da validarne l’efficienza e programmare  la manutenzione, in base al metodo osservazionale previsto dalla normativa vigente.
Si possono installare ondametri offshore, correntometri inshore (da 3D Doppler, al micro mulinello fino a consumo di gesso) e svolgere l’elaborazione periodica dei dati in modo da programmare le ispezioni subacquee ed i controlli batimetrici stagionali.
I costi dei lavori di ripascimento dipendono soprattutto dall’assortimento granulometrico, dal rapporto di consistenza fondale/riporti, dall’estensione e pendenza batimetrica del fondale nell’inshore che condiziona le correnti marine, le quali risentono molto della ciclicità termica e atmosferica del vento terra-mare rispetto al moto ondoso offshore stazionario, in quanto non condizionato dal fondale poco profondo.
Una fascia di ripascimento  a puro titolo di esempio lunga 1 km ed estesa 350 m per il ripristino sia della spiaggia sia del fondale stabilizzato, con spessore medio di 1 m comporta 350000 m 3di sabbia, con sottrazione a largo equivalente ad un cubo di 70 m di lato di dragaggio.
Se si considera un costo medio della sabbia satura non pulita sciolta da cava marina dell’ordine di 8€/m 3 risulta un costo iniziale del ripascimento dell’ordine di 3 milioni di euro, rapidamente crescente con il tipo di fondale, come delineato in figura 3, specie se si effettuano sistematici ripascimenti dopo ogni erosione invernale, in particolare nei litorali alle foci dei fiumi con a monte dighe, per carenza di trasporti solidi.
La manutenzione è ancor più accentuata se il ripascimento ripristina solo la spiaggia o esigui tratti del fondale per carenza delle indagini, granulometria, progetto e monitoraggio predetti.



       
Per ridurre le successive erosioni si realizzano delle scogliere soffolte di massi naturali al piede del ripascimento artificiale, per cui ad esempio con massi di roccia sommersi a sezione trapezia, in parte autoaffondante nei sedimi del fondale, con scarpate estese il doppio di quelle all’asciutto e con eventuale mantellata per trattenere la sabbia, il costo per altezze di pochi metri s’incrementa di massima di 1 milione di euro, con costi complessivi iniziali dell’ordine di 4 milioni euro/km per l’esempio schematizzato.
Tale stima è riducibile se si realizza la sola scogliera soffolta senza il solo ripascimento artificiale, con tempi di ricostituzione del litorale per ripascimento naturale ovviamente più lunghi.
In ogni caso sono notevoli i costi di manutenzione dei ripascimenti, figura 3, specie cumulati negli anni e non sempre mitigati dalla protezione soffolta a margine della sabbia riportata e spesso letteralmente dispersa a mare dalle correnti specie litoranee.
I costi poi delle scogliere vicino alle coste variano con la distanza dalla cava di roccia e crescono rapidamente con la profondità del fondale, essendo la base della fondazione il lato lungo di una sezione a trapezio alto fino all’emersione per il frangimento delle onde.
I costi s’incrementano ulteriormente a seconda dell’entità delle ricariche sommitali di manutenzione dopo lo  scalzamento causato dalle mareggiate.



     L’incremento dell’altezza dello stelo delle turbine al crescere del tirante d’acqua sul fondale incide invece molto poco sui costi della barriera di mesogalleggianti rispetto alle scogliere.
   Un ulteriore obbiettivo può essere il riciclo dei massi delle scogliere emergenti, eliminandole dal paesaggio, e trasformando le rocce in pietrisco in modo da ottenere una granulometria pesante, senza le frazioni limo-argillose facilmente  prelevabili a largo e asportabili dalle mareggiate.
   Ciò consente di riconvertire la difesa delle coste con le barriere di turbine a pettine sottocosta posizionate nella fascia della barra invernale, anche a protezione più duratura di ripascimenti artificiali.

