Diapositiva 1 - Dipartimento di Ingegneria dell`Energia elettrica e

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 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 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
…. 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
Il Valore del KWh
•
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
Preponderanza del Termoelettrico
Per la competitività del KWh Rinnovabile:
Valore (KWh rinnovabile) = Valore (KWh Termoelettrico)
Uguaglianza dei Costi di
produzione
Uguaglianza dei Premi per
la Qualità
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 CO2
• 4,4 g di SOx
• 1,7 g di NOx
• 0,13 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

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
Distribuzione delle forze
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
Tidal Stream: Energia estraibile
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:
 ω = 2π / T
dove
 Vmax: max velocità di corrrente
 T: periodo tipicamente di 12h 25min
Tipicamente sono presenti due velocità da considerare:
- Cut in speed
- Rated Speed
Tidal Stream: Energia estraibile
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 Barrage
Questa soluzione implica la costruzione di una barriera che isoli un bacino
dal resto del mare
INFLOW
SEA
BASIN
OUTFLO
W
Tidal Barrage: Ebb generation
LEVEL OF THE BASIN
SEA LEVEL
Hmin
A’’
A
Standing
Filling
Pumping Standing
Power
Generation
Standing
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 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 * ) / 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
L’energia dal moto
ondoso
Movimenti
atmosferici
FONTE ENERGETICA
NATURALE
(PRIMARIA)
Radiazione solare
FONTI ENERGETICHE
DIRETTE
•Vento
•Moto ondoso
Aspetti chiave dell’energia dalle onde del mare:
Alta densità di potenza
Prevedibile per molte ore al giorno
Risorsa largamente disponibile
Minimo impatto estetico
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
ENERGIA
MECCANICA
Aspetti chiave:
1) Alta densità di potenza:
Energia solare incidente: 100-200 W/m2
Energia eolica: 400-600 W/m2
Energia eolica: 2-3 kW/m2
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)
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
Aspetti chiave:
3) Ampia disponibilità della risorsa:
Wave power distribution in kW/m of crest length (IEA-OES: Annual Report 2005)
La risorsa energetica derivante dalle onde
stimata per il nord-est Atlantico è
complessivamente di 290 GW
La risorsa energetica europea derivante
dalle onde è complessivamente di 320GW
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
Cos’è un’onda: parametri descrittivi
L’onda è una forma d’energia
Ampiezza A
Lunghezza d’onda L
2L
Periodo T 
g
Il flusso energetico dell’onda attraverso un piano verticale (in kW/m
di cresta d’onda) vale:
H s2Te
P
2
Hs: altezza media dell’onda
Te: Tempo medio tra due creste
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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 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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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 Nearshore devices
Off-shore devices
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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 OWC
2) Unità di turbo generazione
3) Stazione di controllo e monitoraggio
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
Progetto Limpet
Il collettore:
Rettangolare
Inclinato
Larghezza della base: 21m
Le turbine:
Ciascuna turbina è collegata ad un generatore induttivo da 250 kW
realizzato esplicitamene per Limpet
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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 d’aria
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
Progetto Limpet
Controllo della velocità del generatore
Un Flywheel associato ad ogni turbina
permette di accumularne l’energia
pneumatica
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Off-shore devices
Innumerevoli sono i dispositivi off-shore in fase di studio,
prototipazione e realizzazione in scala.
Pelamis
+ Sfruttano l’enorme contenuto energetico delle onde che si
trovano in acque profonde
Ci sono buone prospettive di sviluppo commerciali per questi
sistemi
Moto oscillante dei
corpi
Energia meccanica
- Necessità di posa di cavi e ancoraggi sul fondale
- Minor agibilità manutentive, sopperite da elevati controlli remoti
Wave Dragon
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
Lo schema distributivo per le Wave Power Off-shore
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
Wave Dragon: potenza estraibile
La 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 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 dell’energia elettrica sarà di 0,04€/kWh
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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)
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
CARICHI IN C.C.
GENERATORE C.C.
INVERTER
CARICO ISOLATO
GENERATORE SINCRONO + RADDRIZZATORE
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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)
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
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
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini
•
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
Campo con vel angolare
c 

p
•
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
•
Crea f.e.m. indotta che provoca le correnti di rotore
A regime: correnti statore mantengono pulsazione ω e correnti rotore
girano con pulsazione ω=S· ω essendo
 c   m lo scorrimento
S
c
Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini