CCell propaga rapidamente le barriere coralline protettive attraverso l’elettrolisi e con una pianificazione per sfruttare l’AI e l’audio subacqueo al fine di ricostituire l’ecosistema
Da anni la costa dello Yucatan subisce una grave erosione. E sono molte le case che stanno già crollando in mare. In alcune aree di Cancún, le onde stanno ormai invadendo ed entrando così verso l’interno che un metro di spiaggia viene perso ogni sei mesi. L’hotel mostrato nelle fotografie aeree (Figura 1), situato a Playa Del Carmen, sta ora dispiegando sacchi di sabbia davanti alle sue fondamenta per proteggerle dalle maree, che le stanno erodendo.
La situazione è complessa ed è aggravata a partire dalle strutture in costruzione in mare che influiscono a valle sulle condizioni della costa. L’erosione minaccia drammaticamente gli stessi mezzi di sussistenza e le comunità che circondano Cancúne la penisola dello Yucatan in Messico.
Figura 1 Parte della Quintana Roo coast viene ormai erosa di un metro ogni sei mesi
Cosa causa l’erosione? Le barriere coralline morenti e la crescente forza delle onde. Un aumento della temperatura del mare di oltre 2º Celsius, dovuta al riscaldamento globale, provoca l’acidificazione e lo sbiancamento dei coralli. Le temperature più calde stanno facendo sì che parti della Barriera Corallina Mesoamericana vicino a Quintana Roo, in Messico, siano devastate da quella che è ormai nota come la “sindrome bianca”, una malattia in grado di uccidere i coralli in meno di 40 giorni, dicono gli esperti.
Al fine di invertire questa tendenza, CCell ha trascorso mesi lavorando su un progetto pilota che comprendeva una barriera corallina a grandezza naturale a Telchac, sulla costa settentrionale dello Yucatan. Altre tre unità pilota di barriera corallina sono già installate a Cancún, con altre due che seguiranno.
La soluzione di CCell mira a fermare o addirittura invertire gli effetti di queste minacciose maree imitando le condizioni di crescita delle barriere coralline naturali. Le barriere coralline sono un freno all’erosione, poiché impedisce alle onde di andare ad infrangersi violentemente a riva. La barriera infatti neutralizza fino al 97% dell’energia di un’onda prima che quest’ultima raggiunga la riva. Le barriere coralline costruite da CCell hanno il vantaggio aggiunto della porosità che può ridurre ulteriormente l’energia nelle onde inducendo turbolenza durante il loro passaggio.
Riducendo l’energia delle onde in questo modo, le onde più grandi, che tendono a rimuovere la sabbia dalle spiagge, vengono eliminate mentre le piccole onde, che possono al contrario depositare sabbia sulla spiaggia, possono passare liberamente.
La scienza dietro la fabbricazione delle barriere coralline
CCell crea barriere coralline utilizzando una corrente elettrica sicura per far crescere rocce calcaree dall’acqua del mare attorno a un telaio in acciaio. In natura, questo processo di accrescimento può richiedere centinaia di anni. Al contrario, l’elettrolisi di CCell può sviluppare una barriera corallina funzionale entro pochi mesi nel giusto ambiente, che può evolversi in una barriera corallina matura entro 36 mesi.
Figura 2. In sole due settimane, la crescita appare evidente, stimolata dall’elettrolisi di CCell. Questo processo di elettrolisi può sviluppare una barriera corallina funzionale entro pochi mesi nel giusto ambiente, che può evolvere in una barriera corallina matura entro 36 mesi. Al contrario, il corallo maturo può impiegare diverse centinaia di anni per crescere naturalmente.
L’elettrolisi di CCell deposita massa su una struttura in acciaio facendo passare la corrente a bassa tensione tra la struttura e un piccolo anodo metallico. All’anodo si genera ossigeno, che è marginalmente benefico per la vita marina. Al catodo aumenta il pH che induce la precipitazione dei sali disciolti in acqua di mare sulla superficie dell’acciaio. La roccia formata è principalmente aragonite (carbonato di calcio) e brucite (idrossido di magnesio), che sigilla la struttura in acciaio e la protegge dalla corrosione.
Molto presto, i sub potranno attaccare alla roccia i coralli coltivati negli incubatoi locali. La ricerca ha dimostrato che questi crescono da due a tre volte più velocemente del normale a causa delle condizioni ottimali create da Ccell.
Figura 3. Grandi gabbie d’acciaio sono la base per la crescita di barriere coralline al largo della costa dello Yucatan.
Affinché il processo di elettrolisi funzioni correttamente, la tensione fornita alla struttura della barriera corallina in acciaio deve essere controllata con precisione e variata nel tempo tra 1,2 e 6 volt. Se fosse inferiore l’elettrolisi non avverrebbe e la roccia formata sarebbe spugnosa e meno adatta per la crescita del corallo. Questa differenza di potenziale tra gli anodi e i catodi guida una corrente calcolata con precisione attraverso l’acqua di mare tra gli elettrodi. Ciò è necessario per ottenere il processo di elettrolisi ottimale per coltivare depositi rocciosi forti e in grado di sostenere la crescita.
“La nostra capacità di controllare la tensione di uscita in modo accurato e coerente ha trasformato il nostro lavoro e la nostra ricerca”, ha affermato il dottor Will Bateman, CEO di CCell. “Ogni installazione offshore è ora diventata un sito di test dal vivo che possiamo controllare da remoto, implementando i concetti che stavamo sviluppando in laboratorio immediatamente sul campo; possiamo anche viceversa riportare le osservazioni sul campo in laboratorio per verificarle in un ambiente controllato.”
Tuttavia, mantenere questa tensione dell’elettrodo esattamente come richiesto è impegnativo per diversi motivi. Una fonte di energia è un innovativo convertitore di energia dalle onde, sviluppato da CCell, che utilizza una robusta pala per azionare un sistema idraulico per la produzione di energia elettrica. Il sistema di controllo dell’elettrolisi deve monitorare e regolare questa alimentazione, che ha una ampia variazione in tensione, da 35V a 70V a seconda delle condizioni delle onde. Deve anche tenere conto di altri fattori, tra cui la composizione dell’acqua di mare, la temperatura dell’acqua e il flusso sugli elettrodi.
Come realizzare un controllo fine e preciso delle risorse energetiche rinnovabili pur con valori molto fluttuanti
Una power delivery network (PDN) è costituita da una fase di conversione e regolazione front-end seguita da una fase di regolazione del point-of-load (PoL) a valle per l’elettronica di monitoraggio e controllo del sistema. La potenza viene erogata tramite un cavo dai convertitori di energia dalle onde al sistema di elettrolisi; questo è molto vicino al telaio in acciaio situato sul fondale dell’oceano dove la barriera corallina verrà ricostruita o creata.
Ogni scogliera di 2,2 m di lunghezza richiede circa 50 W di potenza; con una corrente di picco di 10 A. Il sistema deve essere in grado di modificare rapidamente la sua erogazione di tensione e corrente date le condizioni costantemente mutevoli.
Per raggiungere questa precisione, CCell collabora con Vicor che per l’applicazione ha consigliato la sua comprovata Factorized Power Architecture (FPA). Questa architettura brevettata offre un approccio innovativo al fine di soddisfare tutte le esigenze di erogazione di potenza del progetto, oltre a raggiungere anche un’elevata densità di corrente per ridurre al minimo le dimensioni del sistema di alimentazione che viene distribuito nell’oceano. L’FPA incorpora un regolatore di tensione PRM buck boost che può funzionare su un ampio intervallo di tensioni di ingresso con alta efficienza e densità di potenza, e può essere facilmente messo in parallelo per una maggiore potenza. Utilizza anche un moltiplicatore di corrente VTM che ha una risposta veloce ai transienti.
