Dighe REWEC3 per la produzione di energia elettrica dalle onde di mare: nuove attività sperimentali presso il laboratorio NOEL di Reggio Calabria

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1 ENERGIA ACADEMIC YEAR DAL 2013/2014 MARE LE NUOVE TECNOLOGIE DEI MARI ITALIANI 1-2 luglio 2014 ENEA, Roma Dighe REWEC3 per la produzione di energia elettrica dalle onde di mare: nuove attività sperimentali presso il laboratorio NOEL di Reggio Calabria Alessandra Romolo Ricercatrice in Costruzioni Marittime, Università Mediterranea Felice Arena Professore Ordinario in Costruzioni Marittime, Università Mediterranea Direttore del NOEL UNIVERSITA MEDITERRANEA, (ITALIA)

2 Il N O E L Il Laboratorio Naturale di Ingegneria Marittima (NOEL) Grazie ai primi pioneristici esperimenti di campo su modelli in scala ridotta eseguiti sin dal 1989 nel mare antistante la costa di Reggio Calabria, sotto la direzione del Professore Paolo Boccotti (Professore Ordinario di Costruzioni Marittime), è stato possibile avviare la sperimentazione su strutture marittime e sulla meccanica delle onde direttamente in mare piuttosto che in vasche attrezzate con generatori di onde.

3 L O C A T I O N Messina Tyrrhenian Sea STRAITS OF MESSINA Ionian Sea NOEL lab Calabria Reggio Calabria Messina Reggio Calabria Sicily Reggio Calabria NOEL

4 PECULIARITA Le prove eseguite a Reggio Calabria con modelli di strutture diverse hanno avuto successo grazie alle condizioni eccezionalmente favorevoli del sito (Boccotti, 1997,2000). La prima fondamentale condizione è che frequentemente si formano degli stati di mare con dimensioni tipiche da grossa vasca di laboratorio (altezze significative Hs comprese tipicamente tra 0.3m e 0.8m, periodi dominanti Tp compresi tra 2.4s e 3.8s) i quali consistono di onde pure di vento. Trovare in mare onde con Hs<0.50m e spettri da pure onde di vento Essi rappresentano, non è per niente quindi, facile; in similitudine di Froude il modello a in Reggio scala ridotta Calabria di tale forti condizione mareggiate si sia verifica per il per Mare diversi giorni al Mediterraneo mese, grazie che alla per concomitanza gli Oceani. di alcune condizioni favorevoli.

5 PECULIARITA Le prove eseguite a Reggio Calabria con modelli di strutture diverse hanno avuto successo grazie alle condizioni eccezionalmente favorevoli del sito (Boccotti, 1997,2000). La Il laboratorio prima fondamentale pioneristico di condizione Reggio Calabria è che possiede frequentemente una serie di si formano ulteriori vantaggi degli stati che di lo rendono mare con difficilmente dimensioni superabile. tipiche da grossa La grande stabilità del vento di canale che, spirando da NNW, vasca contrasta di laboratorio le onde di (altezze mare-lungo significative provenienti Hs da comprese SUD e ne contiene tipicamente l incidenza. tra 0.3m e 0.8m, periodi dominanti Tp compresi tra La 2.4s piccola e 3.8s) escursione i quali consistono di marea (ampiezza di onde tipicamente pure di vento. contenuta Trovare entro in i.1m) mare che onde è un con requisito Hs<0.50m necessario e spettri per la da buona pure riuscita onde di degli esperimenti su modelli in scala ridotta. vento Essi La rappresentano, limpidezza non è per dell acqua niente quindi, facile; davvero in similitudine impensabile di davanti Froude ad il modello un a in Reggio scala centro ridotta Calabria urbano. di L acqua tale forti condizione mareggiate è limpidissima si sia verifica perché il per viene Mare diversi ricambiata giorni al Mediterraneo mese, dalla corrente grazie che alla dello per concomitanza Stretto gli Oceani. la quale di fluisce alcune due condizioni volte al giorno. favorevoli.

6 Vista 3D del lab NOEL, nello Stretto di Messina

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8 NOEL exp Diga REWEC3 o U-OWC, descrizione dell impianto (Brevetto Prof. Boccotti) Il cassone modificato è costituito da un condotto verticale (1) interagente con il moto ondoso incidente mediante un imboccatura superiore (2). Tale condotto è, poi, collegato ad una camera di assorbimento (3) attraverso una luce di fondo (4). La camera di assorbimento è posta in contatto con l atmosfera mediante un condotto (1) nel quale è alloggiata una turbina self-rectifying (5). Perciò, la camera di assorbimento contiene massa d acqua (3a) nella parte inferiore e una sacca d aria (3b) nella parte superiore. Per effetto del campo di moto ondoso interagente con la struttura, si generano sull imboccatura del condotto verticale (1) delle fluttuazioni di pressione, le quali determinano delle oscillazioni all interno della massa d acqua contenuta nel condotto e nella camera di assorbimento, corrispondenti alle fasi di cresta e di cavo d onda. Conseguentemente la sacca d aria all interno della camera di assorbimento (3b) viene alternativamente compressa ed espansa, generando una corrente alterna all interno del condotto (5).

9 NOEL exp Diga REWEC3 o U-OWC per convertire l energia ondosa in energia elettrica. Wave crest Wave trough

10 NOEL exp Diga REWEC3 o U-OWC per convertire l energia ondosa in energia elettrica. Nella primavera del 2005, è stato realizzato un modello in scala 1/10 di un cassone cellulare con incorporato un impianto REWEC3 (o U-OWC) (dimensioni del modello: lunghezza 16.2m, profondità del fondale 2m, peso circa 300t). Il REWEC3 converte l energia del moto ondoso incidente in una corrente d aria ad alta velocità. L energia di questa corrente può essere poi trasformata in energia elettrica mediante una turbina di Wells. Nell esperimento 2005 non erano presenti turbine: si è trattato di un primo step volto a testare l idrodinamica all interno dell impianto.

11 NOEL exp Diga REWEC3 o U-OWC per convertire l energia ondosa in energia elettrica. Mare Seaward tube Saracinesche / turbine Concrete Blocchi zavorra ballast 2 in calcestruzzo +0.3 Terra massi guardiani

12 NOEL exp Diga REWEC3 o U-OWC per convertire l energia ondosa in energia elettrica. Mare Seaward tube 2 Saracinesche / turbine Blocchi zavorra in calcestruzzo Concrete ballast Terra Confronto: tradizionale cassone in c.a massi guardiani E cassone REWEC3 II F III larghezza media condotto: III 20 II 25 Sez. I

13 Dagli OWC verso il REWEC3 (or U-OWC) NOEL exp 2005, Diga REWEC3 o U-OWC: primi risultati fondamentali Il periodo proprio di oscillazione all interno di un OWC è generalmente minore del periodo di picco delle onde di vento, e non è possibile modificarlo. Il nuovo cassone OWC (U-OWC o REWEC3/3, REsonant Wave Energy Converter) brevettato dal prof. Paolo Boccotti (Italy) in Europa (N ), ha il vantaggio di ottenere una risonanza naturale senza la necessità di nessun sistema addizionale per il controllo di fase. Un U-OWC può essere progettato per raggiungere la condizione di risonanza per gli stati di mare a cui è associata la maggiore quantità di energia ondosa incidente. (vedi: Boccotti P., Comparison between a U-OWC and a conventional OWC. Ocean Engineering. vol. 34, pp )

14 Evidenze sperimentali: risposta dell impianto REWEC3 all azione delle onde incidenti di tipo swell

15 NOEL exp 2005, Diga REWEC3 o U- OWC: primi risultati fondamentali Stime di produzione di energia elettrica di un REWEC3 di lunghezza pari a 1km, medie in un anno Tirreno, Mar Mediterraneo: MWh/km Mazara del Vallo, Mar Mediterraneo : MWh/km USA, California: MWh/km Oceano Atlantico, costa Ovest: MWh/km Mauritania: 32,000 MWh/km

16 Progetto POSEIDONE (completamento maggio 2014) Progetto di ricerca Impianto U-OWC e Turbina ad Aria per la Produzione di Energia Elettrica da Onde di mare POSEIDONE finanziato dal Ministero dell'ambiente (GU-SerieV n. 150 del 21/12/2009) Partners di progetto: Wavenergy.it srl, Faggiolatipumps SpA, Università Mediterranea di Reggio Calabria Università La Sapienza di Rome

17 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 Parte inferiore dell impianto REWEC3 Flangia per turbina Parte superiore dell impianto REWEC3

18 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 Parte superiore dell impianto REWEC3

19 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 The turbine..

20 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3

21 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 La strumentazione permette la misurazione della storia temporale dell elevazione d onda e del carico di pressione con una frequenza di campionamento di 10Hz. Le registrazioni sono effettuate per un intervallo di tempo di 5min, cosicché una registrazione completa risulta composta da 3000 campionamenti per segnale registrato.

