Energia di marea

La maggior parte dell’elettricità rinnovabile dipende dal tempo. Le correnti di marea dipendono dall’orbita della Luna e dalla rotazione della Terra, motivo per cui le tabelle delle maree possono essere stampate con anni di anticipo. In alcuni stretti canali, come il Pentland Firth tra la Scozia continentale e le Orcadi, questo movimento si trasforma in una corrente da 3 a 5 metri al secondo, più veloce di quanto la maggior parte delle persone possa correre. Metteteci dentro una turbina e avrete una centrale elettrica la cui produzione potete prevedere all’ora per il resto del secolo.

Questa pagina segue la stessa regola della nostra ricerca sul Fan Wall: prima la fisica, poi quello che le macchine reali hanno misurato, quindi il costo rispetto al punto di riferimento che ogni idea su un edificio deve superare, un pannello solare sul tetto. La versione breve: la corrente di marea funziona, è prevedibile e i nuovi progetti costano ancora molte volte più dei parchi solari o eolici. Può vincere sulle isole e sulle coste remote dove l’energia è già costosa, e potrebbe diventare una parte preziosa e stabile di alcune reti se i costi continuano a scendere. Non sarà mai una grande quota dell’elettricità mondiale.

Che cos’è

Ci sono due modi per produrre elettricità dalla marea.

La gamma di maree utilizza la differenza di altezza tra l’acqua alta e bassa. Una diga che attraversa un estuario (una diga) o una parete intorno a parte del mare (una laguna) trattiene l’acqua, poi la fa scorrere attraverso turbine, molto simile a una diga fluviale. E’ provato: La Rance in Bretagna è in funzione dal 1966, e Sihwa Lake in Corea del Sud, 254 MW, aperto nel 2011. Ma una diga cambia un intero estuario, e sono stati costruiti pochissimi. La più grande proposta degli ultimi anni, una laguna da 320 MW nella baia di Swansea in Galles, ha ricevuto il permesso di pianificazione nel 2015 ed è stata respinta dal governo britannico per costi nel 2018.

Corrente di marea, oggetto di questa pagina, mette le turbine nella corrente stessa, senza una diga. Sembrano turbine eoliche subacquee, fissate al fondo del mare o sospese sotto uno scafo galleggiante. Questo li rende molto più leggeri sull’ambiente e molto più piccoli in scala, una macchina alla volta, motivo per cui quasi tutti gli sviluppi attuali sono corrente di marea.

Ecco come funziona

Perché le maree sono prevedibili. La gravità della Luna tira l’oceano in due rigonfiamenti su lati opposti della Terra, e la Terra ruota sotto di loro. La marea lunare principale si ripete ogni 12 ore e 25 minuti. Il Sole aggiunge una propria marea più piccola. Quando il Sole e la Luna si allineano, a luna nuova e piena, i due si sommano per fornire una forte Maree di primavera; una settimana dopo si annullano in parte in debole Neap tides. Il ciclo completo dura 14,8 giorni. Ognuno di questi ritmi è astronomico, quindi la corrente in un dato sito può essere prevista per decenni.

La potenza in una corrente. Esattamente come per il vento, la potenza che scorre attraverso un’area A è P = ½ ρ A v³, dove ρ è la densità del fluido e v la sua velocità. Una turbina ne conserva una frazione, il coefficiente di potenza Cp. L’acqua di mare pesa 1.025 kg per metro cubo, l’aria circa 1,2. Quindi, anche se le correnti sono lente, la densità compensa più che bene: a 3 m/s un metro quadrato di corrente trasporta 13.8 kW, mentre lo stesso metro quadrato di vento forte da 12 m/s porta 1.1 kW. Ecco perché un rotore mareomotore di 18 m produce 1,5 MW, la stessa quantità di un rotore eolico quattro volte più largo.

Il cubo funziona in entrambi i sensi. Poiché la potenza va con il cubo della velocità, una corrente che si dimezza fornisce un ottavo della potenza. La corrente in un sito sale e scende due volte al giorno e oscilla tra le sorgenti e i neaps ogni quindici giorni, quindi una turbina dimensionata per catturare le maree primaverili più veloci rimarrebbe per lo più inattiva. I progettisti scelgono quindi un Velocità nominale, spesso intorno a 2,5-3 m/s, al di sopra del quale la turbina perde la potenza extra. Il grafico sopra mostra il compromesso: una velocità nominale inferiore dà un fattore di capacità più elevato (più del tempo a piena potenza), ma una macchina più piccola.