6 – CONTRIBUTI E LIMITI NELLA PRODUZIONE DELL’ENERGIA MARINA

Grande fermento di brevetti si è sviluppato negli ultimi decenni per la produzione di energia marina a partire peraltro dai primi progetti illuministici di macchine idrauliche, fino alle stime attuali di notevoli contributi in TWh/anno della produzione oceanica di energia rinnovabile.
   La produzione di energia marina, che in Italia è ancora lontana da realizzazioni commerciali, presenta una forza potenziale immensa e tale che l’innovazione tecnologica e la Ricerca non può permettersi di trascurarla economicamente, specie come si propone se si accoppia la produzione di energia marina alle barriere per la protezione delle coste dall’erosione (par. 7).
L’ENEA è interessata alla scelta dei siti e nelle Università di Napoli, Milano, Torino sono stati elaborati alcuni prototipi nel campo della Ricerca ed Innovazione Tecnologica; Enel Green Power ha allo studio un prototipo oscillante verticalmente a largo di Castiglioncello, mentre l’Enel a Civitavecchia sperimenta turbine a colonne oscillanti frangionde inserite nel molo.
Una giornata di studio sulle proposte italiane è stato promosso dalla STES a Roma il 7 giugno 2012 (www.stesecoetica.it) descrivendo anche l’intensa attività iniziata già da vari decenni all’estero (Orchadi, Bordeaux, .Cork, ecc.)
Le tipologie elettromeccaniche di produzione di energia marina si articolano in almeno una decina di categorie (EMEC, ENEA, MechLav ecc.) di seguito si richiamano i principali, tralasciando i sistemi che sfruttano la pressione osmotica salina o i differenziali termici profondi e le produzioni dalle maree o alle foci dei fiumi specie per maree tipo mascaret.
Una fonte importante di energia marina è quella dovuta alle correnti marine profonde offshore (grandi turbine Sabella Francia, Open Center Scozia, ecc.) o negli stretti (Kobold Messina, ecc.) convertibile tramite turbine marine sui fondali simili a quelle eoliche.
Produzione di energia minore presentano i sistemi che convertono l’energia cinetica delle onde del mare in energia elettromeccanica (Wave Energy Converter WEC) utilizzati anche per pompare acqua in quota e cumulare energia potenziale per turbine (Searaser UK) o per desalinizzare l’acqua del mare (in Australia CETO dal nome greco della dea del mare).
Si richiama che le oscillazioni delle onde sono solo verticali nel mare a largo offshore in quanto le particelle d’acqua innalzate superficialmente dal vento non si spostano orizzontalmente per il rispetto dell’equilibrio simmetrico in un semispazio liquido (Boussinesq).
Pertanto i convertitori possono essere dei galleggianti puntiformi ancorati sul fondale che muovono assorbitori con pistoni verticali (Lysekil Svezia, Protean Australia, ecc.) o galleggianti attenuatori delle onde (Pelamis Scozia con pistoni oleodinamici longitudinali, ecc.) o apparecchi sul fondale che sfruttano la pressione differenziale della oscillazione delle onde (Archimede  Scozia LockNess, ecc.).
Diverso è il contenuto energetico del mare sotto costa inshore in cui l’inclinazione del fondale desta correnti superficiali verso la costa bilanciate, per il rispetto dell’equilibrio globale del cuneo trasversale d’acqua, da correnti, come nella figura 1 iniziale.
Lo spettro marino dell’oscillazione delle onde offshore è pertanto diverso da quello inshore: l’accelerazione delle onde a largo è caratterizzata dalla crescita dei periodi di pulsazioni verticali e riduzione della frequenza ciclica all’intensificarsi della velocità del vento, mentre le onde sottocosta tendono alle pulsazioni della risacca essendo condizionate dalle correnti causate dai predetti flussi in superficie e trattenuti dal fondale.                     
Avvicinandosi alla costa nearshore i predetti convertitori a pistoni offshore  non funzionano, si noti infatti che il trascinamento da parte del vento di galleggianti ancorati invece in bassi fondali
non ne consente l’oscillazione orizzontale, ma, sospingendoli continuamente, li spiaggia.
È possibile peraltro utilizzare anche convertitori tipo pendoli oscillanti ancorati sul fondale  che sfruttano soprattutto
la riflessione di frangenti solo contro falesie e scogli di roccia  (Oyster Scozia nelle Isole Orcadi) o piccole turbine ancorate, o colonne oscillanti in cassoni, o diffusori a terra.
È necessario in particolare utilizzare piccole giranti sommerse, come quelle proposte, variamente ubicate che sfruttano "in barriere" le correnti sia trasversali sia litoranee, in modo da cumulare effetti del vento, termici e barometrici che zonizzandosi ciclicamente su tratti di superficie del mare presentano picchi diversi durante l’anno, migliorando la durata di funzionamento dell’impianto.
Il sistema di convertitori proposto inoltre, essendo in equilibrio indifferente in acqua, come detto può girare alle minime correnti, anche prodotte dalle variazioni di livello di paraggi del mare per effetto pressorio delle notevoli oscillazioni atmosferiche, esaltate dai cambiamenti climatici, con ore di funzionamento annue e livelli di energia cinetica dell’acqua ben maggiori di quelli eolici.
Le pale eoliche e marine offshore presentano inoltre interessanti accoppiamenti di produzione di energia marina/eolica, che a largo possono integrare fortemente la produzione inshore e l’uso delle smartgrid e dello storage, specie con ultracapacitori, per immettere la corrente a terra in rete.
La conversione dell’energia cinetica delle onde tende a concentrarsi in grandi apparecchiature con i frangenti oceanici offshore o con mareggiate riverberanti su scogli nearshore o su moli, mentre deve essere distribuita in tanti piccoli apparecchi elettromeccanici per le correnti inshore specialmente nel mare Mediterraneo che presenta  oscillazioni a largo e correnti verso costa, piccole ma frequenti e ben sfruttabili con i mesogalleggianti proposti.
La produzione di energia marina dalle correnti inshore pur essendo una frazione piccola delle possibili produzioni marine specie offshore sopra delineate, offre però in termini di MWh/anno una produzione che può essere comunque significativa, specie in relazione alle forti economie sulla manutenzione e la difesa delle coste.
Si evidenzia che la manutenzione di convertitori realizzati nei mari tempestosi del nord Europa (Scozia, ecc) è ben più onerosa di quella per effetto delle mareggiate mediterranee, oltretutto molto attenuate dalla predetta mirata ubicazione dei convertitori sottocosta, simile a quella per la coltivazione dei mitili.

