Sviluppare sistemi energetici efficienti e scalabili con un approccio modulare, ingranaggi magnetici combinati con generatori a magneti permanenti e l’utilizzo di materiali riciclabili nei componenti chiave. L’obiettivo ambizioso di MEGA WAVE PTO è quello di portare l’energia del moto ondoso fuori dai laboratori e trasformarla in una realtà industriale affidabile, in grado di garantire prestazioni costanti in ambienti marini estremi. L’Europa, grazie alla sua geografia, è in pole position per diventare leader in questo campo

Il mare è sempre in movimento. Anche quando sembra calmo e il vento è debole, può comunque generare onde che viaggiano per centinaia o addirittura migliaia di chilometri. Questo movimento trasporta un flusso vasto e costante di energia, una risorsa rinnovabile che può essere convertita in elettricità. Eppure, nonostante il suo potenziale, l’energia del moto ondoso è ancora un attore marginale nel mix energetico globale. Il principale ostacolo risiede nell’efficienza e nella robustezza dei convertitori di energia del moto ondoso (WEC), ovvero i sistemi che trasformano l’energia delle onde in elettricità. Si tratta di dispositivi che operano nelle condizioni ostili e imprevedibili del mare aperto e affrontano continui rischi di guasti, il che rende particolarmente difficile garantire prestazioni a lungo termine.

MEGA WAVE PTO: un progetto per superare i limiti attuali

Questo è il punto di partenza per il progetto MEGA WAVE PTO, il cui obiettivo è realizzare e testare un nuovo sistema di presa di potenza (PTO), il componente centrale dei WEC responsabile della cattura del moto ondoso e della conversione dell’energia meccanica in energia elettrica utilizzabile. Il progetto è supportato dal programma Horizon Europe ed è allineato con le più ampie strategie dell’UE come il Green Deal e la Blue Economy. A realizzarlo è un consorzio europeo, che annovera tra i suoi partner CETO Wave Energy Ireland Ltd., CGEN Engineering Ltd, Mocean Energy, Cheros SRL, WavEC Offshore Renewables, Scuola Superiore Sant’Anna e l’Università di Edimburgo, insieme a membri istituzionali come Ocean Energy Europe. Il progetto è iniziato a maggio 2024 e il suo completamento è previsto per il 2028.

Obiettivi: affidabilità e riduzione dei costi

Attraverso lo sviluppo di un nuovo sistema PTO modulare e completamente elettrico, il progetto mira a migliorare l’affidabilità complessiva dell’impianto e ridurre significativamente i costi operativi. Questi miglioramenti sono fattori chiave per la commercializzazione dell’energia del moto ondoso e per la sua effettiva scalabilità.

Inoltre, questi obiettivi si allineano con il più ampio sforzo dell’Europa di ridurre la dipendenza dall’energia importata, una priorità sempre più urgente nell’incerto panorama geopolitico odierno.

Una scommessa adatta alla geografia europea

L’eolico e il solare sono attualmente in testa alla transizione verso l’energia pulita. Ma, com’è noto, la loro produzione è intrinsecamente discontinua, poiché dipende dalla luce solare e dalle condizioni meteorologiche, fattori che possono portare a fluttuazioni nell’offerta e mettere sotto pressione le reti elettriche. L’energia del moto ondoso, al contrario, offre un profilo energetico più stabile e prevedibile, poiché i suoi movimenti naturali persistono anche quando l’oceano appare calmo.

Inoltre, il moto ondoso può essere previsto con un elevato grado di precisione, un fattore che consente agli operatori di stimare in anticipo quanta energia verrà generata. Questo permette una gestione della rete più efficiente e riduce il rischio di improvvisi picchi o cali di fornitura, diminuendo la necessità di attivare impianti a gas o altre fonti fossili come riserva durante i periodi di bassa produzione da rinnovabili. Di conseguenza, l’energia del moto ondoso migliora l’affidabilità della rete e grazie all’integrazione con fonti intermittenti come il solare e l’eolico, aumenta la resilienza complessiva delle infrastrutture energetiche.

