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Università Degli Studi Di Bologna

Facoltà di Ingegneria

Principi di Ingegneria Elettrica

Professore Francesco Negrini

The sea, a new energy source

Elisa Bertocchi

Fabio Stefanini

Panorama energetico globaleProspettive del World Energy Outlook per il 2030:

•Il fabbisogno energetico globale supererà di quasi il 60% del livello attuale (10^5 TWh oggi)

•Rischi crescenti riguardo la sicurezza energetica

•Saranno necessari ingenti investimenti per rendere disponibile l’approvvigionamento energetico crescente

•I paesi in via di sviluppo contribuiranno ai 2/3 dell’aumento della domanda mondiale di energia

•Emissioni di CO2 cresceranno più del 60%

Un’azione decisa dei governi potrebbe orientare il mondo verso un percorso

energetico molto diverso

Un’azione decisa dei governi potrebbe orientare il mondo verso un percorso

energetico molto diverso

…. UNO SCENARIO ALTERNATIVO

Verso uno sviluppo sostenibile

L’UE si impegna a sviluppare una politica energetica sostenibile e sicura

Obiettivi per il 2010:

22% dell’energia elettrica consumata proveniente da energia rinnovabile

5,75% del combustibile usato nei trasporti proveniente da bio-combustibile

-8% nelle emissioni di gas serra

Investimenti dell’UE per oltre 100 milioni €/anno tra il 1995 e il 2004 per la ricerca e lo sviluppo di energie rinnovabili

• Valore KWh = valore del servizio reso:

Entità: capacità di effettuare lavoro uguale per tutti

Qualità: affidabilità di fornitura diversa a seconda della fonte

In un mercato Ideale libero da vincoli protezionistici:

Valore KWh = Prezzo = Costo + Profitto

= Costo + Premio per la Qualità

Il Valore del KWh

Per la competitività del KWh Rinnovabile:

Valore (KWh rinnovabile) = Valore (KWh Termoelettrico)

Uguaglianza dei Costi di produzione

Uguaglianza dei Premi per la Qualità

Preponderanza del Termoelettrico

Il Valore del KWh: I Costi Evitati

Valore del KWh Rinnovabile

=

Credito di Energia

+

Credito di Potenza

+

Credito Ambientale

Spesa evitata per risparmio di combustibile

Nullo, a causa dell’intermittenza della fornitura di potenza, che impedisce un sottodimensionamento della potenza fornita da fonti tradizionali

Benefici derivanti per l’ambiente e per la collettività derivanti da una mancata immissione nell’ambiente di sostanze inquinanti

Ogni KWh rinnovabile evita il rilascio di:

• 750 g di CO2750 g di CO2

• 4,4 g di SOx4,4 g di SOx

• 1,7 g di NOx1,7 g di NOx

• 0,13 g di polveri fini0,13 g di polveri fini

Il Valore del KWh: I Costi Evitati

• La soluzione problemi ambientali solo quando le rinnovabili saranno su larga scala

• All’aumentare di potenza da rinnovabile immessa nella rete cala l’affidabilità

• Esiste limite tecnico per l’accettazione di potenza intermittente da parte della rete (max 10-20 %)

ESEMPIO: - fattori utilizzo 0,3 eolico e 0,2 solare

- caso migliore del 20%

- potenza richiesta in Italia 50.000 MW

- domanda elettricità pari al 29% del fabbisogno totale di energia

Potenza intermittente accettabile 10.000 MW

22 TWh/anno di en. rinnovabile: 7% del fabbisogno di elettricità

Rimozione di 16 milioni di ton di CO2

Solo il 2% del bilancio energetico nazionale

Necessità di un sistema di accumulo (Vedi H2) che possa ridurre l’intermittenza per un utilizzo su larga scala di fonti rinnovabili

