Le tecnologie dell’acqua comprendono una varietà di sistemi che usano l’oceano o l’acqua dolce per produrre elettricità o energia termica. La tecnologia idrica più familiare è l’energia idroelettrica, in cui la forza dell’acqua in movimento spinge una turbina, che a sua volta aziona un generatore per creare elettricità. L’energia idroelettrica e le altre tecnologie dell’acqua sono rinnovabili perché il loro combustibile si rinnova naturalmente attraverso il ciclo dell’acqua; sono alternative pulite alla combustione di combustibili fossili che causano il cambiamento climatico. L’energia idroelettrica non richiede l’acquisto di combustibili per la generazione, a differenza del gas naturale, del carbone e di altri impianti che bruciano combustibili. Gli unici costi sono la costruzione e il funzionamento degli impianti di generazione.

A livello globale, l’energia idroelettrica rappresenta circa il 15% della produzione elettrica. Nel 2014, le centrali idroelettriche statunitensi avevano una capacità di circa 101.000 megawatt (MW) e producevano il 6% dell’energia totale e il 48% dell’elettricità rinnovabile negli Stati Uniti. Anche se la maggior parte dei siti adatti per le dighe su larga scala sono stati sviluppati negli Stati Uniti e in tutto il mondo, ci sono molte opportunità di installare sistemi idroelettrici presso le dighe esistenti attualmente senza capacità di generazione, e di utilizzare altre tecnologie di energia idrica nei fiumi, nelle zone di marea e in mare aperto. Secondo due studi del 2012 del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, le dighe esistenti che attualmente non producono energia potrebbero fornire 12.000 MW di capacità aggiuntiva, e se si costruiscono nuove installazioni (comprese quelle che sfruttano le onde e le correnti di marea), l’energia idroelettrica potrebbe potenzialmente fornire il 15% dell’elettricità americana entro il 2030 (contro il 6% di oggi). Gli impianti idroelettrici possono essere installati su fiumi, oceani o laghi.

Fiumi

Dighe

Grandi dighe idroelettriche sui grandi fiumi sono i generatori di energia idrica più sviluppati. Gli impianti di immagazzinamento a pompaggio o a serbatoio immagazzinano l’acqua in un bacino e la rilasciano per utilizzarla quando il fiume scorre più lentamente o durante i periodi di picco della domanda di energia. Questo permette una generazione affidabile di energia di base. La Hoover Dam in Nevada e la Grand Coulee Dam a Washington sono esempi di queste grandi strutture. Le grandi dighe soddisfano anche molteplici esigenze sociali come l’irrigazione, il controllo delle inondazioni e la ricreazione.

Ci sono diversi svantaggi negli impianti a bacino. Gli studi suggeriscono che i grandi serbatoi nei climi boreali e tropicali emettono tanti gas serra quanto una centrale elettrica a combustibile fossile. La vegetazione allagata si decompone, rilasciando metano e anidride carbonica in una grande esplosione all’inizio della vita di una diga e continuando in quantità minori durante l’uso della diga. Ulteriori impatti includono cambiamenti nella temperatura dell’acqua, nell’ossigeno disciolto e in altri nutrienti, danni all’ecosistema del fiume, spostamento di comunità a causa dell’alterazione del flusso del fiume, e instabilità degli argini che porta alla deforestazione, all’inondazione e all’erosione. L’energia idroelettrica è vulnerabile al cambiamento climatico. Siccità prolungate possono diminuire il livello dell’acqua del fiume, abbassando la produzione di elettricità, mentre lo scioglimento dei ghiacciai, il rapido scioglimento del manto nevoso o i cambiamenti nei modelli di precipitazione da neve a pioggia possono alterare significativamente il flusso del fiume.
Run-of-the-River

Gli impianti run-of-the-river non hanno strutture di stoccaggio dell’acqua, ma possono usare dighe a basso livello per aumentare la differenza tra il livello di presa dell’acqua e la turbina. In questo caso, il flusso naturale del fiume genera elettricità e la quantità di energia generata fluttua a seconda del ciclo del fiume. Anche se la tecnologia run-of-the-river può essere usata per la generazione di energia su larga scala, è comunemente applicata per fornire elettricità a singole comunità, con capacità inferiori a 30 MW. Questa forma di generazione di energia è popolare nelle zone rurali della Cina, ma ha una potenziale applicazione in molti luoghi, compresi gli Stati Uniti. La tecnologia Run-of-the-river tipicamente interrompe molto meno il flusso del fiume rispetto alle grandi dighe idroelettriche.
Corrente

La generazione di corrente funziona in modo simile a una turbina eolica, ma sott’acqua. Poiché l’acqua è più densa dell’aria, l’acqua che si muove ad una data velocità produrrà molta più energia di quella generata da una velocità del vento comparabile. Tuttavia, la turbina stessa deve essere più forte e, quindi, è più costosa. L’impatto ambientale delle turbine attuali non è chiaro. Potrebbero danneggiare le popolazioni di pesci, ma sono state sviluppate turbine sicure per i pesci.

Gli Stati Uniti hanno molti siti potenziali dove la generazione di corrente potrebbe avvenire, e diversi progetti sono in corso, compresi quelli nell’East River a New York e nella baia di San Francisco. La Federal Energy Regulatory Commission ha rilasciato la prima licenza per un progetto pilota commerciale di energia dalle maree negli Stati Uniti nel 2012. La licenza di 10 anni imposta il progetto East River (Roosevelt Island Tidal Energy) su un percorso verso la costruzione di 30 turbine per generare 1 MW.

