Progettazione e sperimentazione di boe lagrangiane per lo studio fluidodinamico e il controllo di scarichi industriali

Capitolo 1           Fluidodinamica marina __________________________________________________________________
1.1 La fluidodinamica marina e l’Ingegneria Energetica, 
punti di contatto L’analisi fluidodinamica delle correnti marine può avere molteplici risvolti 
nell’ambito dell’Ingegneria energetica. In un sistema energetico sempre più 
complesso e alla ricerca di nuove risorse da sfruttare per la produzione di energia 
elettrica, un’analisi locale dei flussi marini, della correntimetria e del moto ondoso 
può rivelarsi utile per quanto riguarda lo sfruttamento delle maree e delle stesse 
correnti attraverso diversi sistemi di generazione di energia. Ad esempio 
potremmo avere un sistema di:
• Colonna d’acqua oscillante[1][2]
Questa soluzione è stata adottata dalla scozzese Wavegen e dall’Australiana 
Energetech per degli impianti dimostrativi. Il turbogeneratore ha la proprietà di 
mantenere lo stesso senso di rotazione indipendentemente dalla direzione del 
flusso d’acqua, quindi le turbine ricevono la spinta sia nella fase di altezza marina 
crescente che decrescente. Gli impianti sono progettati per una potenza di 2 MW e 
non sono necessariamente costieri. Con la costruzione di piattaforme al largo si 
potrà raccogliere la spinta, ben più elevata, delle onde lunghe del mare. Possono 
inoltre essere abbinati agli impianti eolici “offshore” rendendo migliore la resa 
commerciale di entrambe le tecnologie. Ogni metro di fronte ondoso può 
sviluppare mediamente 70 kW al largo e 20 kW sottocosta. Il progetto LIMPET 
(Land-Installed Marine-Powered Energy Transformer), in Scozia, è collegato alla 
rete elettrica e il costo del kWh è di 0,075 €, non male per un prototipo assoluto 
del genere. Per fare un paragone basti pensare che i primi impianti eolici 
producevano un kWh al costo di 0,16 € mentre oggi si hanno costi di 0,04 € con la 
prospettiva di arrivare a meno di 3 centesimi. L'efficienza del sistema è buona, 
circa il 50%, il fronte dell'impianto (sottocosta) è di 18 metri e le due turbine da 
300 kW producono in un anno circa 2300 MWh. I migliori aerogeneratori con la 
stessa potenza producono mediamente in un anno circa 1300 MWh, i costi del 
prototipo sono 4 volte maggiori di quelli delle turbine eoliche attuali che però 
godono di una certa industrializzazione. Il sistema sfrutta la variazione di 
pressione dell’aria, causata dalle onde, in un’apposita camera. La camera è una 
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sorta di contenitore, posto a una quota fissa, semi-immerso nel mare, 
completamente aperto nel fondo, e chiuso nella parte superiore. Le onde causano 
una variazione ciclica del livello dell’acqua nel contenitore, quindi della pressione 
dell’aria intrappolata nella parte superiore del vano. Se nel cielo della camera si 
operano aperture di sezione ridotta, l’aria ha possibilità di defluire nei due sensi, 
in base al moto ondoso. È possibile sfruttare questa corrente d’aria tramite 
particolari turbogeneratori ad aria, in grado di ricevere la spinta sia nella fase di 
compressione che in quella di decompressione, mantenendo inoltre lo stesso senso 
di rotazione.
