Stephen Salter: pioniere dell'energia delle onde / Stephen Salter: pioneer of wave power

 Stephen Salter: pioniere dell'energia delle onde / Stephen Salter: pioneer of wave power

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Stephen Salter, il padre dell'energia dalle onde, ha visto una tecnologia cadere in disgrazia per poi tornare di moda. Il suo nuovo dispositivo mira a contrastare il riscaldamento globale. Il servizio di Stuart Nathan.

L'energia delle onde è in ascesa. Mentre crescono le preoccupazioni per la necessità di diversificare le fonti di energia elettrica senza aumentare le emissioni di gas serra, decine di nuovi dispositivi stanno prendendo forma in vasche per la simulazione delle onde e vengono messi in acqua per i test.

Ma la storia dell'energia delle onde risale a oltre trent'anni fa e, se c'è qualcuno che può rivendicarne la paternità, è il veterano ingegnere progettista Stephen Salter. Il suo Salter's Duck è ancora il convertitore di energia delle onde più efficiente. Ora professore emerito all'Università di Edimburgo, Salter continua a lavorare su ambiziosi progetti per sistemi di energia marina, alcuni dei quali potrebbero contribuire a ridurre il riscaldamento globale in modi inaspettati.

Secondo Neil Kermode, direttore dell'European Marine Energy Centre nelle Orcadi, Salter può rivendicare gran parte del merito per la rinascita dell'energia delle onde.

"Stephen era una voce isolata nel deserto per quanto riguarda l'energia delle onde", ha affermato.

"Ricordo di averlo visto in televisione quando ero a scuola; era molto stimolante." Aveva un'idea così geniale e insolita: le parole "onda" ed "energia" non erano mai state associate nell'immaginario collettivo prima di allora. Le onde erano qualcosa su cui si faceva surf. L'energia era qualcosa che usciva da una presa. Ma dopo che Stephen ne parlò, divenne un concetto con cui le persone si identificarono, e questo legame non è mai svanito.

"Ora c'è un cambiamento nel clima politico e Stephen e le persone che sono state associate alla sua ricerca stanno formando una massa critica di esperti".

Nato in Sudafrica poco prima della Seconda Guerra Mondiale, la carriera di Salter come ingegnere progettista lo ha portato in diversi luoghi inaspettati. È stato ingegnere strumentista sul primo hovercraft e sul Black Knight, il progetto missilistico britannico dei primi anni '60. In seguito si è trasferito all'Università di Edimburgo per lavorare sulla meccanica robotica e sull'elettronica presso la Scuola di Intelligenza Artificiale. Poco dopo essersi trasferito in Scozia, Salter iniziò a preoccuparsi della natura finita delle risorse petrolifere. Rivolse quindi la sua attenzione alle energie rinnovabili e in particolare all'energia delle onde.

Fondando un proprio gruppo di ricerca, progettò la prima generazione del suo ormai famoso convertitore di energia dalle onde. Con la sua forma che ricordava una camma appiattita, con l'estremità più stretta rivolta verso le onde e quella più arrotondata che ruotava attorno ad una spina dorsale flessibile, il dispositivo assomigliava alla testa di un'anatra, che si alzava e si abbassava al passaggio delle onde. Così nacque il Duck di Salter.

Per sviluppare il Duck, Salter progettò una vasca per onde rivoluzionaria, il cui generatore di onde era azionato da motori digitali ed incorporava sensori di feedback di forza e di velocità dell'acqua.

Il Duck funziona assorbendo circa il 90% dell'energia delle onde in arrivo, lasciando un mare calmo dietro la camma. Il movimento oscillatorio della camma aziona dei pistoni che comprimono l'olio idraulico. Una volta raggiunta la pressione necessaria, l'olio pressurizzato viene rilasciato attraverso un motore idraulico che genera elettricità, convertendo il 90% dell'energia catturata. Ad oggi, è il convertitore di energia dalle onde più efficiente mai progettato.

Inizialmente, ha affermato Salter, l'entusiasmo per il Duck era molto alto. "Le previsioni di costo erano incredibilmente elevate, ma i responsabili del programma erano molto ottimisti. Il loro entusiasmo è diminuito man mano che i costi si sono ridotti".

Nei primi anni '80, il governo ha chiuso il progetto sull'energia dalle onde. Salter ritiene che ciò sia stato motivato politicamente; l'industria nucleare era fortemente rappresentata nella commissione che assegnava i finanziamenti per l'energia ed i suoi membri si sono preoccupati man mano che le proiezioni di costo si sono ridotte. «Quando il responsabile del programma previde che, con lo sviluppo, il costo sarebbe stato di 3,3 pence/kWh, un valore che si stava avvicinando alla fattibilità economica già allora, lo esclusero dalla successiva importante riunione del comitato chiave», ha affermato Salter. «In pratica, hanno affossato il progetto perché avrebbe minacciato l'espansione dell'industria nucleare», ha sostenuto.