…Perchè energia dal mare

1) È pulita

2) È rinnovabile

3) È largamente disponibile

4) È poco o per nulla sfruttata

5) E’ altamente prevedibile

6) Ha alta densità specifica

Il Panorama mondiale

Mappa Concettuale

Il progetto sviluppa un’analisi delle tecnologie attualmente in fase di sviluppo e prototipazione sotto tre aspetti principali:

1) Descrizione Tecnologica

2) Analisi economica

3) Analisi di Impatto ambientale

Le tecnologie presentate si possono inserire in due macrocategorie:

A) Tidal Energy conversion Devices

B) Wave Energy conversion Devices

Tidal Energy: Aspetti fisici

Distribuzione delle forze

Il livello dell’acqua del mare varia in seguito all’azione delle forze gravitazionali esercitate dal sole e dalla luna

Tale forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i corpi secondo la legge di Newton (F = G* m2* m1 / R2)

Ne consegue che il campo gravitazionale esercitato dal sole è pari a un 46% di quello esercitato dalla luna nonostante le differenze di massa

Le particelle d’acqua sono libere di muoversi e reagiscono all’attrazione spostandosi nella direzione della forza risultante

Tidal Energy: Aspetti fisici

Dalla combinazione di effetti dei campi gravitazionali di Sole e Luna hanno origine due tipi di maree:

- Neap tide: di minore intensità

- Spring tide: di maggiore intensità

Il periodo di questo ciclo spring-neap tide è all’incirca 28 gg cioè passano 14 gg da una spring e una neap tide piena.

Altri fattori di periodicità meno significativi

I movimenti e le configurazioni planetarie sono prevedibili con alta confidenza

Tidal Energy: la risorsa

La possibilità di convertire energia dal mare si presenta solo in alcuni siti specifici caratterizzati da particolari condizioi geografiche che influenzano direttamente:

L’altezza della marea

La velocità dell’acqua del mare

Tidal Energy: la risorsa

Ne consegue che una piccola parte dell’energia globalmente disponibile risulta economicamente estraibile:

- Potenziale Europeo : 105 TWh/anno concentrato prevalentemente in UK(50TWh/anno) e Francia (44 TWh/anno)

- Potenziale Mondiale: 500-1000 TWh/anno 3-7% energia totalmente dissipata nelle maree

Le tecnologie di conversione dell’energia dalle maree possono essere classificate in due gruppi:

1) Tidal Barrage: sistemi a paratoia che sfruttano la differenza di altezza dell’acqua nel caso di alta e bassa marea

2) Tidal Stream devices: Sistemi che sfruttano l’energia cinetica del flusso d’acqua

Tidal Stream Energy Conversion Questo gruppo di dispositivi produce energia sfruttando le correnti marine

generate dall’alternarsi di alte e basse maree

Tali correnti hanno generalmente basse velocità (0,5m/s) ma in casi particolari vengono incanalate e raggiungono velocità anche molto elevate (oltre 3m/s).

Elevatissima prevedibilità dell’energia estraibile

Potenziale globale stimato in 5TW (stesso ordine

del consumo di energia mondiale) piccola parte

effettivamente sfruttabile.

Potenziale europeo effettivamente estraibile stimato

in 48 TWh/anno distribuiti in 106 siti (European

Union CEC 1996/98) principalmente in

- UK

- Irlanda

- Francia

- Italia

- Grecia

Tidal Stream: le tecnologie Tecnologia concettualmente molto simile a quella utilizzata nell’eolico.

Non esiste ancora uno standard accettato molti concetti sviluppati

Tidal Stream: le tecnologie

E’ comunque possibile distinguere due macrocategorie

Tecnologie ad asse Orizzontale

Tecnologie ad asse Verticale

Nel paper si è scelto di prendere in considerazione due casi specifici di sviluppo ritenuti particolarmente significativi:

1) Marine Current turbine LTD: esempio di tecnologia ad asse orizzontale

attualmente in fase di sviluppo in UK

2) Kobold turbine: Tecnologia ad asse verticale, gia sviluppata ad opera della società Ponte di Archimede e attualmente connessa alla rete elettrica della città di Messina