7 – PROTEZIONE COSTE CON RECUPERO DI PRODUZIONE DI ENERGIA MARINA

Molto promettente è la difesa delle coste in erosione tramite la realizzazione di barriere "morbide" costituite da pettini sfalsati di stese dei predetti convertitori (§ 2). che smorzano le correnti marine superficiali, collegati alla base da reti o frange pesanti che smorzano anche le correnti di fondo ad imitazione della barriera a scanno delle praterie marine (in francese matte).
   I convertitori di energia blu sono fondati su steli prefabbricati zavorrati, diversi da quelli in c.a
dei prototipi spostabili, in quanto resi solidali a pozzetti vibroinfissi, figura 5; l’acqua del mare risale all’interno dello stelo per drenare la sabbia autozavorrante e per conservare l’equilibrio idrostatico.
   Ciascun elemento è integrato da 4 briccole per l’attracco nautico e per sostenere un paraurti circolare a protezione delle pale della girante e di segnalazione subacquea.
   Eventuali robuste bandelle incrociate  li collegano longitudinalmente e trasversalmente in modo elastico o consentendo eventuali limitati scorrimenti sul fondale, come ammesso per i muri di sostegno a gravità in zona sismica, in modo da evitare le contraddizioni del dimensionamento statico al crescere del rapporto peso/spinte.
   Tali bandelle presentano una notevole capacità di allungamento ciclico con ritorni dal 20% fino a 0%, come nelle prove di figura 6, e con peso specifico 1,3 kN/m 3 maggiore dell’acqua per facilitare la dispersione del calore dell’energia di deformazione ciclica, specie durante le mareggiate.
Promettente è inoltre l’impiego di reti a maglie larghe o frange appese a cime, sottese come in figura 5 alle briccole, ed appesantite all’estremità per consentire di dissipare  le correnti sul fondale.
Tali frange possono essere integrate anche con elastomeri che trasformano in elettrica l’energia elastica indotta ciclicamente dalle correnti.
In tal modo si trattiene l’eventuale sabbia di ripascimento artificiale e soprattutto si consente comunque il ripascimento naturale per colmata, anche senza ricorrere alle scogliere soffolte.








 Valutazioni d’impatto ambientale presentano ingombri minimi e favoriscono molto la protezione dello specchio marino sottoflutto alla barriera, che in particolare può servire per proteggere aree archeologiche subacquee, e per realizzare una "no fishing zone".
L’incidenza inoltre della ridotta velocità delle pale sui pesci è praticamente minima in quanto paragonabile al evitare l’ondeggiamento naturale delle pinne di grossi pesci.
La posizione ideale della barriera è al posto delle barre invernali naturali nell’inshore  ovvero oltre la fascia ove le correnti superficiali e di ritorno
non tendono a smorzarsi per equilibrarsi con l’offshore, in modo da ottenere una valida produzione di energia elettrica e contemporaneamente eliminare l’energia cinetica di erosione in eccesso a quella stagionale naturale.
È importante che s’installi nell’inshore una stesa con un numero congruo di convertitori di energia e di opportune dimensioni e sfalsamenti "a pettine", considerando oltre all’orientamento trasversale alla costa,  anche quello parallelo per lo sfruttamento dell’energia da correnti litoranee orientando e accostando le barriere alle estremità dell’intervento verso il litorale da difendere.
In mare aperto le estremità della barriera possono anche essere raccordate verso la costa con i nuovi materassi di geocontenitori  forati che smorzano le correnti specie litoranee sui fondali più bassi, trasformandole in flussi verticali verso l’alto (ENEA) o con altri sistemi  innovativi.
Ottimale è il caso di una spiaggia sottesa in una baia di estensione limitata fra due promontori figura 5, come è tipico in tante isole che oltretutto necessitano di energia rinnovabile, contenendo  i costi della Ricerca ed Innovazione Tecnologica antierosione senza i predetti raccordi.
La stesa dei convertitori è segnalata alla navigazione da boe luminose autoalimentate e la barriera è a tratti interrotta per consentire il passaggio delle imbarcazioni in punti concentrati favorendone il continuo controllo e salvaguardando i bagnanti e il paesaggio notturno e la sicurezza.  
La stesa di giranti essendo prefabbricata in moduli è agevolmente salpabile  e posizionabile, inoltre favorisce la stabilizzazione dell’erosione anche con l’ausilio dell’attecchimento delle praterie marine, specie a scanno stabile (matte),
attualmente impossibile con i frangenti contro le scogliere emergenti  che sovesciano durante le mareggiate il fondale specie limo-sabbioso antistante a largo.
L’energia marina come le altre rinnovabili è variabile come durata annua, potenza e discontinua come fruizione, per cui è  notoriamente legata all’immissione computerizzata nei 2 sensi in nuovi
tratti di rete elettrica locale (smartgrid), come per l’eolico ed il solare, in modo da far "incontrare" la casualità della produzione con il consumo; molto utile è poi soprattutto lo stoccaggio dell’energia, specie per la ricarica delle auto elettriche.  
    In questa seconda fase sperimentale si controlla l’efficienza delle barriere a difendere dall’erosione i litorali e consentire la sopraelevazione delle spiagge: ciò si ottiene tramite un idoneo monitoraggio tramite rilievi fotogrammetrici stagionali, dati ondametrici e correntometrici trasmessi a terra per esempio con innesco automatico delle misure sopra altezze d’onda di 1 metro; i dati possono essere integrati anche con rivelatori chimici degli inquinanti dell’acqua per fornire sistematicamente ben documentate Bandiere Blu.
È interessante infine realizzare una barriera prototipo in vera grandezza in cui si possono anche sperimentare vari tipi di convertitori "mediterranei", similmente a quanto fatto in Scozia per i mari burrascosi, che peraltro richiedono manutenzioni dopo le mareggiate molto più severe.

8 - COSTI/BENEFICI DELLA RICONVERSIONE E RICAVI DALL’ ENERGIA MARINA

L’energia cinetica delle onde è valutata, nella letteratura tecnica specialistica, in media annua da 1 a 10 kWh/m nel mar Mediterraneo offshore passando dai 3÷5 kWh/m del Tirreno ai 10 kWh/m e oltre della Sardegna (ENEA).
Se si ipotizza che la barriera sia ubicata in una fascia inshore del Mar Tirreno, i
probabili valori medi ponderali di energia delle onde sono dell’ordine di 1 kWh/m, corrispondenti a flussi massimi da 5 kWh/m per il 20% dell’anno, 2 kWh/m per il 30% dell’anno, bilanciati da un 50% di calma (ipotesi molto prudenziale che trascura il potenziale funzionamento del galleggiante  anche con le deboli correnti), per cui le 8760 h/anno, si riducono a circa 4500 h/anno, tolte anche le soste per manutenzione.
Se si considera  il costo attuale del kWh, peraltro minore di quello previsto per l’energia marina, il  ricavo viene dell’ordine di 1 milione di euro/anno/km per una produzione di 5 GWh/km all’anno, come quella tale da rendere conveniente l’ammortamento dell’impianto inshore.
La sperimentazione, definendo la massima estensione ammissibile delle pale e quindi la massima efficienza della barriera potrebbe portare a ricavi anche oltre i 2 milioni euro/anno/km con produzioni dell’ordine di 10 GWh/km all’anno
Ad esempio, per sfruttare i predetti valori massimi presunti 1÷2 MW/km necessitano in media 100÷130 piccole giranti/km da 10 ÷ 20 kW con interassi medi di 10 m e un ordine di grandezza d’investimento di larga massima a seconda delle sovrapposizioni degli sfalsamenti di 3÷4 milioni euro/km, rapidamente ammortizzabili con i predetti ricavi annuali.
Si ricorda che 1MW eolico completo o fotovoltaico in Italia costa intorno ai 2 milioni di euro, ovviamente in continua evoluzione.
Per tutte le rinnovabili si evidenzia inoltre che non incrementano i costi collaterali sanitari e per il disinquinamento ambientale, come invece i combustibili fossili.
I costi delle barriere in serie sono poi soprattutto inferiori e al posto di quelli che attualmente si spendono per le tradizionali opere di difesa e manutenzione delle spiagge (§ 5).
Per evitare i danni e gli sprechi verificatisi sistematicamente con le protezioni tradizionali, urge una Conversion of beach nourishment nei Lavori Marittimi di difesa delle coste, anche e soprattutto per mitigare l’innalzamento dei mari a causa dei Cambiamenti Climatici (Parigi COP 21).
Si evidenzia inoltre che in caso di positivo passaggio alla produzione industriale, il ricavo dovrebbe rimanere vantaggioso anche al ridursi delle tariffe che sostengono l’energia rinnovabile, specie con le nuove tecnologie sempre più competitive.
Si recuperano, infatti, con la produzione di energia le spese per la realizzazione di nuovi sistemi di difesa dei litoranei e soprattutto si evitano le protezioni delle coste tradizionali sopra descritte che necessitano di costi elevati di manutenzione, specie cumulati negli anni.
Ciò evita le speculazioni con abbandono degli impianti finite le tariffe agevolate e si consente di ammortizzare le spese di piccole produzioni di energia non competitive con le grandi centrali, ma fortemente mitiganti le tariffe durante le ore di punta, specie sviluppando l’energy storage.   
Si evidenzia inoltre che in caso di terremoti o alluvioni o nevicate eccezionali la produzione di energia marina persiste più dell’eolico o del solare e  le brevi reti di dispacciamento locali risentono meno di eventuali blackout delle grandi reti di distribuzione.
Le autorizzazioni per stendere i cavi sottomarini sono meno impattanti che a terra e auspicabilmente meno burocratizzate e con minori dispersioni resistive delle reti lunghe centinaia di chilometri dalle grandi centrali.    
Si richiama che sono notevoli i benefici aggiuntivi a cominciare dallo sviluppo occupazionale sia nella cantieristica nautica, essendo i convertitori galleggianti assimilabili a  piccole imbarcazioni, sia per le industrie elettromeccaniche per le giranti con  dinamo e inverter in alternatori.
Analogo sviluppo s’incentiva per la prefabbricazione dei sostegni delle turbine e delle innovative reti sul fondale filtranti.
Personale specializzato necessita inoltre per il monitoraggio e per la manutenzione, fino a migliorare il controllo delle coste, con particolare riguardo ai predetti passaggi nella barriera per la navigazione separata dalla balneazione.
L’attualissimo tema dell’apprendistato attraverso la formazione e la riqualificazione otterrebbe pertanto un buon contributo dal settore della produzione di energia marina.
Altro vantaggio ad integrazione  della protezione delle coste, potendo
disporre  di tratti inshore protetti sottoflutto alla barriera, è la creazione di un ambiente che facilita la riproduzione di mitili e  pesci in acque più calme e di "no fishing zone" ecocompatibile.
L’eliminazione delle attuali scogliere emergenti troppo vicine ai litorali consente inoltre un importante recupero dell’impatto ambientale e del paesaggio marino, toglie il degrado e l’immondizia a mare e riqualifica il turismo, specie se si tratta di litorali di elevato pregio ambientale, archeologico e d’arte.  
La barriera consente anche attracchi provvisori per la piccola nautica da diporto, in modo da riscoprire l’antica navigazione sotto costa per ammirare il paesaggio a distanza di sicurezza  ed evitando la costruzione di altri porticcioli turistici che hanno intensificato le erosioni e sono oltretutto intasati nei periodi estivi.
 
Interessante è anche l’integrazione delle barriere con reti distanziate  per consentire la pulizia del mare dai rifiuti, specialmente di plastica, dragandoli periodicamente sopraflutto, se necessario.
Infine un importante utilizzo dell’energia elettrica prodotta dalle barriere di turbine è quello di pompare acqua potabile a terra prelevata da membrane osmotiche posizionate sul fondale marino a sensibile profondità.
Tale sistema è particolarmente adatto per fornire acqua nelle zone desertiche sempre più estese per effetto dei cambiamenti climatici, in modo da contener gli esodi di massa.
I costi degli impianti, riducendo gli sprechi spesso enormi, potrebbero essere donati inizialmente dai Paesi ricchi e non solo per ragioni umanitarie.


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