L innovazione. si mette in moto [ondoso] 58 dossier smartenergy. di Giuliana Mattiazzo

Transcript

1 58 dossier smartenergy Progetto del Politecnico di Torino per lo sfruttamento dell energia del mare di Giuliana Mattiazzo Politecnico di Torino Per ora il mare è ancora forza 1; l increspatura è appena visibile, in un ambiente dove in genere sono altre le rinnovabili che viaggiano sulla cresta dell onda. Eppure la fase della calma piatta è stata ufficialmente superata. Stiamo parlando dello sfruttamento a scopi energetici delle onde marine che anche in Italia, grazie ad un progetto del Politecnico Wave Power is the branch of Ocean Energy investigating the energy harvesting from the surface motion of waves. The field has been investigated since the Seventies with the first lab tests aimed to assess the extractable power from different Wave Energy Converters (WECs) concepts. One of the first researches carried out in Scotland was based on the WEC called Duck, a floating shape harvesting sea energy due to its rocking motion. The device never arrived to full scale experiments, but gave birth to other WECs, like the Pelamis, a big floating snake harvesting energy by its nosing movement. Other WECs use different concepts, like resonance of an air chamber (Oscillating Water Column, OWC), variation of hydrostatic pressure on a submerged device (Archimede Wave Swing, AWS), water climbing on a slope (Wave Dragon). The research on Wave Power went on with some pauses with a particular effort in the last decade across whole Europe. The activity presented in this work was born in 2005 in the stream of the enthusiasm demonstrated for the Wave Power field. ISWEC (Inertial Sea Wave Energy Converter) is a floating slack moored device. The main peculiarity of the device with respect to most of other WECs is that ISWEC has not moving parts immersed in water, thus not requesting seals. The whole mechanism of energy conversion is gyroscopic based and encapsulated inside the clean and corrosion free environment of the oscillating body. The working principle is based on the spinning top principle: a perturbation of the spinning top trying to make it drop actually spins the top to recover its stability. ISWEC is based over this principle to obtain relative motion between the self-recovering gyro and the floater body whose motion is perturbed by the waves action. The relative motion is used to drive an electric generator that thanks to a power electronic stage and sea submerged cable provides energy to the users. The article shows the system working and the design and cost analysis of a 1 MW pilot plant to be deployed in the Pantelleria Island. di Torino, ha appena iniziato a mettersi in moto concretamente. Il gruppo di ricerca dei dipartimenti di Meccanica e Aerospaziale, di Ambiente Territorio e Infrastrutture e di Energia del Politecnico di Torino ha infatti recentemente presentato un innovativo convertitore del moto ondoso ISWEC Inertial Sea

2 59 Wave Energy Converter fatto su misura per le esigenze del Mediterraneo. Le caratteristiche tecniche ISWEC è un sistema giroscopico di conversione dell energia da moto ondoso la cui peculiarità risiede nel fatto che il convertitore non presenta parti meccaniche in moto immerse in acqua. Il sistema principale di conversione dell energia quindi è completamente protetto dallo scafo, permettendo così di operare in condizioni di ridotta manutenzione ed elevata affidabilità. ISWEC è composto principalmente da un disco (volano) rotante. Questo disco (in Figura 1) è posto all interno della campana di colore giallo ed è quindi montato su una piattaforma che ne permette la rotazione di precessione. La precessione è il tipico effetto giroscopico che governa per esempio le regole di moto della trottola. In questo dispositivo la precessione nasce indotta dalla combinazione della velocità di rotazione del volano con quella di beccheggio dello scafo ed è usata per