Tidal Stream: Energia estraibile

L’energia estraibile dipende sostanzialmente da due parametri

1) Velocità dell’acqua

2) Diametro del rotore o più in generale area intercettata dal rotore


L’energia cinetica potenzialmente disponibile nell’area interessata è:

Si introduce il Coefficiente di potenza Cp che limita secondo la legge di Betz il max potere estraibile teoricamente da un fluido incomprimibile a 0,593. Si introducono anche i rendimenti meccanico e del generatore

Assumendo l’andamento della velocità di corrente come sinusoidale avremo:

dove

ω = 2π / T

Vmax: max velocità di corrrente

T: periodo tipicamente di 12h 25min

Tipicamente sono presenti due velocità da considerare:

- Cut in speed

- Rated Speed


Ne consegue quindi che il potere effettivamente prelevabile è dato dall’area sottesa dalla curva rossa in figura;

Più nello specifico il potere estraibile in metà di ciascuna metà del ciclo di marea sarà dato da:

Tidal Stream: MCT

La tecnologia sviluppata consiste in

- Una macchina a doppio rotore ciascuno avente un diametro variabile tra i 15 e i 20 m

- Il tutto sostenuto da una struttura capace di scorrere lungo l’asse verticale al fine di potere uscire dall’acqua per la manutenzione

- Pale composte da fibre di vetro e di carbonio

-L’energia generatà varierà tra i 750 e i 1500 KW per ogni unità installata farm comprendenti 15-20 unità per distribuire i costi di trasporto dell’energia a riva.

-Vita prevista superiore ai 20 anni

Tidal Stream: MCT,Caratteristiche del sito

1) Acqua sufficientemente profonda per l’installazione ma non troppo per

- Evitare problemi di installazione

- I siti a minore profondità hanno spesso maggiori velocità del fluido

generalmente si cercano profondità comprese tra i 15 e i 50 m

2) Fondo marino possibilmente uniforme evita turbolenze e perdite di velocità

3) Flusso di acqua veloce considerati profittevoli siti con V >= 2m/s o con velocità minori ma flusso più continuo sufficienti 1,2 m/s

4) Siti non troppo trafficati a livello di turismo e navigazione

5) Vicinanza a una costa con connessione alla rete elettrica

Tidal Stream: MCT, Progetti R&D

Fase 1) SEAFLOW (1999-2006)

Tale fase prevedeva lo studio e l’installazione di un primo prototipo da 300 KW al fine di analizzare la fattibilità tecnica del progetto.

-Installazione avvenuta con successo a largo della costa si North Evon in UK nel Maggio 2003.

- Il sito è distante dalla costa 1.1 km e ha una profondità di 25m

- L’energia prodotta ha superato i 300 Kw in condizioni favorevoli

-Il progetto ha avuto un costo di 4.2 milioni di euro ed è stato supportato dai Governi dello UK, della Germania e dall’Unione Europea.

Fase 2) SEAGEN (2004-2007)

Tale fase prevede l’analisi e l’installazione di una “full size Turbine“ da 1MW al fine di verificare mediante una connessione alla rete la fattibilità economica dal progetto.

-Il costo previsto per questa fase è di 12 milioni di euro (6.1 finanziati dallo UK)

- Gli articoli parlano di una installazione nei prossimi mesi

Fase 3) SEAGEN ARRAY (Entro il 2009)

Installazione di più array da 10 unita ciascuna

Tidal Stream: MCT, Valutazione Economica

Il prezzo dell’energia prodotta mediante questi dispositivi dipende fortemente da alcune variabili:

1) Taglia della turbina

2) Fattore di carico

3) Costi di Manutenzione specifici

4) Scelta dei parametri economici da utilizzare

0.28€/KWh

0.14€/KWh

0.07€/KWh

0.04€/KWh

Tidal Stream: Altri Progetti, Hammerfest Storm

- Hammerfes Storm è una compagnia è norvegese

-L’installazione singola turbina da 300KW di picco avente 3 pale di 10m di diametro.