Salter concorda sul fatto che i costi iniziali per un sistema Duck sarebbero elevati e che le sue proposte per una stringa funzionale fossero ambiziose. «Ci era stato chiesto di costruire una centrale da 2.000 MW, equivalente a due centrali elettriche molto grandi, come primo passo, quindi abbiamo progettato qualcosa mirato proprio a questo. È un investimento iniziale troppo grande. Il sistema più piccolo che potremmo realizzare sarebbe di circa 600 MW, e consisterebbe in 10 unità Duck, ciascuna larga 45 metri, con uno spazio di 60 metri tra di loro, circa 600 km di mare. Sono disposte in fila e più lunga è la fila, maggiore è la potenza prodotta, perché si supportano a vicenda in una serie di modi complessi ed interessanti».

Tuttavia, un sistema così grande e complesso era in anticipo sui tempi. "È un po' come se qualcuno nel 1905 avesse detto di aver avuto un'ottima idea per un aereo enorme come l'Airbus A380, quando la gente non credeva che i biplani sarebbero mai volati".

Salter è incoraggiato dall'attuale grande attenzione riservata all'energia delle onde, in particolare al dispositivo Pelamis, sviluppato da uno dei suoi ex studenti, Richard Yemm, presso l' Ocean Power Delivery (OPD) di Edimburgo.

Pelamis utilizza un sistema simile, ad alta pressione ed a base di olio, per generare energia, ma invece di utilizzare una camma larga e piatta per assorbire la potenza delle onde, si basa su un tubo lungo e stretto che si flette con le onde, assorbendo meno energia. Questo compromesso, secondo l'OPD, rende il dispositivo più resistente in mare aperto rispetto al Duck, che si riteneva vulnerabile alle onde molto alte (anche se Salter contesta questa affermazione).

"OPD ha svolto un lavoro davvero accurato, iniziando nella nostra vasca per le onde", ha affermato Salter. "Ha realizzato delle fantastiche simulazioni al computer sul comportamento di Pelamis, e nutro grande ammirazione e sono molto orgoglioso del risultato".

Tuttavia, considera Pelamis una tecnologia intermedia per ripristinare la fiducia nell'energia delle onde in ambito pratico; se avrà successo, crede, le persone si orienteranno verso la versione più efficiente della tecnologia. "Se si guarda alla potenza per unità di massa [di Pelamis], è molto buona, ma non sfrutta al meglio il fronte d'onda. È la cosa giusta da fare in questa fase, ma ricominceremo a valutare Ducks quando penseremo: 'Qui ci sono solo 400 km di mare, otterremmo una risorsa energetica maggiore se la utilizzassimo in modo più intensivo'".

Salter rimane convinto del potenziale delle energie rinnovabili marine. "Si potrebbero alimentare interi continenti con questo tipo di energia", ha concluso. "Il sogno a lungo termine per il Duck Stream è quello di realizzare una lunga linea di canali dalle Ebridi fino alla costa occidentale dell'Irlanda, con un'interruzione per consentire il passaggio delle navi, per poi estenderla da Cape Wrath [il punto più occidentale della costa settentrionale della Scozia], oltre le Isole Faroe, fino all'Islanda. Si potrebbero utilizzare l'energia idroelettrica e quella geotermica islandese come supporto quando non ci sono onde.

In questo modo si otterrebbe un fattore di capacità molto elevato di energia dalle onde che arriverebbe in Scozia e Norvegia e si propagherebbe nel resto d'Europa. Si tratta di una risorsa davvero enorme."

Le prospettive per l'energia mareomotrice sono altrettanto promettenti, ha affermato, in particolare per il Pentland Firth, il canale tra la Scozia e le Orcadi che si stima contenga metà delle risorse di energia mareomotrice europee. "Penso che potremmo ottenere 10-20 GW dal Pentland, utilizzando turbine a corrente di marea", ha detto, una quantità superiore a quella generata nel Regno Unito dalle centrali nucleari. «Si potrebbe realizzare un sistema di distribuzione lungo la costa orientale del Regno Unito, con diramazioni per Newcastle, York e Birmingham fino a Londra. Poi si collegherebbe la linea islandese alla parte superiore.»