mettere in moto l albero del generatore. In sintesi, quindi, le onde perturbano il moto del volano, che reagisce con la precessione, mette in rotazione l albero del generatore e si ha la produzione di elettricità. Il sistema è regolato da un controllo che agisce sulla velocità del volano e sulla potenza estratta dal generatore e garantisce istante per istante un assorbimento ottimale di energia dal mare. Si può migliorare l efficienza di tale sistema fornendo le informazioni di previsione a breve termine (ore) dell onda in arrivo sul sito. Una considerazione va fatta sulla potenza spesa per mantenere il volano in rotazione. Se il volano ruota immerso nell atmosfera le perdite per attrito aerodinamico sono rilevanti, corrispondenti ad una frazione importante della potenza prodotta. La campana di colore giallo, oltre a proteggere il volano dagli agenti esterni, serve anche a mantenere un grado di vuoto tale da minimizzare le perdite per attrito aerodinamico. Da esperimenti condotti in laboratorio si è notato come con gradi di vuoto semplici da ottenere (dell ordine dei Pa assoluti), la potenza spesa per mantenere in rotazione il volano diminuisca a pochi punti percentuali della potenza prodotta. Inoltre la potenza spesa per creare il vuoto è trascurabile, in quanto con guarnizioni commerciali standard è possibile ottenere una durata del grado di vuoto dell ordine delle settimane. I supporti del volano sono altresì un punto strategico, in quanto sono responsabili di circa la metà delle perdite per rotazione del volano e possono essere realizzati con tecnologia ceramica normalmente a disposizione in commercio. Il prototipo in scala 1:8 Prima di poter realizzare un sistema cosiddetto full-scale (in scala reale) è necessario sperimentarlo a vari livelli presso vasche e canali di prova in cui si genera un moto ondoso controllato. Tali esperimenti possono essere condotti in diversi siti, in Italia e in Europa. La scelta del sito è funzione della scala del modello. Per esempio la Layout del dispositivo ISWec Figura 1 Direzione dell onda Rotazione volano Beccheggio Moto di precessione

3 60 dossier smartenergy 1Il varo del prototipo del sistema ISWEC nella vasca di prova vasca di prova presente presso l Università di Edimburgo è di dimensioni relativamente piccole (circa 6x3 metri e profondità 1,2 metri) e può essere utilizzata per prove su prototipi di circa 0,5 metri. Tali dimensioni indicativamente si rapportano ad una scala compresa fra 1:50 e 1:100 con il mare reale e sono adatte per i primi test di validazione del concept di prototipo. Utilizzando tali risultati è possibile quindi procedere alla realizzazione di ulteriori prototipi a scala ridotta e quindi molto economici da produrre, oppure, in caso la sperimentazione sia soddisfacente, procedere alla realizzazione di prototipi a scala maggiore. Il dispositivo in scala 1:8 di seguito descritto è nato a valle della sperimentazione su diversi prototipi in scala 1:45 testati prima presso la vasca di prova dell Università di Edimburgo e poi presso la vasca di prova dell Università Federico II di Napoli. La dimensione di un prototipo in scala 1:8 varia a seconda della tipologia di convertitore e nel caso di ISWEC è di 3,44x4,13 metri. Tale dimensione è importante e richiede l utilizzo di vasche di prova di dimensione adeguata, quale per esempio quella presente presso l Istituto INSEAN (Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale) del CNR a Roma. Tale vasca è fra le più grandi presenti in Europa, con una larghezza di 9 metri, una lunghezza di 150 metri e una profondità di 4,2 metri. La capacità di generazione ondosa del sistema permette di ottenere onde controllate di lunghezza fino a nove metri e altezza fino a cinquanta centimetri. Tuttavia, per definire l onda di prova in vasca è necessario conoscere l onda presente nel mare reale. Ci si può affidare per tale scopo alle boe del sistema RON (Rete Ondametrica Nazionale) che