Oceani

Barriera di marea

L’energia di marea sfrutta il ciclo prevedibile di energia prodotta dalle maree. Una diga di marea funziona in modo simile a una grande diga di sbarramento idroelettrico, ma è posta all’entrata di una baia o di un estuario. L’acqua trattenuta nella baia viene rilasciata attraverso le turbine della diga e genera energia. Una marea deve avere una gamma abbastanza grande tra l’alta e la bassa marea, circa dieci piedi, perché la diga funzioni economicamente. I migliori siti potenziali si trovano nel nord Europa e sulla costa occidentale degli Stati Uniti. Una diga di marea a La Rance, in Francia, è in funzione dal 1967 con una capacità di 240 MW. Il potenziale impatto ambientale delle dighe potrebbe essere significativo perché sono costruite in delicati ecosistemi di estuario, ma progetti meno intrusivi come recinzioni o chiatte galleggianti sono in fase di sviluppo.
Corrente di marea

Simile alle tecnologie della corrente fluviale, turbine ancorate al fondo dell’oceano o sospese da una boa nel percorso di una corrente oceanica potrebbero essere usate per generare energia. Anche se questa tecnologia è in fase di sviluppo, alcune località potenziali negli Stati Uniti includono il Golfo del Maine, il North Carolina, il nord-ovest del Pacifico e la corrente del Golfo al largo della Florida.
Onde

Quando il vento si muove sulla superficie dell’oceano, trasferisce energia all’acqua e crea onde. Anche se variabili in dimensione e velocità, le onde sono prevedibili e si creano costantemente. Solo nelle acque costiere degli Stati Uniti, l’energia annuale totale delle onde è di 2.100 terawattora.

Si stanno testando diverse tecnologie per convertire l’energia delle onde in elettricità. La maggior parte dei sistemi cattura l’energia sulla superficie delle onde o utilizza le differenze di pressione appena sotto la superficie. Questi sistemi usano le mareggiate delle onde per creare pressione e muovere pompe idrauliche o aria pressurizzata, che a loro volta mettono in moto i generatori. Gli impatti ambientali dei generatori di onde non sono completamente noti, ma si pensa che siano minimi e specifici del sito.

I migliori siti potenziali per la generazione di onde sono aree oceaniche con forti correnti di vento. Queste aree sono tra 30° e 60° di latitudine, aree polari con frequenti tempeste, aree vicine agli alisei equatoriali e le coste occidentali dei continenti. La tecnologia ibrida del vento e delle onde per i parchi energetici offshore è in fase di sviluppo. I siti potenziali negli Stati Uniti per i parchi di energia ibrida vento-onde includono le aree costiere della costa orientale e del nord-ovest del Pacifico.
Conversione dell’energia termica dell’oceano

La conversione dell’energia termica dell’oceano (OTEC) usa il vapore prodotto dall’acqua calda di superficie per far girare le turbine di generazione. L’acqua fredda dell’oceano profondo condensa il vapore di nuovo in acqua da riutilizzare. Una differenza di temperatura di 36°F è necessaria tra la superficie e l’acqua profonda. I siti potenziali includono le isole tropicali. L’OTEC è nella fase iniziale di sviluppo e non è ancora efficace dal punto di vista dei costi, a causa dell’alto costo del pompaggio dell’acqua profonda alle stazioni di generazione di superficie. L’OTEC può essere abbinato a sistemi di condizionamento termico dell’oceano (vedi sotto). Inoltre, l’acqua profonda ricca di nutrienti può aiutare l’acquacoltura. Stagni di superficie pompati con acqua profonda possono coltivare salmoni, aragoste e altri frutti di mare, nonché plancton e alghe.
Condizionamento dell’aria termico dell’oceano/lago

Oltre a generare elettricità, l’acqua può anche essere usata per l’energia termica diretta. L’acqua dei laghi o degli oceani può fornire aria condizionata agli edifici. L’acqua fredda profonda viene usata per raffreddare l’acqua dolce che circola attraverso un edificio in un sistema a tubi chiusi, fornendo aria condizionata a un costo inferiore rispetto ai metodi tradizionali. L’acqua usata viene restituita all’oceano o al lago per rinnovare il ciclo. L’acqua fredda profonda deve essere tra 39°F e 45°F e vicina alla riva per essere economica. Esempi di sistemi di raffreddamento termico dell’oceano si vedono alle Hawaii (co-localizzati con impianti OTEC), e a Toronto, dove l’acqua del lago Ontario è usata per climatizzare gli edifici del centro. Progetti OTEC su larga scala (100 MW+) situati in comunità insulari come Puerto Rico, Hawaii o Guam possono essere economicamente sostenibili.

Per saperne di più sull’energia idroelettrica:

• Episodio 9: La donna più influente nell’energia idroelettrica: Linda Church-Ciocci riflette sulla sua carriera nel settore
• Nuovi piani di cooperazione per aumentare la sicurezza energetica e la resilienza in Porto Rico
• EXPO 2020: Nuove frontiere nella ricerca e sviluppo di energia pulita
• Come potrebbe essere l’azione conservatrice per il clima?
• Q&A: L’energia dell’oceano e l’innovazione del monitoraggio con l’ufficio del DOE per le tecnologie dell’energia idrica
• Innovazioni nell’energia rinnovabile del fiume alimentano le comunità remote dell’Alaska
• Turkey Hill Dairy funziona con il 100% di energia rinnovabile
• Scheda informativa | Lavori nelle energie rinnovabili, efficienza energetica e resilienza (2019)
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