Quanto può dare un canale. Un canale non è un fiume infinito di energia. Le turbine rallentano l’acqua da cui prendono energia, e abbastanza di loro bloccheranno il canale in modo che la marea trovi un altro modo per aggirarlo. Garrett e Cummins hanno dimostrato che la potenza massima che un canale può produrre in media è di circa 20 - 24% della testa di pressione di picco da un’estremità all’altra volte il flusso di picco, spesso molto meno dell’energia cinetica che scorre attraverso il suo punto più stretto (Garrett e Cummins, 2005). Una turbina in un canale può superare il limite di Betz del 59,3% perché le pareti del canale trattengono il flusso, ma parte di questo guadagno viene perso quando i flussi veloci e lenti si mescolano dietro di essa (Garrett e Cummins, 2007).

I limiti: teorici e pratici

L’intero pianeta. Le maree perdono circa 3,7 terawatt per attrito, circa un quarto di esso nell’oceano profondo e il resto nei mari poco profondi e sulle coste (Egbert and Ray, 2000). Sembra molto rispetto all’utilizzo medio mondiale di elettricità, pari a circa 3,4 TW, ma quasi nessuna di queste risorse scorre abbastanza velocemente, abbastanza vicino alla riva, in acque abbastanza basse da poter costruire. Solo poche decine di luoghi al mondo hanno correnti superiori a 2-2,5 m/s: il nord della Scozia, le Isole del Canale e la Bretagna, la Baia di Fundy in Canada, parti della Corea, Cina, Giappone e Indonesia.

Una figura nazionale realistica. Per il Regno Unito e le Isole del Canale, che hanno alcuni dei migliori siti al mondo, una revisione del 2021 ha supportato una risorsa pratica di 34 TWh all’anno, circa l’11% dell’attuale domanda di elettricità nel Regno Unito, da circa 11,5 GW di turbine entro il 2050 (Coles et al., 2021). Per la maggior parte dei paesi il dato è vicino allo zero.

Il mare stesso. I limiti pratici sono l’ingegneria e il denaro:

• - Molto. La densità dell’acqua significa che un rotore mareale sente forze molte volte maggiori di un rotore eolico della stessa dimensione, e i canali mareali sono turbolenti. Le pale, i cuscinetti e le tenute devono resistere per 20 anni.
• Accesso. I subacquei e le imbarcazioni possono lavorare solo in acqua bassa, la breve pausa tra marea alta e bassa, e con tempo calmo. Le navi specializzate sono costose da noleggiare al giorno. I progetti galleggianti come l’O2 di Orbital, che possono sollevare i loro rotori fuori dall’acqua, sono stati inventati in gran parte per ridurre questo costo.
• Corrosione e incrostamenti. Acqua salata, crescita marina e sedimenti attaccano tutto.
• Grid. I siti migliori sono sulle coste remote, lontano dalla domanda e da forti connessioni alla rete.

Progetti reali, misurati

Progetto	Dove	Dimensione	Stato	Cosa è stato misurato o riportato
MeyGen Fase 1A	Inner Sound, Pentland Firth, Scozia	4 × 1,5 MW, rotori da 18 m	Operativo dal 2016 al 2018	13,8 GWh nel 2019 (fattore di capacità del 26%); oltre i 50 GWh entro l’inizio del 2023; circa 59 MW in più con prezzi garantiti per il periodo 2027-2029 (MeyGen)
Orbitale O2	Caduta di Warness, Orkney (EMEC)	2 MW, due rotori da 20 m su uno scafo galleggiante di 72 m	Grid-connected Luglio 2021	Progettato per soddisfare la domanda annuale di circa 2.000 case nel Regno Unito; ulteriori macchine della classe O2 detengono contratti nel Regno Unito (Orbital Marine PowerNon abbiamo trovato alcun record completo pubblicato della produzione annua misurata.
Nova Innovation Shetland Tidal Array	Bluemull Sound, Isole Shetland	6 × 100 kW al massimo	Prima turbina 2016; rimozione delle tre più vecchie 2023	469 MWh in oltre 14.000 ore di funzionamento entro dicembre 2020; un successivo design a trasmissione diretta ha ridotto il costo della turbina di circa un terzo (Nova Innovation)
SeaGen	Strangford Lough, Irlanda del Nord	1,2 MW, rotori gemelli su un palo	2008, da quando è stato disattivato	La prima turbina a maree su scala megawatt a raggiungere la piena potenza in rete, nel dicembre 2008 (Tidal stream generator)
La Rance (intervallo di marea, per il contesto)	Bretagna, Francia (FR)	Diga da 240 MW	Dal 1966 in poi	Circa 540 GWh all’anno, un fattore di capacità del 26%; costruito per circa USD 340 per kW in denaro 2012 (IRENA, 2014)
Lago di Sihwa (intervallo di marea)	Gyeonggi, Corea del Sud	254 MW	Dal 2011 in poi	552 GWh all’anno; costo di circa USD 560 milioni, costruito in una barriera corallina esistente (Sihwa Lake)