monitorando circa una ventina di siti danno un panorama generale del clima ondoso presente attorno alla Penisola. Se tuttavia si desiderasse ottenere la situazione ondosa in un particolare sito, si può procedere in due modi: 3 utilizzo di un modello predittivo del clima ondoso dell intero Mediterraneo; 3 utilizzo di sistemi di misura del clima ondoso disposti nel sito di interesse. Scattering table di Pantelleria Figura 2 Tz [s] Hs [m] Il nostro lavoro si è concentrato sull isola di Pantelleria: questo per diverse ragioni. La prima risiede nel fatto che l isola è esposta ad un moto ondoso di particolare rilievo, la seconda è funzione dell applicazione reale che garantirebbe all isola una diversificazione del mix energetico. È risultato quindi necessario conoscere il clima ondoso dell Isola di Pantelleria che però non è monitorato dalla RON. Nel progetto si è quindi deciso di procedere al posizionamento di un sistema di misura del clima ondoso presso il sito di rilievo. Al fine di ridurre l impatto ambientale, il sistema è di tipo sommerso, semplicemente appoggiato al fondale marino su un apposita struttura. Il sistema sommerso utilizza il sonar e trasduttori piezometrici ad alta precisione per rilevare altezza, periodo, direzione e altri parametri caratteristici dell onda incidente. L attività di monitoraggio è proseguita per un anno, al fine di acquisire una mole di dati tale da identificare con sufficiente accuratezza le caratteristiche del moto ondoso presente sul sito. Nota l onda tipica del sito di Pantelleria è possibile quindi riprodurre un onda in vasca di dimensioni ridotte ma rappresentativa in scala del mare reale. La lunghezza d onda di un onda è la distanza fra due creste dell onda stessa. La lunghezza d onda tipica media energetica di Pantelleria è di circa 70 metri, corrispondente ad un periodo di 6,7 secondi. Se in vasca si genera un onda di 8,8 m di lunghezza (periodo 2,37 seconnuova energia

4 61 Sezione del prototipo 1:8 Figura 3 Potenza prodotta istantanea potenza media 313 W Figura 4 Power [W] Breakdown dei costi per un installazione di 1 MW a Pantelleria Figura 5 10% Elettrico 5% 3% Concessione Gyro % Manutenzione 19% Struttura di), il rapporto fra le due è di 1:8, da cui la definizione di scala del prototipo. Secondo un criterio analogo è stata scalata l altezza dell onda, allo scopo di riprodurre in vasca un onda rappresentativa di una condizione realmente rilevata. I dati raccolti a Pantelleria sono mostrati in Figura 2, dove il dato presente nelle varie celle rappresenta la frequenza relativa (su base annua) con cui l onda descritta dall altezza e dal periodo corrispondente alla cella viene osservata sul sito di misura. Il dispositivo in scala 1:8 è stato progettato in modo da lavorare al meglio con l onda generata e in modo da essere rappresentativo di un sistema reale posto a Pantelleria. La potenza nominale del dispositivo è di 300 W ed è raggiungibile quando è soggetto all onda nominale. In scala reale tale dispositivo avrebbe una potenza di circa 450 kw. Diverse prove sono state eseguite al variare della velocità del volano e della legge di controllo del generatore, in modo da valutare la potenza massima producibile dal sistema. Essendo l onda un fenomeno oscillatorio, il generatore avrà anch esso un uscita di tipo oscillatorio, come mostrato in Figura 4, in cui è rappresentato l andamento sperimentale della potenza attiva generata. Si osserva come per ogni ciclo dell onda (periodo di 2,37 secondi) ci sono due intervalli a potenza massima e due a potenza minima, che corrispondono all inversione del moto del generatore. Nella prova esaminata è stata generata una potenza media di 313 W. Sostenibilità economica di 1 MW a Pantelleria È in fase di sviluppo ISWEC in scala reale della potenza nominale di 60 kw Times [S] In quanto segue viene illustrato lo studio di fattibilità, eseguito ad opera della società W4E, Wave for Energy (spin off del