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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.

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1 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

2 Panorama energetico globale Prospettive 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 lapprovvigionamento energetico crescente I paesi in via di sviluppo contribuiranno ai 2/3 dellaumento della domanda mondiale di energia Emissioni di CO 2 cresceranno più del 60% Unazione decisa dei governi potrebbe orientare il mondo verso un percorso energetico molto diverso …. UNO SCENARIO ALTERNATIVO

3 Verso uno sviluppo sostenibile LUE si impegna a sviluppare una politica energetica sostenibile e sicura Obiettivi per il 2010: 22% dellenergia elettrica consumata proveniente da energia rinnovabile 5,75% del combustibile usato nei trasporti proveniente da bio-combustibile -8% nelle emissioni di gas serra Investimenti dellUE per oltre 100 milioni /anno tra il 1995 e il 2004 per la ricerca e lo sviluppo di energie rinnovabili

4 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

5 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 dellintermittenza della fornitura di potenza, che impedisce un sottodimensionamento della potenza fornita da fonti tradizionali Benefici derivanti per lambiente e per la collettività derivanti da una mancata immissione nellambiente di sostanze inquinanti Ogni KWh rinnovabile evita il rilascio di: 750 g di CO2 750 g di CO2 4,4 g di SOx 4,4 g di SOx 1,7 g di NOx 1,7 g di NOx 0,13 g di polveri fini 0,13 g di polveri fini

6 Il Valore del KWh: I Costi Evitati La soluzione problemi ambientali solo quando le rinnovabili saranno su larga scala Allaumentare di potenza da rinnovabile immessa nella rete cala laffidabilità Esiste limite tecnico per laccettazione di potenza intermittente da parte della rete (max %) ESEMPIO: - fattori utilizzo 0,3 eolico e 0,2 solare - caso migliore del 20% - potenza richiesta in Italia MW - domanda elettricità pari al 29% del fabbisogno totale di energia Potenza intermittente accettabile 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 H 2 ) che possa ridurre lintermittenza per un utilizzo su larga scala di fonti rinnovabili

7 …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

8 Il Panorama mondiale

9 Mappa Concettuale Il progetto sviluppa unanalisi 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

10 Tidal Energy: Aspetti fisici Distribuzione delle forze Il livello dellacqua del mare varia in seguito allazione 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* m 2 * m 1 / R 2 ) 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 dacqua sono libere di muoversi e reagiscono allattrazione spostandosi nella direzione della forza risultante

11 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 allincirca 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

12 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: Laltezza della marea La velocità dellacqua del mare

13 Tidal Energy: la risorsa Ne consegue che una piccola parte dellenergia globalmente disponibile risulta economicamente estraibile: -Potenziale Europeo : 105 TWh/anno concentrato prevalentemente in UK(50TWh/anno) e Francia (44 TWh/anno) -Potenziale Mondiale: TWh/anno 3-7% energia totalmente dissipata nelle maree Le tecnologie di conversione dellenergia dalle maree possono essere classificate in due gruppi: 1)Tidal Barrage: sistemi a paratoia che sfruttano la differenza di altezza dellacqua nel caso di alta e bassa marea 2)Tidal Stream devices: Sistemi che sfruttano lenergia cinetica del flusso dacqua

14 Tidal Stream Energy Conversion Questo gruppo di dispositivi produce energia sfruttando le correnti marine generate dallalternarsi 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 dellenergia 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

15 Tidal Stream: le tecnologie Tecnologia concettualmente molto simile a quella utilizzata nelleolico. Non esiste ancora uno standard accettato molti concetti sviluppati

16 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

17 Tidal Stream: Energia estraibile Lenergia estraibile dipende sostanzialmente da due parametri 1) Velocità dellacqua 2) Diametro del rotore o più in generale area intercettata dal rotore

18 Tidal Stream: Energia estraibile Lenergia cinetica potenzialmente disponibile nellarea 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 landamento 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

19 Tidal Stream: Energia estraibile Ne consegue quindi che il potere effettivamente prelevabile è dato dallarea sottesa dalla curva rossa in figura; Più nello specifico il potere estraibile in metà di ciascuna metà del ciclo di marea sarà dato da:

20 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 lasse verticale al fine di potere uscire dallacqua per la manutenzione -Pale composte da fibre di vetro e di carbonio -Lenergia generatà varierà tra i 750 e i 1500 KW per ogni unità installata farm comprendenti unità per distribuire i costi di trasporto dellenergia a riva. -Vita prevista superiore ai 20 anni

21 Tidal Stream: MCT,Caratteristiche del sito 1)Acqua sufficientemente profonda per linstallazione 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

22 Tidal Stream: MCT, Progetti R&D Fase 1) SEAFLOW ( ) Tale fase prevedeva lo studio e linstallazione 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 Il sito è distante dalla costa 1.1 km e ha una profondità di 25m - Lenergia 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 dallUnione Europea. Fase 2) SEAGEN ( ) Tale fase prevede lanalisi e linstallazione 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