- La turbina è ancorata a una floating platform

- l’installazione è avvenuta nel settembre 2003 nell’estremo nord norvegese

-Fornisce energia a un villaggio isolato di 35 case

-Il costo del progetto è stato di circa 9.7 milioni di euro e il costo predetto è di 0,04 €/KWh

-I finanziamenti e la collaborazione allo

sviluppo del progetto provengono anche

da ABB, Rolls Royce, Sintef e Statoil

Tidal Stream: Altri Progetti, Verdant Power in New York -Installazione di cica 300 turbine da 36 KW nell’East River di New York per una capacità complessiva di 10 MW dal 2008.

- Le turbine prodotte da Verdant Power hanno un output variabile tra 25 e 250 KW a seconda delle condizioni e delle dimensioni

- Diametro turbine 4,8m, situate 2.4 metri sotto la superfice in un’acqua profonda 9-12 m

-Velocità dell’acqua nel sito 2,04 m/s picco

- Fase iniziale di test con 2 turbine per 18 mesi con l’energia prodotta convogliata a un parcheggio e a un supermercato.

-Il costo del progetto inclusi 2 milioni di dollari per monitoraggio pesci è stimato in 15 milioni di dollari, con un conseguente costo del KWh installato pari a 1500 $/KWh

Tidal Stream: Principali Ostacoli

A) OSTACOLI TECNOLOGICI:

1) Trasmissione dell’energia alla rete

2) Problemi di Installazione

3) Alti costi di manutenzione dovuti alle ovvie difficoltà di intervento

4) Esposizione a condizioni fisiche e atmosferiche avverse

B) OSTACOLI PER VARIABILITA’ DEL POTERE PRODOTTO

Tidal Stream: Principali Ostacoli

C) OSTACOLI AMBIENTALI:

1) Interazione con la Fauna Marina

2) Problemi per gli accessi navali e quindi ostacoli al turismo e al commercio

3) Inquinamento visivo anche se marginale in molti casi

Vertical Devices: Kobold Turbine

- Studiata e prodotta dalla Ponte di Archimede S.p.A. società con sede a Messina dal 1983,nel progetto ENERMAR in collaborazione con

- L’Università di Napoli Federico II

- Il CNR

- Il Politecnico di Milano

- UNIDO: United Nations Development Organization

-Obiettivi di ENERMAR:

1) Testare questo dispositivo sottoposto a condizioni di operatività reali

2) Migliorare il prototipo ottimizzandone i componenti

3) Promuovere lo sviluppo commerciale e industriale del progetto

Vertical Devices: Kobold Turbine Aspetti Tecnologici

-La direzione di rotazione del rotore è indipendente dalla direzione della corrente

-Utilizza un generatore brushless sincrono da 128 KW connesso al rotore mediante una scatola ingranaggi.

-La scatola ingranaggi è un riduttore epicicloidale con rapporto 1:90 e va ad incrementare la velocità di rotazione dai 18 rpm della turbina ai 1500 rpm del generatore necessari per ottenere una frequenza di 50 Hz.

Vertical Devices: Kobold Turbine, Stato dell’Arte

-La turbina Kobold si trova nello stretto di Messina a largo della costa di Ganzirri dal 2001

- La velocità della corrente nel sito ha una media di 2 m/s e la cut in speed è 1.2 m/s

- L’efficienza del sistema è pari a un 23% ed è calcolata come

Potenza elettrica prodotta

Potenza elettrica teoricamente disponibile

- Il 27 marzo 2006 la turbina è stata connessa alla rete elettrica Enel di Messina

Tidal BarrageQuesta soluzione implica la costruzione di una barriera che isoli un bacino dal resto del mare

OUTFLOW

INFLOW

SEA BASIN

Tidal Barrage: Ebb generation

Standing Filling Pumping Standing Power Generation

Standing

SEA LEVELLEVEL OF THE BASIN

A

A’’