Due letture oneste di questa tabella. Primo, La tecnologia funziona: le turbine hanno funzionato per anni in alcune delle acque più violente d’Europa e hanno inviato decine di gigawatt-ore alla rete. Secondo, i primi array hanno prodotto meno di quanto sperato. Si prevedeva che i primi array raggiungessero fattori di capacità dal 35 al 42% (Ocean Energy Systems, 2015). Il miglior anno iniziale di MeyGen ha dato il 26%, e nei suoi primi anni la media si è avvicinata al 20%, poiché le singole turbine sono state rimosse per riparazioni e sostituite con macchine aggiornate. Le sei turbine da 100 kW di Nova mostrano lo stesso modello su piccola scala: elettricità reale, apprendimento reale e macchine ritirate nel giro di pochi anni.


Quanto costa

Il prezzo delle correnti mareali è determinato principalmente da ciò che i governi sono disposti a garantire, perché nessun progetto si paga ancora da solo.

Fonte	Che cos’è	Prezzo
Contratti per differenza UK, round 6 (2024)	Prezzo garantito per 28 MW di marea, 15 anni	172 £ per MWh ai prezzi del 2012, circa £250 o $0.32 per kWh nel 2025
La stessa asta	Parci eolici solari / onshore / offshore	50/51/54 sterline per MWh (prezzi del 2012)
Coles et al. (2021)	Costo stimato della corrente mareale nel Regno Unito	circa £240 per MWh, scendendo sotto i £150 dopo 124 MW di apprendimento
Sistemi di energia oceanica (2015)	Primi array / secondi array / primi progetti commerciali	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 per MWh
La Rance e Sihwa (IRENA, 2014)	Vecchie, pagate fuori dighe di marea	Da 0,02 a 0,04 euro per kWh
Il nostro punto di riferimento	Solare sul tetto di un edificio, modello Fan Wall; gamma Lazard 2026 per il solare commerciale e comunitario	$0.19 per kWh; $0.09 to $0.20
Lazard (giugno 2026)	Nuovo solare di utilità / eolico onshore / eolico offshore	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 / $0.11 to $0,17 per kWh

Così i nuovi costi di marea circa $0.25 to $0,35 per kWh oggi, da una volta e mezza a due volte solare sul tetto e da tre a otto volte solare di utilità ed eolico onshore. Il confronto con l’eolico offshore, l’altra grande tecnologia marina, è quello da tenere d’occhio: l’eolico offshore era anche molto più costoso del solare e dell’eolico onshore un decennio fa, e il suo prezzo è sceso drasticamente man mano che i progetti sono cresciuti fino a centinaia di megawatt. Tidal Stream spera di seguire questa strada, ma finora ha installato megawatt dove l’eolico offshore ha installato gigawatt.

Un semplice LCOE non coglie una cosa che l’energia mareomotrice ha e quella solare ed eolica no: la sua produzione è nota in anticipo e non dipende dal tempo. Coles e colleghi sostengono che questo può ridurre il costo di bilanciamento di una rete, che i confronti dei costi ordinari non tengono in considerazione. E’ un vantaggio reale, ma non ancora sufficiente a colmare il divario.

Dove può vincere e dove non può

Si può vincere:

• Isole e coste remote con forti correnti, come le Orcadi, le Shetland, le Isole del Canale, la Nuova Scozia e parti dell’Indonesia e delle Filippine, dove l’elettricità spesso proviene dal gasolio importato e i cavi per il continente sono costosi.
• Come parte stabile e prevedibile di una rete dominata dal solare e dall’eolico, riempiendo alcune delle ore in cui entrambi sono bassi, perché la marea ignora il tempo.
• Dove esiste già una struttura. Il lago Sihwa è stato costruito in un muro di mare che c’era già; ponti, calesse e ingressi al porto con flussi veloci meritano di essere osservati.
• Piccoli carichi fuori rete in acque veloci: monitoraggio delle boe, dei fari di navigazione e dei siti di acquacoltura.