23 Tidal Stream: MCT, Valutazione Economica Il prezzo dellenergia 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

24 Tidal Stream: Altri Progetti, Hammerfest Storm - Hammerfes Storm è una compagnia è norvegese -Linstallazione singola turbina da 300KW di picco avente 3 pale di 10m di diametro. - La turbina è ancorata a una floating platform - linstallazione è avvenuta nel settembre 2003 nellestremo 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

25 Tidal Stream: Altri Progetti, Verdant Power in New York -Installazione di cica 300 turbine da 36 KW nellEast River di New York per una capacità complessiva di 10 MW dal 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 unacqua profonda 9-12 m -Velocità dellacqua nel sito 2,04 m/s picco - Fase iniziale di test con 2 turbine per 18 mesi con lenergia 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

26 Tidal Stream: Principali Ostacoli A) OSTACOLI TECNOLOGICI: 1)Trasmissione dellenergia 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

27 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

28 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 - LUniversità 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

29 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.

30 Vertical Devices: Kobold Turbine, Stato dellArte -La turbina Kobold si trova nello stretto di Messina a largo della costa di Ganzirri dal La velocità della corrente nel sito ha una media di 2 m/s e la cut in speed è 1.2 m/s - Lefficienza 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

31 Tidal Barrage Questa soluzione implica la costruzione di una barriera che isoli un bacino dal resto del mare OUTFLO W INFLOW SEABASIN

32 Tidal Barrage: Ebb generation StandingFillingPumpingStandingPower Generation Standing SEA LEVEL LEVEL OF THE BASIN A A H min

33 Tidal Barrage: Altre Configurazioni 1) Configurazione con produzione di energia in entrambe le direzioni di flusso 2) Configurazione con doppio bacino

34 Tidal Barrage: Possibili configurazioni delle turbine BULB Generatore dentro al flusso dellacqua 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

35 Tidal Barrage: Analisi dellEnergia estraibile A Max tidal height A Max basin heigth difference water density S 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 * ) / /2 * A2 *S [KWh/year]

36 Tidal Barrage: Esempi e Progetti futuri Esistono due impianti di questo tipo attualmente presenti: 1)La Rance: -Situato in Francia -Completato nel Tidal range di 13,5 m -Diga lunga 750 m e alta 13 che racchiude un bacino di 20 Km 2 -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 Usa una sola rim turbine di 7.6m di diametro che produce 20 MW

37 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 Km 2 - Barriera lunga 16 Km 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 dellenergia: attorno ai 4 centesimi di euro. Progetto di Daebu Dong - Annunciato a fine 2004 dalla korea previsione di termine lavori MW di Potere prodotto

38 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 dellimpianto -Il costo specifico di produzione dellenergia può considerarsi competitivo nonostante sia funzione di diversi parametri specifici del sito -Nel 1993 lIEA nellarticolo Tidal Power propone una formula per avere una stima del costo dellenergia prodotta con un sistema di questo tipo:

39 Tidal Barrage: Impatto Ambientale Limpatto ambientale per sistemi di questo tipo può essere severo anche se limitato allecosistema locale : 1)Impatto sulla flora e la fauna locale in particolare sui pesci 2)Salinità 3)Sedimenti trasportati dai corsi dacqua 4)Cambiamenti dellecosistema 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 dellinquinamento globale in seguito a un mancato utilizzo di fonti tradizionali

40 FONTI ENERGETICHE DIRETTE FONTE ENERGETICA NATURALE (PRIMARIA) Lenergia dal moto ondoso Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini ENERGIA MECCANICA Radiazione solareVento Moto ondoso Movimenti atmosferici Aspetti chiave dellenergia dalle onde del mare: Alta densità di potenza Prevedibile per molte ore al giorno Risorsa largamente disponibile Minimo impatto estetico

41 Aspetti chiave: Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 1) Alta densità di potenza: Energia solare incidente: W/m 2 Energia eolica: W/m 2 Energia delle onde: 2-3 kW/m 2 Le onde rappresentano unimmane 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)

42 Aspetti chiave: Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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

43 Cosè unonda: parametri descrittivi Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini Londa è una forma denergia Ampiezza A Lunghezza donda L Periodo Il flusso energetico dellonda attraverso un piano verticale (in kW/m di cresta donda) vale: H s : altezza media dellonda T e : Tempo medio tra due creste

44 Le criticità dello sviluppo delle wave energy technologies Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini Irregolare ampiezza, fase e direzione dellonda 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 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

45 Le tecnologie Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini Principalmente si dividono in: Oscillating Water Column: OWC sistema parzialmente sommerso con una parte aperta verso il mare Overtopping Devices lacqua dellonda 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 dellacqua nelle condizioni operative Shoreline Devices Bottom-fixed Near- shore devices Off-shore devices