Figura 1. 1 - Sezione di una turbina Wavegen[2]
• Sistemi basati sull'ampiezza dell'onda[3]
Questi sistemi sono stati sviluppati all’interno del progetto Pelamis, un 
sistema con galleggianti che utilizza l'ampiezza dell'onda, e sono basati su una 
struttura semisommersa che grazie al movimento dettato dalle onde agisce su dei 
pistoni idraulici accoppiati a dei generatori. In genere la singola struttura è 
composta da 5 elementi congiunti, ha un diametro di 3,5 m ed è lunga 150 metri, 
la potenza è di 750 kW. Impianti di prova saranno installati al largo della Scozia 
(750 kW) e al largo dell'isola di Vancouver in Canada (2 MW), gli impianti 
commerciali dovrebbero essere di 30 MW e "coprirebbero" un km quadrato di 
mare[3]. I primi sistemi commerciali saranno installati davanti alle coste del 
Portogallo, il primo impianto sta per essere completato ed ha una potenza di 2,25 
MW. Il movimento delle onde può azionare dei motori idraulici da accoppiare a 
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un generatore elettrico. Uno studio recente fornisce un esempio del meccanismo: 
una struttura galleggiante semisommersa, costituita da vari elementi lunghi 
collegati in serie con appositi snodi (si immagini un convoglio ferroviario, come 
forma e dimensioni) viene mossa dalle onde variando l’inclinazione relativa dei 
vari elementi. Appositi pistoni idraulici posti in corrispondenza dei giunti mettono 
in moto un fluido, in pressione in un circuito interno, che aziona il motore 
idraulico, posto all’interno di uno degli elementi. 
    
Figura 1. 2 - Particolare del prototipo Pelamis e struttura interna in sezione[3]
 
• Sistemi con impianti sommersi [14] 
Questo particolare sistema sfrutta il principio di Archimede e si presta allo 
sfruttamento del moto ondoso marino. Sono più di uno i sistemi che si basano sui 
principi idrostatici, tra i quali l' AWS (Archimedes Wave Swing) , che nel maggio 
del 2004 ha installato un impianto pilota al largo delle coste Portoghesi. Questo 
progetto consiste in una struttura ancorata al fondo marino nella quale una camera 
d'aria è compressa al momento del passaggio dell'onda sopra il sistema e risale 
quando l'onda è passata. Nel sistema commerciale si dovrebbe avere una potenza 
di 2 MW, con una struttura (completamente sommersa) alta 30 metri con 10 metri 
di diametro. La massima efficienza si ha con onde che abbiano un’ampiezza di 
almeno 5 metri, poiché con scorrimenti minori, l’energia prodotta è quasi 
trascurabile rispetto al movimento stesso delle onde. A marzo 2004 l'americana 
Ocean Power Technologies , che sta mettendo a punto un sistema simile, ha 
annunciato la realizzazione di un impianto pilota al largo delle coste spagnole, che 
a differenza del sistema AWS quello della OPT prevede un elemento affiorante. Il 
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costo del kWh per questa tecnologia è stimato in 3-4 €cent per un impianto di 100 
MW.
Figura 1. 3 - Schema generale di una OPT[14]
• Sistemi di superficie con bacino di raccolta[4]
Un altro modo per utilizzare le onde è studiato dalla società danese Wave 
Dragon e affronta la questione in modo più tradizionale: cattura l'acqua dell'onda 
in un bacino sopraelevato tramite una "rampa" e la fa passare per delle turbine ad 
elica posizionate poco sopra al livello medio/inferiore dell'onda e al centro del 
"bacino". 
Figura 1. 4 - Schema generale di una WAVE DRAGON[4]
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• Progetto italiano per frangiflutti a recupero energetico In tale progetto viene descritto un sistema frangiflutto in grado di attuare 
anche lo sfruttamento della forza d'urto delle onde del mare per produrre energia 
elettrica. Si tratta di una struttura del tutto simile a quelle in corso di 
sperimentazione da molto tempo del tipo Wave Dragon ma dalle quali si distingue 
per la presenza di un serbatoio idropneumatico, finora mai utilizzato in 
applicazioni del genere, ma che si ritiene essere in grado di regolarizzare il flusso 
e cioè di trasformare un'energia pulsante come quella delle onde in energia che si 
mantiene costante per periodi di una durata compatibile con una sua utilizzazione 
ai fini idroelettrici; ovvero un’energia costante nel tempo, tale da generare 
continuamente elettricità attraverso delle turbine idrauliche.
Figura 1. 5 - Sistema di frangiflutti per la produzione di energia elettrica • Energia dalle correnti marine e di marea L’energia delle correnti di marea è una delle fonti più interessanti ed 
inesplorate tra le fonti di energie rinnovabili. Nella sola Europa la disponibilità di 
questo tipo di energia è pari a circa 75 GW. Le forti correnti marine che 
attraversano lo Stretto di Messina hanno una potenzialità energetica pari a quella 
prevista dalla grande centrale idroelettrica in costruzione in Cina sul Fiume 
Azzurro: circa 15.000 MW.