Questa resilienza è ulteriormente rafforzata dall’elevata densità energetica delle onde. Rispetto al vento o alla radiazione solare infatti, le onde trasportano più energia per metro quadrato, rendendole particolarmente adatte per aree con spazio limitato e alta domanda energetica, come isole, comunità costiere e installazioni offshore.

In termini di potenziale globale, i numeri sono sorprendenti. Secondo l’Intergovernmental Panel on Climate Change, l’energia del moto ondoso potrebbe generare fino a 29.500 terawattora all’anno, quasi dieci volte l’attuale consumo di elettricità dell’Unione Europea. Con oltre 66.000 chilometri di costa, l’Europa è in una posizione di forza per diventare leader in questo campo. I paesi con un’elevata esposizione alle onde, tra cui Portogallo, Irlanda, Spagna, Francia, Regno Unito e Italia, potrebbero diventare i primi ad adottarla.

Ostacoli alla scalabilità dell’energia oceanica

Nonostante decenni di ricerca e progetti pilota, le tecnologie per l’energia del moto ondoso non hanno ancora raggiunto una diffusione commerciale su larga scala. Al centro di queste difficoltà ci sono i WEC, che, a differenza delle turbine eoliche o dei pannelli solari che operano in ambienti relativamente controllati, sono costantemente esposti a un ambiente ostile come quello marino. Corrosione, infiltrazioni di acqua salata, stress meccanico e condizioni meteorologiche estreme possono determinare guasti in ogni momento. Progettare sistemi in grado di resistere a questi fattori senza compromettere le prestazioni rimane tecnicamente impegnativo e costoso.

Il sistema PTO rappresenta uno dei componenti più vulnerabili, poiché la natura irregolare e multidirezionale del moto ondoso lo espone a forze fluttuanti che accelerano l’usura e aumentano il rischio di rotture. Molti prototipi funzionano bene in laboratorio ma non riescono a mantenere le prestazioni una volta installati in mare. E poi ci sono i costi. Costruire, installare e gestire i WEC richiede in genere più risorse rispetto alle tecnologie rinnovabili consolidate come l’eolico o il solare. Il costo livellato dell’energia (LCOE) per l’energia del moto ondoso è ancora significativamente più alto, per lo più a causa della necessità di frequente manutenzione e di operazioni marine specializzate. In particolare, il costo di esercizio e manutenzione (O&M) può rappresentare una quota sproporzionata delle spese totali, con limiti significativi alla redditività degli impianti a lungo termine. Un elemento che scoraggia gli investimenti privati.

Infine, la mancanza di standardizzazione nel settore ne limita ulteriormente la scalabilità. La maggior parte dei WEC sono progettati per condizioni e luoghi specifici delle onde e questo limita la loro applicabilità in ambienti diversi e frena lo sviluppo di approcci progettuali standardizzati che supportino la produzione su scala industriale e la riduzione dei costi.

Una nuova generazione di sistemi di presa di potenza

Questi vincoli tecnici ed economici hanno collocato l’energia del moto ondoso in una sorta di “valle della morte”, una fase in cui l’innovazione esiste ma non può passare alla diffusione di massa. È in questo contesto che si inserisce il progetto MEGA WAVE, che punta proprio a superare una delle principali barriere che frenano il settore con l’introduzione di una nuova generazione di sistemi PTO modulari.

A differenza dei PTO tradizionali, che sono spesso realizzati su misura per dispositivi o località specifici, MEGA WAVE PTO è progettato come un sistema flessibile che può essere integrato in diversi tipi di WEC. Questa adattabilità consente una personalizzazione più semplice in base alle condizioni ondose specifiche del sito e fa la differenza per il più ampio obiettivo industriale di standardizzare i componenti. Poiché si tratta di un campo in cui la mancanza di parametri di riferimento tecnologici comuni ha rallentato i progressi e aumentato i costi, è facile intuire quanto sia rilevante questo approccio.