Politecnico di Torino) relativo all installazione di un parco della potenza di circa 1 MW composto da 16 dispositivi. Avvalendosi dell esperienza accumulata nella progettazione e messa in opera dei diversi prototipi realizzati, sono stati già identificati i potenziali fornitori delle componenti meccaniche, elettriche e nautiche. Da un attenta analisi, il costo iniziale di questa prima installazione potrebbe attestarsi di poco al di sopra dei 5 milioni di euro. Questa cifra, dato lo stadio prototipale pre-commerciale dell installazione, è più che interessante, soprattutto se confrontata con cifre 16% Logistica/Cavo 22% Scafo che per i competitor si aggirano intorno a 8/9 milioni di euro (data la maggior complessità tecnologica). Prendendo in considerazione un economia di scala è oggettivamente possibile stimare una riduzione del costo di una tale installazione intorno al 30 per cento, raggiungendo la quota di 3,5 milioni. Il breakdown dei costi della wave farm presso Pantelleria è rappresentato in Figura 5. Manutenzione, scafo, struttura e logistica/cavo rappresentano le principali voci di costo. Scafo e manutenzione sono stati calcolati in modo conservativo da W4E, dal momento che rappresentano due elementi essenziali per il successo tecnico-economico del progetto. Per la componente logistica/

5 62 dossier smartenergy Struttura del leasing operativo Tabella 1 Performance tecnico-economiche del sistema Tabella 2 Costo del denaro 5% Durata 15 anni Rata annuale w ,85 Rata finale w ,85 Produttività Pantelleria MWh/anno Productivity factor 29,7% Incentivo tariffa omnicomprensiva (primi 15 anni) 340,00 euro/mwh Tariffa Enel (dopo il 15 anno) 0,087 euro/kwh Performance economica della wave farm a Pantelleria [confronto con economia di scala] Figura 6 0 2,500, ,000, ,500, ,000, Economia di scala Installazione Pantelleria 3 la performance economico-finanziaria raggiungibile da W4E fa riferimento ad un rateo d interesse del progetto che è quasi doppio rispetto a quello del mercato. Riducendo i rischi di questa tecnologia innovativa, W4E sarà in grado di ottenere prestazioni anche più elevate; 3 se ISWEC è in grado di autosostenersi economicamente nel Mediterraneo, esso può garantire una prospettiva di finanziamento molto interessante in Oceano e anche per ulteriori installazioni in bacini chiusi come il Mediterraneo stesso (per esempio, la Sardegna); 3 è fondamentale configurare una struttura di finanziamento tramite leasing operativo ottimizzata per l installazione di questa tecnologia , cavo, inoltre, è stata considerata l installazione di un cavo sottomarino di proprietà, invece di sfruttare la normativa Testo Integrato per le Connessioni Attive con l utility elettrica locale, per avere un processo agile e rapido. Per finanziare questo progetto W4E farà affidamento ad un leasing operativo strutturato come in Tabella 1. Le performance tecnico-economiche del sistema sono riportate invece in Tabella 2. Tenendo in considerazione il costo annuale di manutenzione dei sistemi e concessione dello spazio acqua, la performance del sistema è riassunta in Figura 6. Anche con un installazione pre-commerciale del sistema ISWEC presso Pantelleria, il VAN dell investimento su un arco temporale di 20 anni si attesta intorno a 1,5 milioni di euro, mentre si incrementa a circa 2,5 milioni di euro considerando un fattore di economia di scala. In conclusione, è importante notare che: 3 anche in fase pre-commerciale l installazione di una wave farm con sistemi ISWEC appare finanziariamente interessante; Le attività sopra illustrate sono state condotte da un gruppo di lavoro caratterizzato da elevata multidisciplinarietà. In particolare, per il Politecnico di Torino DIMEAS (Giuliana Mattiazzo, Ermanno Giorcelli, Giovanni Bracco, Mattia Raffero, Raffaele Ficco), DIATI (Davide Poggi e Andrea Cagnine) e DENERG (Michele Pastorelli e Calogero DiCarlo). Per Wave for Energy (Andrea Gulisano e Vincenzo Orlando).