Le turbine per lo sfruttamento delle correnti marine possono essere (come 
per le tecnologie eoliche) ad asse orizzontale o ad asse verticale.
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Le turbine ad asse verticale sono più adatte alle correnti di marea per il fatto 
che queste cambiano direzione di circa 180° più volte nell'arco della giornata. I 
costi di questi impianti sperimentali sono già ad un buon livello (0.07€/kWh), si 
calcola di raggiungere costi ancora più competitivi per impianti multipli, società 
che sviluppano sistemi del genere sono la Marineturbines e la Swanturbines. Un 
metro quadrato di area, intercettata con una turbina, in una corrente d'acqua che 
viaggia a 3 metri al secondo (11 km/h) dà una potenza di 3 kW.
Una corrente d'aria che investe una turbina eolica da un metro quadrato per 
produrre 3 kW deve viaggiare a 28 metri al secondo (100 km/h).
Figura 1. 6 - Turbina ad asse verticale per lo sfruttamento delle correnti marine • Sfruttamento energia dal gradiente termico marino[18]
La prima centrale per la conversione dell'energia termica degli oceani (Otec) 
è nata nel 1996 al largo delle isole Hawaii e produce energia sfruttando la 
differenza di temperatura tra i diversi strati dell'oceano. L'energia solare assorbita 
dalla superficie del mare la riscalda, creando una differenza di temperatura fra le 
acque superficiali, che possono raggiungere i 25 - 28 gradi, e quelle situate per 
esempio ad una profondità di 600 m, che non superano i 6-7 gradi. Le acque 
superficiali, più calde, consentono di far evaporare sostanze come ammoniaca e 
fluoro; i vapori ad alta pressione, mettono in moto una turbina e un generatore di 
elettricità, passano in un condensatore e tornano allo stato liquido raffreddati 
dall'acqua aspirata dal fondo. Una differenza di 20 gradi centigradi basta a 
garantire la produzione di una quantità di energia economicamente sfruttabile. 
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Attualmente si ha una potenza di 50 KW, ma si pensa di poter arrivare a 2 MW 
anche se i costi sono molto alti.
Figura 1. 7 - Sistema sperimentale OTEC[18]
• Energia da osmosi Quando un fiume si versa in mare e l'acqua dolce si mescola con acqua 
salata vengono liberate enormi quantità di energia. Ciò non è evidente e non è 
intuitivo ma basti pensare che per ottenere acqua dolce dall'acqua salata serve 
energia, per contro quando l'acqua dolce viene salata si libera energia.
Teoricamente ci sono diversi modi per convertire in energia utile l'energia 
dissipata quando l'acqua dolce si miscela all'acqua di mare. Le due tecniche più 
interessanti sono: 
• ritardo-pressione per osmosi (pressure-retarded osmosis, PRO);
• elettrodialisi inversa (reverse electrodialysis, RED);
Le possibilità per un’applicazione pratica di queste due tecniche dipende 
molto dalla riduzione di costo della membrana osmotica necessaria ai due sistemi. 
Nel corso degli ultimi venti anni lo sviluppo di membrane osmotiche ha avuto un 
buon incremento grazie all'applicazione nella desalinizzazione dell'acqua per usi 
potabili ed irrigui e per la depurazione delle acque reflue. Grazie a ciò ora si 
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comincia a pensare seriamente alla possibilità di utilizzare le membrane anche per 
la produzione di energia.
Il fenomeno fisico della pressione inversa fu notato per caso la prima volta 
nel 1784 quando il sacerdote e fisico francese Jean-Antoine Nollet mise una 
vescica di maiale riempita di vino in un barile d'acqua. L'effetto fu che la vescica 
si gonfiò fino a scoppiare. Il fisico olandese Van't Hoff nel 1899 descrisse il 
fenomeno trovando la formula per calcolare la pressione osmotica. Il principio di 
funzionamento di un impianto basato sul PRO è descritto nell'immagine 1.8. 
successivamente negli anni Cinquanta c'è stato un crescente interesse per la 
produzione di acqua potabile da acqua di mare. Un passo avanti è stato compiuto 
dagli americani Sidney e Loeb che hanno prodotto una membrana semipermeabile 
utile allo scopo. La produzione di acqua dolce per osmosi inversa è oggi una 
tecnologia consolidata ed utilizzata soprattutto in Medio Oriente. Le stesse 
membrane possono essere utilizzate in un impianto per la produzione di energia 
elettrica con la tecnica PRO. Attualmente questa tecnica è sperimentata in 
Norvegia dalla società Statkraft.