Non può vincere:

• Come elettricità a buon mercato, ovunque i parchi solari o eolici possono essere costruiti sulla terra.
• Nella stragrande maggioranza delle coste, dove le correnti di picco sono inferiori a circa 2 m/s: la legge del cubo rende la potenza troppo sottile.
• - Veloce. Consentimenti, collegamenti alla rete, navi specializzate e una piccola catena di fornitura significano che i progetti richiedono molti anni.

Ciò che è provato, plausibile e speculativo

Dimostrato: l’astronomia e la prevedibilità delle maree; l’equazione di potenza e il vantaggio della densità dell’acqua; che le turbine ad asse orizzontale possono funzionare per anni in forti canali di marea ed esportare alla rete; che le dighe a gamma di marea possono funzionare per più di mezzo secolo; che nessuna collisione tra animali marini e turbine in funzione è stata rilevata fino al 2021 (Coles et al., 2021).

Plausibile: costo inferiore a 150 sterline per MWh con la costruzione di array da decine di megawatt; turbine galleggianti che riducono i costi di manutenzione; fattori di capacità dal 35 al 40% in array maturi con buona disponibilità; un valore di rete per la prevedibilità che vale la pena pagare.

Speculativo: flusso mareale che raggiunge il costo del vento offshore; array molto grandi in un singolo canale senza modificare significativamente le sue correnti ed ecologia; effetti a lungo termine su sedimenti, stratificazione e predatori che si nutrono attorno alle turbine su scala gigawatt.

Domande di ricerca aperte

• Array, non singole turbine. Come interagiscono i segnali provenienti dalle file di turbine e quanto rallenta il canale quando ne sono installate molte?
• Affidabilità. Quali design di pale, cuscinetti, guarnizioni e generatori sopravvivono a 20 anni di acqua turbolenta senza costosi sollevatori?
• Installazione e accesso più economici. Scavi galleggianti, fondazioni meno numerose e più grandi e lavoro all’esterno di acque poco profonde.
• Misurazione delle prestazioni. Misurare le curve di potenza in flusso reale e turbolento con il metodo della norma IEC TS 62600-200, in modo che gli acquirenti possano confrontare le macchine in modo equo (Energia rinnovabile, 2023).
• Ambiente. Rischio di collisione per foche, focene e uccelli subacquei; rumore; effetti sui sedimenti e sulle specie che si nutrono in acque veloci.
• Il valore della prevedibilità. Quanto vale un megawatt-ora prevedibile per una rete con molto solare ed eolico?

Di cosa avrebbe bisogno un prototipo funzionante

Una nuova idea di marea (un nuovo rotore, un ormeggio più economico, un nuovo modo per mantenere le macchine) può essere testata prima su piccola scala. I costi sottostanti sono le nostre stime approssimative per un piccolo team, da affinare con un centro di test.

Fase	Lavoro	Cosa dimostra	Costo approssimativo	Tempo
1. canale o carro armato di traino	Un rotore modello da 0,3 a 1 m in un canale universitario o trainato attraverso acqua ferma, da 0,5 a 2 m/s	Coefficiente di potenza e spinta misurati rispetto alla velocità	$20k to $80k	Da 2 a 4 mesi
2. Pilota fluviale o estuario	Un’unità da 1 a 10 kW su un pontone o piccolo telaio in un fiume veloce o estuario, con un misuratore di corrente e un contatore di potenza registrato	Curva di potenza reale, velocità di avviamento, inquinamento e detriti	$50k to $200k	Da 6 a 12 mesi
3. sito di prova della scala	Una macchina da 10 a 100 kW in un vivaio come quello di EMEC nelle Orcadi, con misurazione indipendente	Affidabilità, tempi di manutenzione, monitoraggio ambientale	$0.5 million to $3 milioni	Da 1 a 2 anni
4. Full scala	Una macchina da megawatt su un banco di prova collegato alla rete	Dati di performance bancabili	Decine di milioni	Da diversi anni

Le prime due fasi sono alla portata di un gruppo universitario o di una squadra determinata di makers. Sono anche esattamente quello di cui un campo ha bisogno: un modello che gira in acqua reale e un contatore che mostra ciò che è stato fatto.