Ormai vicino ai 70 anni, Salter è ancora attivo nella ricerca ingegneristica ed i suoi progetti sono ambiziosi come sempre. Il suo progetto attuale, in collaborazione con il fisico atmosferico John Latham del National Center for Atmospheric Research statunitense, consiste nel progettare una flotta di yacht a propulsione rinnovabile e telecomandati che spruzzerebbero una nebbia di acqua di mare nell'aria per creare nuvole basse con un'elevata albedo (riflettività). Queste nuvole, secondo Latham, rifletterebbero l'energia solare lontano dalla Terra e fornirebbero un effetto di raffreddamento globale per contrastare il riscaldamento causato dai gas serra.

Salter ha sviluppato dei progetti per degli yacht, che sarebbero spinti da rotori verticali alti 18 metri. Noti come rotori Flettner, questi interagiscono con il vento per spingere lo yacht, agendo come vele, ma con un'efficienza di gran lunga superiore. Gli yacht trascinerebbero due turbine di 3 metri di diametro che genererebbero l'elettricità necessaria per far girare i rotori Flettner e spruzzare gocce d'acqua dalla loro sommità. Lui e Latham ritengono che sarebbe necessaria una flotta di 50 yacht di questo tipo, guidati verso le posizioni richieste tramite GPS, per produrre un effetto apprezzabile.

"Non ci sono finanziamenti per questo progetto, ma stiamo procedendo abbastanza rapidamente. Stiamo lavorando al progetto su vasta scala e stiamo studiando la quantità d'acqua da spruzzare: è una quantità incredibilmente piccola", ha affermato Salter. I calcoli indicano una velocità di spruzzo di circa 10 kg d'acqua al secondo. "Ma abbiamo bisogno di informazioni sulle condizioni atmosferiche e sulla copertura nuvolosa".

Nonostante le difficoltà, Salter è animato dalla necessità di mitigare gli effetti del cambiamento climatico, come lo è sempre stato. "Siamo in uno stato di totale negazione di questo problema", ha affermato. "E dobbiamo agire".

ENGLISH

Stephen Salter, the father of wave power, has seen technology fall from favour only to come back into fashion. His new device aims to tackle global warming. Stuart Nathan reports

Wave power is on the rise. As concerns grow over the need for diverse ways to generate electricity without boosting greenhouse gas emissions, dozens of new devices are taking shape in wave tanks and slipping into the water for testing.

But wave power’s history dates back more than three decades and, if anyone can claim to be its founding father, it is veteran design engineer Stephen Salter. His Salter’s Duck is still the most efficient wave power converter. Now an emeritus professor at Edinburgh University, Salter is still working on ambitious designs for marine power systems — some of which may help reduce global warming in unexpected ways.

According to Neil Kermode, director of the European Marine Energy Centre in Orkney (The Engineer, 26 March), Salter can claim much of the credit for the resurgence of wave power.

‘Stephen was a lone voice in the wilderness as far as wave power was concerned,’ he said.

‘I remember seeing him on TV when I was at school; he was very inspiring. He had such a clever concept that was so unusual — the words ‘wave’ and ‘energy’ were never associated in the public mind before that. Waves were something you went surfing on. Energy was something that came out of a socket. But after Stephen spoke about it, it became something people connected with, and that’s never really gone away.

‘Now there’s a change in the political climate and Stephen and the people who were associated with his research are forming a critical mass of expertise.’

Born in South Africa just before World War II, Salter’s career as a design engineer has led him into several unexpected places. He was an instrumentation engineer on the first hovercraft and on Black Knight, the UK’s rocket project of the early 1960s. Later he moved to the University of Edinburgh to work on robot mechanics and electronics in the School of Artificial Intelligence.

Soon after moving to Scotland, Salter became concerned about the finite nature of oil resources. He turned his attention to renewable energy and wave power in particular.

Forming his own research group, he designed the first generation of his now-famous wave energy converter. Shaped like a flattened cam with the narrow end facing into the waves and the rounded end rotating around a flexible spine, the device resembled the head of a duck, nodding up and down as the waves passed underneath it. Salter’s Duck was born.

To develop the Duck, Salter designed a revolutionary wave tank whose wave maker was driven by digital drives and incorporated force feedback and water velocity sensors.

The Duck works by absorbing about 90 per cent of the energy from incoming waves, leaving a calm sea behind the cam. The nodding motion of the cam operates pistons that compress hydraulic oil. Once pressure has built up, the pressurised oil is released through a hydraulic motor that generates electricity, converting 90 per cent of the captured power. To date, it is the most efficient wave-energy converter ever designed.

Initially, Salter said, enthusiasm for the Duck was high. ‘Cost predictions were impossibly high but the people in charge of the programme were very optimistic. Their enthusiasm diminished as costs came down.’