Figura 1. 8 - Differenza di energia potenziale fra acqua dolce e salata _______________________________________________________________
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1.2 Limiti di legge e tutela ambientale per gli scarichi in 
mare[5]
Oltre a quanto esposto riguardo alla produzione di energia è molto utile 
effettuare uno studio approfondito del livello di temperatura e di inquinamento 
delle nostre coste e delle problematiche riguardanti l’immissione in mare di 
inquinanti provenienti da impianti di produzione dell’energia da fonte fossile o 
nucleare. Infatti, l’acqua di raffreddamento del condensatore di questi impianti, è 
strettamente monitorata da leggi restrittive ambientali quali il “Testo unico 
ambientale” in particolare il Decreto Legislativo 3/4/2006 n. 152 Norme in 
materia ambientale (G.U. 14/4/2006 n. 88) che prescrive per scarichi a 
temperature elevate[5]: per i corsi d'acqua la variazione massima tra temperature 
medie di qualsiasi sezione del corso d'acqua a monte e a valle del punto di 
immissione non deve superare i 3 °C. Su almeno metà di qualsiasi sezione a valle 
tale variazione non deve superare 1 °C. Per i laghi la temperatura dello scarico 
non deve superare i 30 °C e l'incremento di temperatura del corpo recipiente non 
deve in nessun caso superare i 3 °C oltre 50 metri di distanza dal punto di 
immissione. Per i canali artificiali, il massimo valore medio della temperatura 
dell'acqua di qualsiasi sezione non deve superare i 35 °C, la condizione suddetta è 
subordinata all'assenso del soggetto che gestisce il canale. Per il mare e per le 
zone di foce di corsi d'acqua non significativi, la temperatura dello scarico non 
deve superare i 35 °C e l'incremento di temperatura del corpo recipiente non deve 
in nessun caso superiore i 3 °C oltre i 1000 metri di distanza dal punto di 
immissione. Deve inoltre essere assicurata la compatibilità ambientale dello 
scarico con il corpo recipienti ed evitata la formazione di barriere termiche 
(ovvero degli elevati gradienti termici in zone limitate in superficie) alla foce dei 
fiumi. Inoltre in appendice vengono allegate le tabelle 3 e 3/A del decreto 
legislativo che riportano i limiti di legge per i vari inquinanti negli scarichi in 
mare e in acque dolci ed i metodi per individuarli.
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1.3 Nozioni introduttive sui flussi costieri[6]
Per uno studio approfondito del problema dei flussi marini e dei processi 
che regolano in generale la fluidodinamica marina, faremo riferimento 
all’ingegneria costiera, nata come branca dell’ingegneria civile, che studia tutti i 
processi di formazione del moto ondoso e dell’interazione fra le opere costiere o 
marine vere e proprie, come possono essere degli scarichi industriali, con il 
naturale susseguirsi dei flussi costieri.
1.3.1 Processo di formazione delle onde
Ci sono quattro diversi stadi nella generazione delle onde che possono 
essere riconosciuti come meccanismi distinti ma facenti parte di un unico 
meccanismo che porta alla formazione di un moto ondoso, ed essi sono: 
1. Risonanza, prodotta dall’aria sulla superficie dell’acqua:
Il concetto e la teoria associata allo sviluppo dell’onda dalla risonanza 
dell’acqua superficiale sono stati sviluppati nel 1957 da O.M. Philips. Questa 
attività di ricerca ha costituito un progresso significativo nella comprensione della 
generazione delle onde. Il movimento dell’aria sottoforma di vento è sempre 
associato alla turbolenza, o a fluttuazioni casuali di pressione e velocità da valori 
medi. Questi sono il risultato di vortici e mulinelli di masse di aria in movimento 
con dimensioni variabili da pochi centimetri a centinaia di metri. La modalità di 
questa distribuzione dimensionale è determinata dalla velocità del vento così 
come dalle condizioni atmosferiche e dalla rugosità superficiale. Questi vortici 
producono fluttuazioni di pressione e di direzione sulla superficie dell’acqua, ma 
la teoria di Philips incorpora solo la fluttuazione di pressione sulla superficie 
dell’acqua. La depressione causata dal movimento del mulinello di aria è piccola, 
ma crea un’onda con una lunghezza d’onda determinata. Se la pressione viene 
mantenuta a questo valore alla stessa velocità di applicazione, la velocità naturale 
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dell’onda può diventare maggiore e crescere in dimensione fra cresta e gola, 
ovvero crescere in ampiezza e lunghezza d’onda. 
Figura 1. 9 - Apparato ideale per la generazione di onde[6]
La turbolenza in un fluido è un fenomeno tridimensionale, così questa 
depressione superficiale è casuale sia spazialmente che temporalmente. La 
propagazione delle onde dalla sua origine è così in ogni direzione, come gli 
increspamenti circolari derivanti dall’impatto di un corpo solido sulla di una 
superficie di acqua. Uno schema che riesce a riprodurre artificialmente questo 
meccanismo è riportato in figura 1.9. Considerando inoltre uno schema del tipo: 
Figura 1. 10 - Schema tipo delle varie direzioni delle forze in gioco[6]
Si nota come l’onda che viaggia con un angolo α rispetto alla direzione del 
vento, tende ad allargarsi mentre quella che viaggia con la direzione del vento sarà 
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fuori fase e non riceve benefici dai vortici. L’angolo dove avviene la miglior 
generazione di onde è detto angolo critico. Quindi muovendosi a questo angolo 
cr a o minore le onde ricevono energia di risonanza, ma oltre tale limite il 
vantaggio è attenuato. Questo è il principale passo della crescita di un’onda 
attraverso l’azione del vento superficiale; essa è utile se il tempo di applicazione è 
minore del tempo di dissipazione dell’onda e se l’angolo tra la direzione del vento 
e quella di propagazione dell’onda è maggiore o minore dell’angolo critico. 
Un'altra discriminante per l’applicazione di questa teoria è che le onde generate 
siano di piccola ampiezza. L’angolo critico a questo punto della generazione, 
quando l’energia è trasferita linearmente con il tempo è dato da: 
U gT U C
cr p a 2 / / cos @ @ dove C è la velocità dell’onda, T è il periodo 
dell’onda, U è la velocità del vento e g è l’accelerazione di gravità. Questo valore, 
partendo dalla velocità del vento nota, è tabellato in figura 1.11:
Figura 1. 11 - Angolo critico per la nascita di onde da risonanza per varie velocità del 
vento[6]
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2. Scorrimento del flusso derivante dal profilo della velocità media del 
vento:
La teoria di questo step che porta alla generazione di un’onda è stata 
presentata da J.W. Miles nel 1957 simultaneamente alla teoria di Philips non per 
sostituire la teoria della risonanza, ma per completarla. Molte delle assunzioni 
sono le stesse di quelle per la risonanza, i maggiori cambiamenti risiedono 
nell’inserimento del profilo logaritmico di velocità media sulla superficie 
dell’acqua e nel trascurare le fluttuazioni dovute alla turbolenza. Il trasferimento 
di energia è ancora assunto come effetto della pressione normale alla superficie e 
sia le forze resistenti che quelle di trascinamento, anche in questa teoria, vengono 
ignorate. Il modello assume inizialmente una superficie disturbata da onde 
sinusoidali con cresta d’onda di infinita lunghezza e piccola ampiezza. La forma 
delle onde induce un movimento del flusso d’aria a contatto con la superficie di 
tipo vorticoso. Questo moto vorticoso dell’aria, simile ad un ricircolo, viaggia alla 
stessa velocità dell’onda e la segue durante il suo tragitto. Si è assunta una 
distribuzione del vento come in figura 1.12, ovvero con velocità media del tipo 
logaritmico:
Figura 1. 12 - Schema di definizione dei vari parametri per lo shear flow[6]
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Sottraendo la C, ovvero la velocità di avanzamento dell’onda (in direzione 
parallela a quella del vento) alla velocità media del vento, si ottiene lo zero in un 
punto detto 
c y . Questo punto definisce una zona critica al di sotto di esso dove la 
velocità del vento è opposta alla velocità delle ondulazioni superficiali. Alla 
coordinata 
c y sopra la superficie del flusso di acqua si crea un vortice che preleva 
energia al vento e la trasferisce all’onda. Quando l’onda si propaga sulla 
superficie, la pressione entra in fase con l’onda e si ha una pressione positiva sulla 
depressione. In questo modo l’onda riceve energia e cresce in ampiezza. L’energia 
trasferita varia con la radice dell’altezza dell’onda così l’energia dell’onda si 
innalza esponenzialmente insieme con la pendenza dell’onda. 
