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Le isole energetiche... il futuro è negli oceani

Tornato alla ribalta con il progetto “Energy Island” degli inglesi Dominic e Alex Michaelis, il sistema di produzione energetica dal mare si propone come una delle soluzioni più affascinanti al “caro petrolio”

Per secoli abbiamo cercato di dominare la natura, ora la nostra speranza è lavorare con le forze della natura”. Questo il motto dei britannici Michaelis, Dominic e Alex, padre e figlio, promotori delle “Isole Energetiche”, delle vere e proprie isole galleggianti, capaci di catturare energia dal sole, dal vento e dal mare. Proprio quest’ultimo sistema di produzione energetica è quello che ha maggiori potenzialità di successo. Gli oceani coprono circa il 70% della superficie terrestre e ciò fa di essi i più grandi “magazzini” di radiazione solare, paragonabili per contenuto termico giornaliero a circa 250 miliardi barili di petrolio. Se si riuscisse a convertire anche solo il 10% di tale energia in elettricità si fornirebbe una quantità pari a 20 volte il fabbisogno annuo degli Stati Uniti d’America.
La tecnologia che permette di realizzare ciò si chiama OTEC – Ocean Thermal Energy Conversion, e, nonostante non sia ancora stata ampiamente utilizzata, risale al lontano 1881.
Arsene d’Arsonval, propose di sfruttare la differenza termica tra le acque oceaniche superficiali e quelle fredde di profondità per generare elettricità; unica condizione che la differenza di temperatura sia di circa 20° C, situazione che circoscrive la localizzazione degli impianti alle sole zone costiere dei mari tropicali tra il Tropico del Capricorno e il Tropico del Cancro. Il fisico francese non riuscì però a realizzare alcun prototipo di tale sistema; meglio andò ad un suo studente, Georges Claude, che costruì la prima centrale OTEC a Cuba, nel 1930, che raggiungeva una potenza elettrica di 22 kW.
In seguito furono costruite altre centrali in Brasile ed in Costa d’Avorio ma ebbero un destino avverso: la prima fu distrutta da un uragano e la seconda non fu mai completata. Nel 1974 gli USA cominciarono ad interessarsi del sistema OTEC e fondarono il Laboratorio di Energia Naturale delle Hawaii, a Keahole Point, che è ancora oggi il più grosso centro di sperimentazione di tale tecnologia.
Ma vediamo da vicino di cosa si tratta. I sistemi OTEC si suddividono in tre tipologie:

• A ciclo chiuso

• A ciclo aperto

• Ibrido

Nei sistemi a ciclo chiuso un liquido a basso punto di ebollizione (tipicamente ammoniaca o propano) viene usato come liquido di processo in un ciclo Rankine e vaporizzato grazie al calore rilasciato dall’acqua di mare calda che scorre in uno scambiatore di calore. Il vapore si espande in una turbina che viene così messa in moto e produce elettricità; successivamente il vapore fluisce in un condensatore dove, grazie al contatto con l’acqua di mare fredda, torna allo stato liquido e viene reimmesso nel ciclo.
Nei sistemi a ciclo aperto l’acqua di mare calda viene pompata in un evaporatore dove, in condizioni di bassa pressione (di solito 0,03 bar) evapora alla temperatura di 22° C. Tale vapore si espande in una turbina a bassa pressione, la quale è collegata ad un generatore elettrico, mentre il vapore viene condensato e scaricato nelle profondità marine.
Il sistema ibrido è la combinazione dei due; l’acqua di mare evapora in un evaporatore flash e viene utilizzata come liquido di processo in sistema chiuso.
Le centrali OTEC, oltre a produrre energia “pulita”, presentano altri vantaggi:

• Producono acqua dissalata, molto utile nelle isole;

• Permettono l’utilizzo delle acque fredde per effettuare la climatizzazione di ambienti abitati;

• Favoriscono l’idrocoltura (cioè la coltura delle piante in acqua), con sfruttamento delle acque di profondità, prive di patogeni e ricche di sostanze nutritive;

• Consentono la cosiddetta “agricoltura a suolo freddo”, in cui si raffredda il suolo tramite acque fredde convogliate in apposite tubazioni; questa tecnica consente a molte piante tipiche dei climi temperati di crescere anche ai tropici.

Il progetto Energy Island è attualmente ancora in fase di studio; le potenzialità energetiche sono enormi (si stima che ogni isolotto possa fornire circa 250 megawatt !) ma i costi non sono da meno, specie per ciò che riguarda gli impianti OTEC. La collaborazione dell’Università di Southampton, di numerose imprese industriali e (soprattutto) del miliardario della Virgin, Richard Branson, fanno ben sperare per la realizzazione in un futuro prossimo di queste isole ecologiche.

La classificazione delle nuvole

Le nuvole si dividono in 3 grosse famiglie in base alla distanza dal suolo:

• Nubi alte (oltre i 6 km)
• Nubi medie (tra 2,5 e 6 km)
• Nubi basse (al di sotto dei 2 km)

Poi esiste una quarta famiglia: le nuvole a sviluppo verticale.

NUBI ALTE (oltre i 6 km)

• Cirri: sono tenui nubi candide, per lo più isolate, con aspetto filamentoso o a ciuffi. Non sembrano preoccupare più di tanto poichè appaiono in un cielo azzurro e soleggiato, ma in realtà molto spesso precedono precipitazioni uniformi e prolungate.

• Cirro-strati: si presentano come un velo trasparente di colore chiaro con striature bianche. Rappresentano lo stadio successivo dei cirri e quasi sempre indicano un peggioramento delle condizioni atmosferiche con precipitazioni in arrivo.

• Cirro-cumuli: sono piccole nubi bianche, senza ombreggiature, raggruppate in banchi costituiti da tanti fiocchi rotondeggianti semitrasparenti. Essendo nubi alte, sono formate da minutissimi aghi di ghiaccio. Non hanno particolare significato prognostico.

NUBI MEDIE (tra i 2,5 e i 6 km)

• Alto-strati: appaiono inizialmente come un velo sottile e uniforme e, in questo stadio, possono confondersi con i cirro-strati ma, contrariamente a questi ultimi, è assente il fenomeno dell'alone. Ben presto però la stratificazione si fa più densa e il sole appare come una macchia di luce: sono possibili deboli precipitazioni che il più delle volte evaporano prima di arrivare al suolo.

• Alto-cumuli: si presentano come una grande distesa di masse tondeggianti, a volte piccole e biancheggianti per effetto della luce solare, più spesso grigie ed obreggiate. In presenza di alto-cumuli si parla spesso di "cielo a pecorelle", ma dagli alto-cumuli non si hanno precipitazioni; piuttosto sia gli alto-strati che gli alto-cumuli sono indizio di una instabilità dell'aria e preludono allo sviluppo di temporali.

• Nembo-strati: sono nubi dai toni grigio-scuri, indefiniti, tipiche delle piogge persistenti.

NUBI BASSE (al di sotto dei 2 km)

• Strato-cumuli: si presentano in estesi banchi formati da tanti piccoli cumuli riuniti e a base perfettamente orizzontale. Da soli non danno mai precipitazioni e sono il risultato di rimescolamenti tra le masse d'aria: la loro presenza segna di solito il confine superiore dell'aria fredda.

• Strati: sono nubi molto basse, spesso soltanto qualche centinaio di metri di quota, di aspetto uniforme e grigio, senza contorni e definizioni. Gli strati derivanti da nebbia al suolo indicano che al di sopra il cielo è sereno e che si può partire tranquillamente per qualche escursione in montagna, dove splende il sole.

NUBI "a sviluppo verticale"
Questa è una categoria particolare di nubi perchè la loro genesi ed evoluzione sono legate ai processi convettivi, cioè ai moti ascendenti e discendenti dell'aria secondo una componente verticale.

• Cumuli: hanno sviluppo verticale, si formano grazie alla rapida ascesa di aria calda e sono per questo dette "nubi termoconvettive". La struttura delle nuvole è tipica nella parte superiore: le cupole, a forma di gigante cavolfiore, brillano spesso alla luce solare di un bianco splendente. Nella parte inferiore i cumuli sono grigi. Una caratteristica dei cumuli è la rapidità della loro trasformazione.

• Cumulo-nembi: sono l'evoluzione dei cumuli e segnano l'arrivo dei temporali.
  

(Le foto sono tratte dal sito meteorologia.it)

L'atmosfera terrestre e le sue caratteristiche fisiche

Origine ed evoluzione

Il nostro pianeta e’ avvolto da una massa gassosa dalla complessa composizione formatasi milioni di anni fa in seguito a processi fotochimici e termodinamici associati ai grandi sconvolgimenti geologici che hanno determinato l’attuale assetto del pianeta. Questa massa gassosa segue la forma della terra, presenta uno schiacciamento ai poli e un rigonfiamento nelle zone equatoriali e tropicali ; inoltre e’ attratta verso la superficie terrestre dal proprio peso ed è trascinata nel suo insieme dal moto di rotazione della terra intorno al proprio asse. Proprio l’efficienza della forza di gravita’ terrestre impedisce all’atmosfera di sfuggire dal pianeta e di renderlo un deserto freddo . L’aria che respiriamo e’ in realtà un miscuglio di gas di diversa composizione: i principali sono l’ AZOTO (simbolo chimico N ) per circa 78% l’Ossigeno (simbolo chimico O2) per circa il 20%, Anidride Carbonica (CO2) per lo 0,1%; a questi si aggiungono, in percentuali molto piccole i gas alogeni e rari.

Gli strati dell'atmosfera

L'atmosfera in base alla sua composizione e alla concentrazione dei principali elementi che la caratterizzano, può essere suddivisa in OMOSFERA (fino a 80 km di quota) e ETEROSFERA (80-600 km di quota) .Il primo strato dell’OMOSFERA e’ la TROPOSFERA; la troposfera è sede dei principali fenomeni meteorologici; in essa si concentra i 3/4 di tutto il vapore acqueo ed ha uno spessore variabile con la latitudine (più’ bassa ai poli e più’ alta all’equatore) ; nella troposfera la temperatura decresce più’ o meno regolarmente dal suolo verso l’alto da circa +20 °C a - 55 °C . Lo strato successivo detto TROPOPAUSA e’ un sottile strato dello spessore di 100-300 metri ed è caratterizzata da una isotermia e dalla presenza di forti correnti orizzontali di grande intensità’ dette CORRENTI A GETTO. Lo strato superiore detto STRATOSFERA invece si estende fino a 40 km di quota e in esso la temperatura cresce con la quota pur restando complessivamente quasi costante; nubi caratteristiche (nubi madreperlacee) sono presenti in questo strato che presenta anch’esso delle correnti orizzontali molto forti che hanno pero’ una inversione della direzione di tipo stagionale. Lo strato sovrastante detto MESOSFERA ,separato dalla STRATOSFERA dalla STRATOPAUSA ,giunge fino a 80 km di quota ;e’ caratterizzato da un andamento prima altalenante della temperatura (prima cresce poi decresce con la quota) , poi crescente fino a circa 300 °C , e dalla presenza delle nubi nottelucenti . La MESOPAUSA e’ lo strato di transizione tra la mesosfera e la TERMOSFERA ; raggiunge temperature di circa -70°C/- 100 °C . La TERMOSFERA invece si estende fino a 400 km di quota , in essa la temperatura cresce con la quota. La TERMOSFERA presenta strati di gas ionizzati (IONOSFERA) che consento la propagazione delle onde radio ma , soprattutto e’ sede di importanti fenomeni elettrici e geomagnetici come le aurore polari .L’ultimo strato, l’ESOSFERA e’ separato dalla TERMOSFERA dalla TERMOPAUSA ; nella ESOSFERA la temperatura e’ costante con la quota.

Fig.1 Profilo termico dell'atmosfera

(Fonte www.meteorologia.it)