46 Shoreline Devices Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini I principali sistemi si basano su: OWC, colonna dacqua oscillante TAPCHAN, TAPered CHANnel Sfrutta il salto geodetico e tecnologie relativamente mature Dove: Norvegia, 1985 impianto dimostrativo da 350kW

47 Shoreline Devices I 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 Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

48 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 nellalterazione del paesaggio costiero naturale - Minore livello energetico delle onde dovuto alla bassa profondità dellacqua e allattrito Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

49 Progetto Limpet Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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 dellisola al costo di 0,075/Kwh Elementi principali del sitema: OWC 1)Il collettore OWC 2)Unità di turbo generazione 3)Stazione di controllo e monitoraggio

50 Progetto Limpet Il collettore: Rettangolare Inclinato Larghezza della base: 21m Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini Le turbine: Ciascuna turbina è collegata ad un generatore induttivo da 250 kW realizzato esplicitamene per Limpet

51 Progetto Limpet: Le turbine per la Wave energy: Wells Turbine sono turbine contro-rotanti in grado di sfruttare il moto in entrambe le direzioni del flusso daria Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

52 Progetto Limpet Controllo della velocità del generatore Un Flywheel associato ad ogni turbina permette di accumularne lenergia pneumatica Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

53 Bottom-fixed near-shore devices Principalmente 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) Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

54 Energia meccanica Off-shore devices Innumerevoli sono i dispositivi off-shore in fase di studio, prototipazione e realizzazione in scala. Pelamis Wave Dragon Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini + Sfruttano lenorme contenuto energetico delle onde che si trovano in acque profonde Ci sono buone prospettive di sviluppo commerciali per questi sistemi Moto oscillante dei corpi - Necessità di posa di cavi e ancoraggi sul fondale - Minor agibilità manutentive, sopperite da elevati controlli remoti

55 Lo schema distributivo per le Wave Power Off-shore Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

56 Progetto Wave Dragon Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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 dellenergia, nel medio-lungo termine, di 0,052 /kWh in un clima ondoso di 24 kW/m

57 Wave Dragon: caratteristiche tecnologiche Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini È un dispositivo galleggiante che si basa sul principio tradizionale dellenergia idroelettrica Assorbimento in superficie (bracci riflettenti) Bacino di raccolta (~8000m 3) Idroturbine a bassa pressione Sfruttamento dellenergia potenziale

58 Wave Dragon: potenza estraibile La potenza estraibile tramite il Wave dragon dipende dalle caratteristiche del clima ondoso marino in cui opera: Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini in un clima ondoso di 24kW/m = 12 GWh/anno in un clima ondoso di 36kW/m = 20 GWh/anno in un clima ondoso di 48kW/m = 35 GWh/anno in un clima ondoso di 60kW/m = 43 GWh/anno in un clima ondoso di 72kW/m = 52 GWh/anno In un clima caratterizzato da 36kW/m si stima che il costo di generazione dellenergia elettrica sarà di 0,04/kWh

59 Progetto Pelamis Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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 portoghesi

60 Pelamis: tecnologia Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini È un dispositivo semisommerso con snodi galleggianti, i quali utilizzano lampiezza dellonda per muovere dei pistoni idraulici che trasferiscono il moto a dei generatori Particolare dello snodo, i materiali sono resistenti allazione corrosiva del mare Il dispositivo è lungo 150 m, costituito da 5 elementi congiunti ad un diametro di 3,5 m

61 Pelamis: la prototipazione in scala

62 Impatto ambientale dellEnergia 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 CO 2, SO 2, e NO x, 11g, 0.03g, e 0.05g / kWh rispettivamente Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

63 Criticità dellEnergia dalle Onde: Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini Alti costi dinvestimento 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 delloceano Interferenze con altri usi del litorale costiero e non (navigazione, pesca)

64 Sistema di generazione energia elettrica Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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 lalimentazione di carichi isolati, piuttosto che una connessione alla rete elettrica

65 Alimentazione di carichi isolati Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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) ROTOREGENERATORE C.C.INVERTER CARICO ISOLATO GENERATORE SINCRONO + RADDRIZZATORE CARICHI IN C.C.

66 Connessione con la rete di potenza infinita Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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 dellinverter 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)

67 Connessione con la rete di potenza infinita Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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 allavviamento 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

68 Inverter Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini 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 t d tra uninterdizione e unaccensione si controlla lampiezza 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

69 Macchina Asincrona Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini Una volta alimentato con terna di tensioni concatenate e simmetriche di pulsazione ω, lavvolgimento di statore è percorso da terna di correnti Il campo induttore si richiude nel rotore, si concatena con avvolgimento rotore, con velocità angolare ω m 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 Crea f.e.m. indotta che provoca le correnti di rotore


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