Hmin

Tidal Barrage: Altre Configurazioni

1) Configurazione con produzione di energia in entrambe le direzioni di flusso

2) Configurazione con doppio bacino

Tidal Barrage: Possibili configurazioni delle turbine

BULB

Generatore dentro al flusso dell’acqua

Manutenzione problematica

Utilizzate a La Rance

RIM

Generatore montato nella barriera a 90° rispetto alle pale della turbina

Non utilizzabile per il pompaggio

TUBOLAR

Rotore della turbina inclinato

Generatore alloggiato nella barriera

Utilizzabile per il pompaggio

Proposto per Severn

Tidal Barrage: Analisi dell’Energia estraibile

A Max tidal heightA’ Max basin heigth difference water densityS Basin area System efficiency

Water mass = * A’ * S

Theoretical power = Water Mass * g *haverage

Cycle Energy = Water Mass * g * haverage*

Cycle Energy = 1000 * 0,7 * A * S * 9,8 * 0,4*A* = 2,7 * A2 * S * [KJ/Cicle]

E year = (2,7 * A2 * S * ) / 3600 1/2 * A2 *S [KWh/year]

Tidal Barrage: Esempi e Progetti futuri

Esistono due impianti di questo tipo attualmente presenti:

1) La Rance:

- Situato in Francia

- Completato nel 1967

- Tidal range di 13,5 m

- Diga lunga 750 m e alta 13 che racchiude un bacino di 20 Km2

- Power Output di 240 MW ottenuto con 24 bulb turbine da 10 MW

- Costo equivalente agli attuali 51 milioni di dollari

2) Annopolis Tidal Power Plant:

- Situato In Canada

- Costruito nel 1984

- Usa una sola rim turbine di 7.6m di diametro che produce 20 MW

Tidal Barrage: Esempi e Progetti futuri

Decine di progetti sono stati presi in considerazione per un potenziale sfruttamento futuro (Vedi tabella sul paper per dettagli).

Progetto di Severn (UK):

- Altezza media di Marea 7m

- Bacino di 500 Km2

- Barriera lunga 16 Km

- 216 Turbine Tubolar ciascuna

da 40 Mw per un totale di 8640 Mw

e 17 TWh prodotti ogni anno.

- Costo stimato tra i 14.7 e i 20 miliardi di euro

-Costo stimato di produzione dell’energia: attorno ai 4 centesimi di euro.

Progetto di Daebu Dong

- Annunciato a fine 2004 dalla korea previsione di termine lavori 2009

-254 MW di Potere prodotto

Tidal Barrage: Considerazioni Economiche

- Costo del capitale iniziale troppo elevato

- Tale costo si distribuisce su periodi molto lunghi: 120 stimati per la barriera e 40 per il resto dell’impianto

-Il costo specifico di produzione dell’energia può considerarsi competitivo nonostante sia funzione di diversi parametri specifici del sito

-Nel 1993 l’IEA nell’articolo “Tidal Power” propone una formula per avere una stima del costo dell’energia prodotta con un sistema di questo tipo:

Tidal Barrage: Impatto Ambientale

L’impatto ambientale per sistemi di questo tipo può essere severo anche se limitato all’ecosistema locale :

1) Impatto sulla flora e la fauna locale in particolare sui pesci

2) Salinità

3) Sedimenti trasportati dai corsi d’acqua

4) Cambiamenti dell’ecosistema causati da un una diminuzione della materia sospesa in acqua che lascia passare più luce con effetti su varie forme di vita

5) Maggiore accumulo di sostanze inquinanti

6) Riduzione dell’inquinamento globale in seguito a un mancato utilizzo di fonti tradizionali

FONTI ENERGETICHE DIRETTE

FONTE ENERGETICA NATURALE (PRIMARIA)

L’energia dal moto ondoso

Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

ENERGIA MECCANICA

Radiazione solare •Vento•Moto ondoso

Movimenti atmosferici

Aspetti chiave dell’energia dalle onde del mare:

Alta densità di potenza

Prevedibile per molte ore al giorno

Risorsa largamente disponibile

Minimo impatto estetico

Aspetti chiave:


1) Alta densità di potenza:

Energia solare incidente: 100-200 W/m2

Energia eolica: 400-600 W/m2

Energia delle onde: 2-3 kW/m2

Le onde rappresentano un’immane risorsa energetica

Le onde rappresentano un’immane risorsa energetica

2) La prevedibilità:

La onde che si propagano al di fuori della zona di generazione (storm) sono in grado, quando sono in acque profonde, di viaggiare attraverso grandi distese marine senza perdere la propria energia (swells wave)

Aspetti chiave:


3) Ampia disponibilità della risorsa:

Wave power distribution in kW/m of crest length (IEA-OES: Annual Report 2005)

La risorsa energetica europea derivante dalle onde è complessivamente di 320GW

La risorsa energetica derivante dalle onde stimata per il nord-est Atlantico è complessivamente di 290 GW

Cos’è un’onda: parametri descrittivi


L’onda è una forma d’energia

g

LT

2

2

2esTH

P

Ampiezza A

Lunghezza d’onda L

Periodo

Il flusso energetico dell’onda attraverso un piano verticale (in kW/m di cresta d’onda) vale:

Hs: altezza media dell’onda

Te: Tempo medio tra due creste

Le criticità dello sviluppo delle wave energy technologies


Irregolare ampiezza, fase e direzione dell’onda

Qualsiasi dispositivo realizzato deve sopportare i carichi delle più estreme condizioni ambientali (uragani)

Regolazione e accoppiamento di un moto lento ed irregolare (0,1Hz) ad un generatore elettrico (50Hz)

Affidabilità e manutenibilità in ambiente corrosivo e ostile come il mare

NON ESISTE UNO STANDARDNON ESISTE UNO STANDARD

Il trend attuale supporta dispositivi generatori di potenza fino a1,5-2MW, o sistemi più piccoli ma modulari da 5-20 KW

installati insieme in array

Le tecnologie


Principalmente si dividono in:

Oscillating Water Column: OWC

sistema parzialmente sommerso con una parte aperta verso il mare

Overtopping Devices

l’acqua dell’onda incidente alimenta una o più turbine a bassa pressione

Point Adsorbers (galleggianti o ancorati al fondale)

trasformano il moto ondeggiante, attraverso sistemi meccanici e/o idraulici, in un moto lineare o rotazionale

Surging device

Ulteriore classificazione: in base alla profondità dell’acqua nelle condizioni operative

Shoreline Devices Bottom-fixed Near-shore devices Off-shore devices

Shoreline Devices


I principali sistemi si basano su:

OWC, colonna d’acqua oscillante

TAPCHAN, TAPered CHANnel

Sfrutta il salto geodetico e tecnologie relativamente mature

Dove: Norvegia, 1985 impianto dimostrativo da 350kW

Shoreline DevicesI principali sistemi si basano su:

Pendulor

Il moto ondeggiante del pendolo è usato per azionare una pompa idraulica ed un generatore

Dove: Hokkaido (Giappone)

impianto pilota da 5 kW attivo dal 1983


Vantaggi e svantaggi dei sistemi shoreline+ Sono facilitate le attività di installazione e manutenzione

+ Non richiedono posa e ancoraggio di lunghi collegamenti elettrici sul fondale marino

+ La minore quantità di energia contenuta nelle onde è parzialmente compensata degli effetti di rifrazione e concentrazione a riva delle onde

- Sviluppo circoscritto a zone costiere cui corrispondono determinati requisiti morfologici e determinati livelli delle maree

- Problemi di intervento nell’alterazione del paesaggio costiero naturale

- Minore livello energetico delle onde dovuto alla bassa profondità dell’acqua e all’attrito


Progetto Limpet


Land Installed Marine Energy Transformer

Università di Belfast in collaborazione con il DTI

Prototipo da 75kW costruito a Islay sulla costa occidentale della Scozia

Sviluppo dello stesso in un più grande impianto da 500kW operativo dal 2000

Attualmente collegato alla rete elettrica dell’isola al costo di 0,075€/Kwh

Elementi principali del sitema:

1) Il collettore OWCOWC

2) Unità di turbo generazione

3) Stazione di controllo e monitoraggio

Progetto LimpetIl collettore:Il collettore:

Rettangolare

Inclinato

Larghezza della base: 21m


Le turbine:Le turbine:

Ciascuna turbina è collegata ad un generatore induttivo da 250 kW realizzato esplicitamene per Limpet

Progetto Limpet:Le turbine per la Wave energy:

Wells TurbineWells Turbine

sono turbine contro-rotanti in grado di sfruttare il moto in entrambe le direzioni del flusso d’aria


Progetto LimpetControllo della velocità del generatoreControllo della velocità del generatore

Un Flywheel associato ad ogni turbina permette di accumularne l’energia pneumatica


Bottom-fixed near-shore devicesPrincipalmente si basano sul sistema OWC con riflettori parabolici, ancorati al fondale e vicini alla costa

Energetech OWC

Dove: Australia (300kW) e Canada (1,5-2MW)


Energia meccanica

Off-shore devicesInnumerevoli sono i dispositivi off-shore in fase di studio, prototipazione e realizzazione in scala.

Pelamis

Wave Dragon


+ Sfruttano l’enorme contenuto energetico delle onde che si trovano in acque profonde

Ci sono buone prospettive di sviluppo commerciali per questi Ci sono buone prospettive di sviluppo commerciali per questi sistemisistemi

Moto oscillante dei corpi

- Necessità di posa di cavi e ancoraggi sul fondale

- Minor agibilità manutentive, sopperite da elevati controlli remoti

Lo schema distributivo per le Wave Power Off-shore


Progetto Wave Dragon


Sviluppato in Nissum Brending (Danimarca)

Operativo da Marzo 2003

La CE ha approvato un progetto fino al 2009 per lo sviluppo di un Multi-MW Wave Energy Converter

Si stima un costo di generazione dell’energia, nel medio-lungo termine, di 0,052 €/kWh in un clima ondoso di 24 kW/m

Wave Dragon: caratteristiche tecnologiche


È un dispositivo galleggiante che si basa sul principio tradizionale dell’energia idroelettrica

Assorbimento in superficie

(bracci riflettenti)

Bacino di raccolta (~8000m3)

Idroturbine a bassa pressione

Sfruttamento dell’energia potenziale

Wave Dragon: potenza estraibileLa potenza estraibile tramite il Wave dragon dipende dalle caratteristiche del clima ondoso marino in cui opera:


in un clima ondoso di 24kW/m = 12 GWh/anno





In un clima caratterizzato da 36kW/m si stima che il costo di generazione dell’energia elettrica sarà di 0,04€/kWh

Progetto Pelamis


Sviluppato da una compagnia scozzese

Dal 2006 nelle acque portoghesi di Pòvoa de Varzim

3 Pelamis da 750kW (Ocean Power Delivery)

Sviluppo di ulteriori 28 dispositivi per una complessiva potenza installata di 22,5 MW

Soddisferà la domanda di più di 15000 portoghesi

Pelamis: tecnologia


È un dispositivo semisommerso con snodi galleggianti, i quali utilizzano l’ampiezza dell’onda per muovere dei pistoni idraulici che trasferiscono il moto a dei generatori

Particolare dello snodo, i materiali sono resistenti all’azione corrosiva del mare

Il dispositivo è lungo 150 m, costituito da 5 elementi congiunti ad un diametro di 3,5 m

Pelamis: la prototipazione in scala

Impatto ambientale dell’Energia dalle Onde:

Basso Inquinamento chimico

Moderato impatto visivo

Possibili ostacoli per la navigazione

Nessuna controindicazione per la flora e fauna marina, né per la migrazione dei pesci