Di chi abbiamo bisogno

• Idrodinamici marini e modellatori di risorse mareali.
• Ingegneri offshore e navali Per fondazioni, ormeggi, scafi galleggianti e operazioni marine.
• Ingegneri elettrici e elettronici di potenza sottomarini per generatori, cavi e connessione alla rete.
• Strutture di prova: canali universitari e serbatoi di traino, estuari con accesso e centri di prova come EMEC nelle Orcadi o FORCE in Nuova Scozia.
• Ecologi marini Per il monitoraggio di collisioni, rumore e habitat.
• Specialisti di certificazione Conoscere gli standard di energia marina IEC 62600.
• Comunità isolane e autorità portuali con acqua veloce ed elettricità costosa.

Hai un’idea migliore?

Alcuni membri della Fondazione potrebbero avere contatti che potrebbero sentire un pitch. Per essere presentata, un’idea ha bisogno di Un modello reale che produce energia, con la sua potenza misurata su uno strumento, non rivendicato: un piccolo rotore in una canaletta o un fiume con un contatore registrato vale più di qualsiasi disegno. Anche le idee cartacee sono benvenute: se la fisica e i numeri sono solidi, possiamo pubblicarle qui sul sito. Ma raccogliere capitali senza un modello di lavoro è molto difficile, e nulla qui è una promessa di finanziamento, rendimenti o introduzioni.

Invia la tua idea attraverso il modulo di contributo, scegliendo l’Iniziativa Verde. Raccontaci il problema che risolve, la verifica fisica (quanti kW per metro quadrato di rotore, a quale velocità corrente), un costo approssimativo per kWh e il test più economico che potrebbe dimostrarlo sbagliato. La pagina sources of energy confronta questa idea con altre undici.

Fonti

1. MeyGen / Ampeak Energy (ex SAE Renewables e SIMEC Atlantis). Progetto di corrente mareale MeyGen: turbine, capacità, traguardi di generazione e piani di fase. Vedere anche MeyGen su Wikipedia per l’output annuale e i contratti.
2. Dipartimento per la sicurezza energetica e Net Zero (2024). Risultati del 6° round di allocazione dei contratti per differenza.
3. IRENA e IEA-ETSAP (2014). La tecnologia dell’energia mareale breve.
4. Sistemi di energia oceanica (2015). Costo energetico internazionale livellato per le tecnologie dell’energia oceanica.
5. Greaves, D., Angeloudis, A., Coles, D., et al. (2021). Una revisione della pratica risorsa di energia delle correnti mareali nel Regno Unito e nelle Isole del Canale. Proceedings of the Royal Society A 477.
6. Garrett, C. e Cummins, P. (2005). Il potenziale di potenza delle correnti mareali nei canali. Proceedings of the Royal Society A 461, 2563-2572.
7. Garrett, C. e Cummins, P. (2007). L’efficienza di una turbina in un canale mareale. Rivista di Meccanica dei Fluidi 588, 243-251.
8. Egbert, G.D. e Ray, R.D. (2000). Significativa dissipazione dell’energia mareale nell’oceano profondo dedotta dai dati altimetrici satellitari. Nature 405, 775-778.
9. Orbital Marine Power (2021). Orbital Marine Power lancia O2; Orbital Marine Power su Wikipedia.
10. Innovazione. Shetland Tidal Array, con il caso studio di Marine Scotland.
11. Generatore di correnti mareali e Energia mareale, Wikipedia: SeaGen, La Rance, Swansea Bay; SeaGen, Wikipedia: due rotori da 16 m, installato aprile 2008, rimosso dal 2016 al 2019.
12. Sihwa Lake Tidal Power Station, Wikipedia.
13. Lazard (giugno 2026). Costo dell’Energia Livellato+, versione 19.
14. Local Solar System Fondazione. The Fan Wall: modello aperto e benchmark, impianto solare su tetto a 0,19 dollari per kWh.
15. Sellar, B., Evans, P. e Ashton, I. (2023). Valutazione delle prestazioni di potenza delle turbine mareomotrici secondo IEC TS 62600-200 utilizzando le potenze misurate e modellate. Energia rinnovabile e energia solare.
16. Sabella (azienda), Wikipedia: la turbina da 1 MW D10, collegata alla rete di Ushant nel novembre 2015.
17. Densità dell’aria, Wikipedia: 1.225 kg per metro cubo a livello del mare nell’atmosfera standard internazionale.