I componenti modulari semplificano inoltre la manutenzione e rendono possibile aggiornare o sostituire parti senza riprogettare l’intero sistema. Ogni modulo opera in modo indipendente, quindi se un’unità si guasta o richiede manutenzione, le altre possono continuare a funzionare senza interrompere l’intero impianto. Questa progettazione tollerante ai guasti aumenta significativamente l’affidabilità del convertitore ed è particolarmente vantaggiosa in ambienti offshore, dove l’accesso per le riparazioni può essere limitato e costoso.

Sistema completamente elettrico e controllo dinamico

Inoltre, il sistema PTO è completamente elettrico, eliminando la necessità di componenti idraulici o pneumatici, spesso associati ad architetture complesse e maggiori esigenze di manutenzione. Senza questi elementi, il sistema diventa meccanicamente più semplice e compatto, il che semplifica ulteriormente l’integrazione in diversi progetti di WEC. L’azionamento elettrico consente poi al PTO di rispondere rapidamente e con precisione al movimento in continua evoluzione delle onde oceaniche. A differenza dei sistemi a fluido, che sono più lenti ad adattarsi, i componenti elettrici possono adattarsi istantaneamente alle variazioni di altezza, velocità e direzione delle onde. Questa reattività in tempo reale garantisce un’efficiente conversione dell’energia in condizioni marine variabili, massimizzando le prestazioni e minimizzando lo stress meccanico.

Un’altra innovazione chiave di questo sistema PTO è l’uso di ingranaggi magnetici, che operano senza contatto fisico. Basandosi sull’accoppiamento magnetico piuttosto che sull’ingranaggio meccanico, eliminano l’attrito, riducono significativamente l’usura e migliorano la durata complessiva del sistema. Se combinati con generatori a magneti permanenti, noti per la loro elevata efficienza e affidabilità, il sistema può mantenere prestazioni elevate anche a basse velocità delle onde, garantendo una produzione energetica più costante.

Monitoraggio delle condizioni e manutenzione predittiva

Nel PTO sono inoltre integrati sistemi di monitoraggio delle condizioni e controllo, per tracciare continuamente lo stato operativo dei componenti chiave e raccogliere dati in tempo reale su parametri come temperatura, vibrazioni e carico meccanico. Questa diagnostica consente strategie di manutenzione predittiva, dunque permette agli operatori di identificare i primi segni di usura o malfunzionamento prima che si traducano in un guasto del sistema. Questa soluzione riduce al minimo la necessità di (costose) riparazioni di emergenza o interventi offshore, particolarmente complessi e dispensiosi in ambienti marini.

La validazione in due fasi

Una delle aree di applicazione più promettenti è quella dei sistemi energetici remoti o decentralizzati. Molte isole, installazioni offshore e comunità costiere dipendono ancora dall’importazione di combustibili fossili. In questi contesti, una fonte di energia stabile e autonoma come l’energia del moto ondoso può offrire un’alternativa più pulita e affidabile, creando al contempo nuove opportunità di innovazione locale e crescita economica.

La tecnologia del progetto MEGA WAVE PTO sarà validata attraverso una doppia fase di test: un prototipo da 1 kW in condizioni di laboratorio controllate e un sistema da 100 kW in un ambiente marino reale. L’obiettivo è chiaramente quello di valutare sia le prestazioni a livello di componenti che l’integrazione a livello di sistema in scenari operativi. I test si concentreranno su affidabilità, efficienza, resilienza alle condizioni marine e adattabilità a diversi tipi di WEC.

I risultati attesi sono promettenti. L’ambizione è di ridurre l’LCOE dal 30 al 40% e a dimezzare i costi di O&M, migliorando significativamente affidabilità e scalabilità. MEGA WAVE PTO potrebbe stabilire un nuovo standard per il settore. Infine l’uso di materiali riciclabili nei componenti chiave supporta una gestione del fine vita più sostenibile e allinea il sistema ai principi dell’economia circolare. Tradotto: meno impatto ambientale, più contributo alla neutralità climatica che l’Europa vuole raggiungere entro il 2050