In the early 1980s, the government closed the wave-energy project. Salter thinks this was politically motivated; the nuclear industry was heavily represented on the panel awarding energy grants and its members became concerned as the cost projections came down. ‘When the programme manager predicted that with development, the cost would be 3.3p/kWh, which was getting close to being economically viable even then, they excluded him from the next important meeting of the key committee,’ said Salter. ‘They basically killed the project because it was going to threaten the expansion of the nuclear industry,’ he claimed.

Salter agrees that initial costs for a Duck system would be high, and that his proposals for a functional string were ambitious. ‘We’d been told to build a 2,000MW station, equivalent to two really big power stations, in the first go, so we designed something exactly aimed at that. It’s too big an initial investment. The very smallest system we could do would be about 600MW, and that would be 10 Ducks, each 45m wide, with a gap of 60m between them — about 600km of sea. They’re set in a row and the longer the row the more power you get, because they also assist each other in a variety of nice, complicated ways.’

However, such a large, complex system was ahead of its time. ‘It’s a bit like somebody saying in 1905 that they had a really good idea for a huge aircraft like the Airbus A380 when people didn’t believe that biplanes would fly.’

Salter is encouraged by the current high profile of wave power, particularly with the Pelamis device, which was developed by one of his former students, Richard Yemm, at Edinburgh’s Ocean Power Delivery (OPD).

Pelamis uses a similar, high-pressure, oil-based system to generate power but rather than using a wide, flat cam to absorb the power of the waves it is based on a long, narrow tube, which flexes with the waves, absorbing less energy. The trade-off, OPD believes, makes the device more able to survive in high seas than the Duck, which was believed to be vulnerable to very large waves (although Salter disputes this).

‘OPD has done a really thorough job, and started in our wave tank,’ Salter said. ‘It’s done some fantastic computer modelling of how Pelamis behaves, and I’m full of admiration and very proud of it.’

However, he sees Pelamis as an intermediate technology to restore faith in practical wave power; if it succeeds, he believes, people will look at the more efficient version of the technology. ‘When you look at the power per unit mass [from Pelamis] it’s very nice but it doesn’t make good use of the wave front. It’s the right thing to do at this stage but we’ll start looking at Ducks again when we think “There’s only 400km of sea here, we would get a bigger energy resource if we used it more intensively”.’

Salter remains convinced of the potential for marine renewables. ‘You could run continents on this sort of power,’ he said. ‘The long-term dream for the Duck stream is that you run a long line of them from the Hebrides down to the west coast of Ireland, with a break to allow shipping through, then you build out from Cape Wrath [the most westerly point on the northern coast of Scotland], past the Faroes and all the way to Iceland. You can use hydroelectrics and the Icelandic geothermal to back that up when there aren’t any waves.

‘So you get a very high-capacity factor of wave power coming into Scotland and Norway and feeding on down into the rest of Europe. That’s a really enormous resource.’

The prospects for tidal power are equally large, he said, particularly from the Pentland Firth, the channel between Scotland and Orkney that is estimated to hold half of Europe’s tidal power resource. ‘I think we could get 10-20GW out of Pentland, using tidal stream turbines,’ he said, which is more than is generated in the UK by nuclear power stations. ‘You could run a distribution system down the east coast of the UK, with spurs going off it for Newcastle, York and Birmingham down to London. Then you’d link the Iceland string into the top.’

Now approaching 70, Salter is still active in engineering research and his concepts are as ambitious as ever. His current project, in collaboration with atmospheric physicist John Latham of the US National Centre for Atmospheric Research, is to design a fleet of renewably-powered, remote-controlled yachts that would spray a mist of seawater into the air to create low-level clouds with a high albedo (reflectivity). These clouds, Latham believes, would reflect solar energy away from the Earth and provide a global cooling effect to counteract the warming caused by greenhouse gases.

Salter has developed plans for the yachts, which would be propelled by 60ft high vertical rotors. Known as Flettner rotors, these interact with the wind to propel the yacht, acting like sails, but with far greater efficiency. The yachts would drag two 3m-diameter turbines that would generate the electricity to spin the Flettner rotors and spray water droplets from their tops. He and Latham believe a fleet of 50 such yachts, guided to the required locations by GPS, would be needed to produce an appreciable effect.

‘There’s no funding for this, but we’re going ahead quite quickly. We’re working on the full-scale design and we’ve got work going on predicting how much we need to spray — it’s an amazingly small amount,’ said Salter. Calculations indicate a spray-rate of about 10kg of water per second. ‘But we do need to get information on atmospheric conditions and cloud-cover fractions.’

Despite the difficulties, Salter is driven by the need to ameliorate the effects of climate change — as he has always been. ‘We’re in a massive state of denial about this,’ he said. ‘And we need to take action.’

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/in-depth/stephen-salter-pioneer-of-wave-power