Si estrae una piccola frazione del quantitativo di energia complessivamente contenuto nelle onde → Basso impatto sulla costa

Basso rilascio di CO2, SO2, e NOx,

11g, 0.03g, e 0.05g / kWh rispettivamente


Criticità dell’Energia dalle Onde:


Alti costi d’investimento iniziale

Alti costi di mautenzione

Richiede clima ondoso favorevole

Alti investimenti per il sistema di trasmissione di potenza e il cablaggio a riva

Impatto ambientale visivo del panorama dell’oceano

Interferenze con altri usi del litorale costiero e non (navigazione, pesca)

Sistema di generazione energia elettrica


Nei sistemi analizzati tre tipi di generazione elettrica sono possibili utilizzando:

•Macchina in c.c.

•Macchina Asincrona

•Macchina Sincrona

La scelta dipende dalle specifiche condizioni considerando in primis di operare l’alimentazione di carichi isolati, piuttosto che una connessione alla rete elettrica

Alimentazione di carichi isolati


Sono utilizzabili sia macchine in c.c. sia generatori sincroni

Nel caso si vogliano utilizzare macchine asincrone è necessario collegare mediante convertitori statici un banco di condensatori in grado di fornire alla macchina la potenza reattiva necessaria

Caso 1)

ROTORE GENERATORE C.C. INVERTER

CARICO ISOLATO

GENERATORE SINCRONO + RADDRIZZATORE

CARICHI IN C.C.

Connessione con la rete di potenza infinita


Le soluzioni possibili sono:

•Macchina in c.c. + inverter (non usata per problemi di manutenzione e di scintillio)

•Macchina Sincrona

•Macchina Asincrona

MACCHINA SINCRONA- Velocità rotazione pale funzione frequenza rete

- Soluzione 1: collegamento in parallelo a rete: turbina a vel costante imposta da frequenza rete (necessario dotare il generatore di un adeguato sistema di controllo delle pale)

- Soluzione 2: disaccoppiare frequenza alimentazione generatore sincrono da quella della rete di trasmissione (raddrizzatore + inverter)

Controllando la frequenza dell’inverter è possibile variare la frequenza di alimentazione del generatore al variare della velocità del fluido ottenendo elevate prestazioni anche in assenza di controllo sulle pale)

Connessione con la rete di potenza infinita


MACCHINA ASINCRONA:

• Il collegamento con la rete non presenta nessun problema in quanto:

- finchè Vrot < Vsincronismo imposto dalla rete, la macchina si comporta da motore contribuendo all’avviamento delle pale

-quando Vrot > Vsincronismo la macchina funziona da generatore con velocità variabili

Collegamento a rete a frequenza costante

Generatore alimentato a frequenza variabile per mezzo di inverter e raddrizzatore

Inverter


• Dispositivo per la conversione CC/CA• Commutazione forzata attraverso avvio e

spegnimento della conduzione ad intervalli T prefissati

• 4 SCR accoppiati due a due• Variando T (tempo di ciclo di ogni tiristore) si

controlla la frequenza della tensione• Introducendo un ritardo td tra un’interdizione e

un’accensione si controlla l’ampiezza della tensione• Requisiti per inverter in un impianto fotovoltaico

• Alto rendimento• Basso consumo in assenza di carico• Bassa distorsione armonica• Dimensioni e peso limitate• Elevata affidabilità

Macchina Asincrona


• Una volta alimentato con terna di tensioni concatenate e simmetriche di pulsazione ω, l’avvolgimento di statore è percorso da terna di correnti

• Il campo induttore si richiude nel rotore, si concatena con avvolgimento rotore, con velocità angolare ωm

• Avviamento: rotore fermo e le correnti di statore formano campo rotante

• A regime: correnti statore mantengono pulsazione ω e correnti rotore girano con pulsazione ω=S· ω essendo lo scorrimento

Campo con vel angolare Campo con vel angolare pc

Crea f.e.m. indotta che provoca le correnti di rotore Crea f.e.m. indotta che provoca le correnti di rotore

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