Le viti a ricircolazione di sfere di NSK contribuiscono a innovare la generazione di energia in una centrale mareomotrice.
L’energia del moto ondoso è la più grande fonte di energia rinnovabile non sfruttata del pianeta. Catturando l’energia generata dal movimento delle onde si potrebbe produrre energia per le generazioni future. La startup svedese Ocean Harvesting ha sviluppato una rivoluzionaria tecnologia mareomotrice in grado di sfruttare questa risorsa. Il sistema innovativo utilizzerà le viti a ricircolazione di sfere per impieghi gravosi di NSK per convertire il moto lineare delle maree in moto rotazionale per azionare un generatore.
Per realizzare l’obiettivo globale di ridurre le emissioni di gas serra (soprattutto CO2), è necessario sviluppare nuove fonti di energia sostenibili.
Generare elettricità dal moto ondoso
I riflettori sono puntati sull’energia idroelettrica. In Norvegia, ad esempio, le centrali idroelettriche generano circa il 95% di tutta l’energia elettrica prodotti, mentre in Svizzera la percentuale è al 56%. Queste centrali a turbine si trovano però in regioni montuose. Gli oceani, che coprono i due terzi della superficie terrestre, sono ancora largamente sottoutilizzati come fonte di energia, fatta eccezione per alcune centrali mareomotrici negli estuari di alcuni fiumi.
Questa situazione è destinata a cambiare con la proposta di Ocean Harvesting. L’azienda ha sviluppato un convertitore di energia ondosa (WEC-Wave Energy Converter) chiamato InfinityWEC, in grado di raccogliere energia dal moto delle onde oceaniche (immagine 1).
Principio di fondo innovativo
Il principio di fondo è innovativo e plausibile. Le onde determinano l’innalzamento e l’abbassamento di boe fissate sul fondo del mare; questo movimento viene catturato da un sistema idraulico a forza costante (un cilindro idraulico con un grande volume di gas, detto “molla a gas”) e due viti a ricircolazione di sfere per applicazioni gravose di NSK. Le chiocciole delle viti a ricircolazione di sfere sono direttamente collegate al cilindro per convertire il movimento lineare di “saliscendi” in moto rotazionale (del mandrino della vite) che agisce direttamente sul generatore per produrre energia elettrica (immagine 2).
La forza della molla a gas fornisce una forza pressoché costante di 1 MN che tira la boa, mentre le due viti a ricircolazione di sfere, insieme ai generatori, producono una forza bidirezionale fino a ±1 MN. Complessivamente si ottiene quindi una forza immediatamente controllabile da 0 a 2 MN generata dall’aumento di potenza in ciascun WEC. In questo modo si può raggiungere un’alta densità di potenza, assicurando una resa altrettanto elevata. Nella pratica, verranno installati numerosi convertitori di energia del moto ondoso per formare un “parco” (immagine 3).
Viti a ricircolazione di sfere con duplice funzione: generazione di energia e smorzamento
Per mettere in pratica questo concetto elegante e sostenibile è stato necessario sviluppare molte soluzioni dettagliate. Ad esempio, è necessario garantire l’allineamento ottimale del corpo della boa per ogni singola onda, con un’operazione detta “controllo di fase” che è vitale per l’efficienza di generazione dell’energia. Il sistema estrae poi energia applicando la forza della vite nella direzione opposta al moto, con un’azione di smorzamento.
Mikael Sidenmark, CEO di Ocean Harvesting Technologies AB, spiega: “Prima che l’onda salga, la boa deve essere nella posizione ideale, ed è qui che entrano in gioco le viti a ricircolazione di sfere, generando la forza necessaria per il controllo di fase, con il supporto del sistema a molla pretensionata, cioè sfruttando l’energia cinetica immagazzinata. Lo smorzamento esercitato dalle viti segue una curva di forza calcolata per massimizzare la potenza in uscita.”
È inoltre necessario garantire il movimento di ritorno verso il basso della chiocciola, compito svolta dal cilindro idraulico. Il cilindro immagazzina parte dell’energia generata dalla forza di galleggiamento e la rilascia alla vite quando si sposta verso il basso.
Tecnologia di azionamento durevole e affidabile, elettronica intelligente
Gran parte del lavoro di sviluppo è stata dedicata all’algoritmo che calcola la posizione ideale della boa per ogni corsa del WEC e per ottenere il movimento necessario attraverso il controllo della forza della vite a ricircolazione di sfere.
Un’altra innovazione è il sistema di ammortizzazione della corsa in due fasi. In caso di mare molto mosso, questo sistema arresta delicatamente il movimento della boa verso l’alto. Mikael Sidenmark spiega i vantaggi di questa soluzione: “In condizione di forte moto ondoso, la boa viene sommersa dalle creste delle onde più grandi e torna a produrre potenza non appena riemerge in superficie. Non viene mai disattivata e messa in modalità di sopravvivenza, diversamente da molti altri dispositivi WEC nei quali la produzione di energia viene interrotta per lunghi periodi.”
Scegliere l’azionamento: pignone e cremagliera, verricello o vite a ricircolazione di sfere?
La scelta del sistema di azionamento per realizzare queste funzioni ha richiesto altrettanta cura, soprattutto considerando che il sistema opera in condizioni ambientali avverse (sigillato sott’acqua, immagine 4) e deve essere estratto dall’acqua per gli interventi di manutenzione.
Racconta Mikael Sidenmark: “Inizialmente abbiamo utilizzato azionamenti a verricello, poi a pignone e cremagliera. Ma alla fine abbiamo visto che le viti a ricircolazione di sfere per impieghi gravosi offrono una combinazione migliore di capacità di forza, velocità elevata, lunghezza di corsa, alta efficienza ed elevato rapporto di conversione fra moto lineare e rotazionale, con costi relativamente bassi.”
La lunga durata delle viti a ricircolazione di sfere per impieghi gravosi della Serie HTF di NSK (immagine 5) ha spostato gli equilibri a favore di NSK come fornitore e partner di sviluppo. Come spiega Mikael Sidenmark, “prevediamo che le viti a ricircolazione di sfere eseguano 100 milioni di cicli di carico in 20 anni… si tratta di condizioni molto gravose.» Un altro motivo della scelta di collaborare con NSK, aggiunge Sidenmark, è il buon livello di assistenza fornito.
Progettate per applicazioni con carichi elevati 
Le viti a ricircolazione di sfere per impieghi gravosi della Serie HTF sono state sviluppate inizialmente per applicazioni pesanti su macchine utensili, come presse e altre macchine per deformazione, oltre alle macchine per stampaggio a iniezione con azionamenti elettrici invece che idraulici. Grazie alla loro capacità di resistere a carichi molto elevati, raggiungendo al tempo stesso una lunga durata operativa, le viti a ricircolazione di sfere Serie HTF sono idonee anche per altre applicazioni infrastrutturali, ad esempio come ammortizzatori nei sistemi antisismici dei grattacieli.
Dal modello in scala al prototipo 1:1
Attualmente Ocean Harvesting sta effettuando test su un prototipo di “InfinityWEC” in scala 1:10 e sta programmando prove in mare con un prototipo in scala 1:3 entro il 2023. Successivamente verrà realizzato un primo “convertitore di energia ondosa” a grandezza naturale per provarne la fattibilità. Nel frattempo, NSK sarà impegnata nello sviluppo, nella progettazione e nella produzione di una vite a ricircolazione di sfere per impieghi gravosi HTF con le dimensioni richieste da Ocean Harvesting.43
I fondatori di Ocean Harvesting hanno già individuato i partner con cui collaborare per le prime applicazioni WEC. Ad esempio, una società petrolchimica sta valutando di alimentare le proprie piattaforme con elettricità sfruttando i convertitori di energia ondosa di Ocean Harvesting. L’energia delle onde può essere catturata in tutto il mondo e viene considerata la più grande fonte di energia rinnovabile non sfruttata. Esiste quindi un grande mercato per InfinityWEC e, con la Serie HTF di NSK, Ocean Harvesting ha scelto le viti a ricircolazione di sfere giuste per questa applicazione gravosa.