Questi due meccanismi iniziali sono complementari fra loro, la risonanza 
della turbolenza dell’aria provvede a creare l’ondulazione iniziale con uno spettro 
di frequenze stabilito, dopodiché lo scorrimento della velocità media del profilo 
del flusso promuove selettivamente le onde più corte. 
3. Effetto di riparo: le onde influenzano il flusso dell’aria vicino alla 
superficie:
La crescita dell’onda continua grazie allo shear-flow finché non raggiunge 
una pendenza tale per cui il sottile strato di aria si stacca dalla superficie 
dell’acqua. In questa fase, se non prima, il meccanismo di Miles non è più 
applicabile. Nonostante questo, è osservabile che l’onda può continuare a crescere 
attraverso un meccanismo diverso. Ad esempio con misure di pressione su profili 
di superfici ondulate statiche, simili alle onde dell’oceano sottoposte a un getto di 
aria sopra di esse, si è notato un differenziale di pressione fra il lato sopravento e 
sottovento delle creste. Questo differenziale riesce a fornire energia all’onda 
quando gli stessi profili ondosi posseggono un moto di avanzamento. Jeffreys nel 
1925 ha promosso la tesi per cui la generazione di questo differenziale era il 
risultato della forza di resistenza sulla forma di onda. Stanton nel 1937 ha 
condotto studi in un canale artificiale per valutare tali coefficienti di resistenza 
tenendo in considerazione solo le pressioni normali alla superficie dell’acqua (la 
pressione è sempre normale, l’onda ha una superficie orientata in più direzioni) e 
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ignorando le forze di stress tangenziale.  Questa tesi prende il nome di “effetto di 
riparo” (Sheltering effect) ed è risultata essere efficace considerando che sulla 
cresta dell’onda si abbia la velocità massima sia dell’aria che delle particelle 
dell’acqua e che le due velocità siano parallele fra loro. Ogni impulso dato a 
queste particelle è influente nella crescita in ampiezza delle onde. Un problema 
del concetto di “riparo”, è che la sua applicabilità è ristretta alle onde più grandi, 
quando in realtà nell’oceano ci sono onde di grandezze diverse che viaggiano 
insieme. Gli effetti delle diverse pressioni e delle energie assorbite e dissipate per 
la resistenza della rugosità della superficie dell’acqua, sono state riportate in 
figura 1.13, grazie a delle verifiche sperimentali effettuate da Philips e Miles da 
Hino[31], per due velocità del vento (16 e 32 nodi). Lo stato costante, ovvero il 
non accrescimento dell’onda per “sheltering effect”, si raggiunge quando l’energia 
data è immediatamente consumata in modo eguale dalla rottura, dalla turbolenza, 
dagli effetti viscosi o dalle correnti di deriva.
Figura 1. 13 - Percentuale di resistenza della pressione sulla resistenza totale esercitata sulle 
onde dal vento e efficienza del trasferimento di energia alle onde[6]
4. Rottura (Breaking wave): dopo che le onde hanno raggiunto la loro 
massima rigidezza La rottura è una parte integrante della formazione delle onde, infatti, 
quest’ultima non potrebbe avvenire senza di essa. L’instabilità e la conseguente 
rottura, non può essere trattata in modo quantitativo, ma solo qualitativamente, 
poiché non sono state trovate spiegazioni analitiche per tale fenomeno.  La rottura 
delle onde è considerata da matematici e oceanografi solo come una dissipazione 
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