“Il sostegno di Vicor è stato eccezionale”, ha detto Bateman. “Ad esempio, nelle prime fasi dello sviluppo, uno dei loro ingegneri è arrivato in loco, completamente attrezzato, per aiutarci a risolvere un problema relativo ai segnali EMI che raggiungevano il lato digitale di un modulo Vicor”.
Figura 4. La rete di erogazione di potenza Vicor incorpora un regolatore di tensione buck boost Pre Regulation Module (PRM) che può funzionare con un ampio intervallo di tensioni di ingresso, con alta efficienza e densità di potenza e che può essere facilmente parallelizzato per una potenza ancora maggiore.
Esperienza sul campo con i moduli Vicor
Il progetto pilota di Cancún è in corso da oltre sei mesi, con tre unità di barriera corallina in prova, più una unità di controllo. Durante questo periodo, CCell ha scoperto che i moduli Vicor sono stati determinanti per ottenere la precisione e l’affidabilità del controllo di tensione e corrente necessari.
“Sapere esattamente quale energia hai messo in ogni aspetto della barriera corallina è fondamentale per comprendere i fattori causali e per supportarne la ripetibilità all’interno dei test”, ha detto Bateman. “Attraverso il nostro primo progetto pilota, realizzato in scala reale a Cancún, ora possiamo alimentare in modo indipendente ogni sezione della barriera corallina ed esplorare diverse strategie di alimentazione”.
L’esperienza sul campo sta aiutando CCell a perfezionare e ottimizzare i requisiti di sistema. Per esempio, invece dell’originale 50W preventivato, potenze più elevate possono essere utili per accelerare la crescita precoce della roccia, quando lo strato roccioso diventa spesso. E sebbene le unità PRM siano classificate per 50W, i moduli interni Vicor possono erogare fino a 264W, lasciando molto margine di riserva. Le innovazioni future sono strettamente legate alla capacità di alimentazione disponibile.
Coltivare ecosistemi sottomarini utilizzando l’IA per attirare più vita marina sulle barriere coralline
Le innovazioni future includono altoparlanti sommersi per produrre i “suoni della barriera” per attirare pesci, e telecamere a basso numero di baud per monitorare le popolazioni di pesci, supportate da tecniche di IA per identificare pesci e altri oggetti. CCell sta anche progettando una spina elettrica subacquea che consentirà loro di aggiungere facilmente ulteriori sensori o illuminazione elettrica.
Attualmente CCell dispone di 50 unità di controllo installate lungo 120 m di barriera corallina, con attenuazione delle onde mirata ad avvicinarsi al 30% nel prossimo anno o giù di lì. La barriera corallina di 120 m può essere estesa, e l’azienda ha già accordi per installare un ulteriore tratto di 1 km di barriera corallina, in un tratto di circa 30 km lungo la costa dello Yucatan.
Sfruttamento delle onde oceaniche per proteggere l’ambiente costiero
Le barriere coralline fabbricate, ben rappresentano la convinzione appassionata e vocazione di CCell, ingegneri e scienziati, decisi a trovare soluzioni sostenibili eccezionali che ripristinino l’equilibrio dei nostri oceani e delle coste contigue.
A tal fine le prove hanno dato a CCell una comprensione molto più profonda di come alimentare le barriere coralline. Il controllo granulare ottenuto dai moduli Vicor offre la possibilità di gestire il sensore e la potenza di elettrolisi in modo preciso ed esattamente coerente con ogni situazione. Quando CCell osserva un evento, è consapevole delle sue cause. Inoltre, i moduli li aiutano ad essere efficienti nell’uso dell’energia, un vantaggio fondamentale per loro.
La ricerca mostra che, globalmente, l’energia dalle onde cresce dello 0,41% all’anno a causa del riscaldamento dei nostri oceani. Se si possono creare barriere coralline che riducono l’energia delle onde del 5-8%, sarebbe possibile ripristinare l’impatto dei recenti cambiamenti climatici, ripristinando il clima delle onde prossime alla costa ai livelli visti quasi 20 anni fa. Di conseguenza, l’erosione delle coste sarebbe rallentata o addirittura invertita.