22 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 Storia temporale dei parametri calcolati in fase di postprocessing. Dall alto verso il basso: altezza significativa H s periodo di picco T p periodo medio T m 1 0,8 0,6 0,4 0, H s [m] T p [s] T m [s] ϴ Dighe REWEC3: nuove attività sperimentali, m [ ] ing. Alessandra Romolo

23 Storia temporale dei parametri calcolati in fase di postprocessing. Dall alto verso il basso: direzione media di propagazione ϴ m parametro di strettezza dello spettro ψ*. 3 Esperimento 2 in scala ridotta su un impianto 1 REWEC ,8 0,6 0,4 0, ϴ m [ ] ψ* N registrazione

24 -0,08 1,9 Esperimento Velocità di rotazione in [rpm/1000] scala ridotta 1,85 su un impianto REWEC3 1,8 1,75 record 253 (16/04/2014): Hs (campo indisturbato) 0.38m, Tp 2.18s; il parametro di strettezza, ottenuto 1,7dalla registrazione dell ultrasuono posto sul palo nord, è ,4 η ph8 [m] pressione nella camera d aria pressione nella colonna oscillante pressione all imboccatura 0,2 0-0,2-0,4 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,8 0,6 0,4 0, η ph4 [m] η ph1 [m] t [s] -0,2 2,595 0,2 0,44 2,62 0,15 0,15 0,44

25 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 record 253 (16/04/2014): Hs (campo indisturbato) 0.38m, Tp 2.18s; il parametro di strettezza, ottenuto dalla registrazione dell ultrasuono posto sul palo nord, è ,06 0,04 0,02 0-0,02-0,04-0,06-0,08 1,9 1,85 Potenza [% 4kW] Velocità di rotazione [rpm/1000] 1,8 1,75 1,7 0, η ph8 [m] 0, Dighe REWEC3: nuove -0,2 attività sperimentali, ing. Alessandra Romolo

26 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 record 253 (16/04/2014): Hs (campo indisturbato) 0.38m, Tp 2.18s; il parametro di strettezza, ottenuto dalla registrazione dell ultrasuono posto sul palo nord, è ,06 0,04 0,02 0-0,02-0,04-0,06-0,08 1,9 1,85 Potenza [% 4kW] Velocità di rotazione [rpm/1000] 1,8 1,75 1,7 0, η ph8 [m] 0, Dighe REWEC3: nuove -0,2 attività sperimentali, ing. Alessandra Romolo

27 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 ULTERIORI ANALISI Stima dei coefficienti di diffrazione davanti all U-OWC Implementazione di modelli di calcolo 3D (in collaborazione con ENEA) Stima delle sollecitazioni sull U- OWC

28 Esperimenti in scala ridotta su impianti REWEC3 Sviluppi Futuri

29 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico - ENEA Piano Annuale di Realizzazione 2013

30 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico - ENEA Piano Annuale di Realizzazione ,6m 6,9m In corso di costruzione

31 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico - ENEA Piano Annuale di Realizzazione 2013 Progettazione ottimizzata degli impianti REWEC3 a d l' s s' s" E

32 Marinet - Progetto REWELPO Attività svolta presso Tecnalia Research & Innovation Foundation (Bilbao, Spain)

33 Esperimento in scala ridotta su un impianto REWEC3 Prove su turbine Turbine di tipo Wells Turbine ad impulsi Turbine bi-radiali

34 Sviluppi Futuri INTEGRAZIONE DI CONVERTITORI AD ELASTOMERI DIELETTRICI (CED) IN DIGHE REWEC Potenziali vantaggi rispetto ai turbogeneratori: miglior efficienza energetica; semplicità di fabbricazione, installazione e manutenzione; miglior resistenza alla corrosione; riduzione del rumore; riduzione dei costi. CED: capacità deformabili che utilizzano il lavoro meccanico di deformazione per incrementare il potenziale elettrico delle cariche che risiedono sui loro elettrodi.

35 ENERGIA ACADEMIC YEAR DAL 2013/2014 MARE LE NUOVE TECNOLOGIE DEI MARI ITALIANI 1-2 luglio 2014 ENEA, Roma Thank you very much for your attention Alessandra Romolo, Ricercatrice in Costruzioni Marittime, Università Mediterranea Felice Arena Professore Ordinario in Costruzioni Marittime, Università Mediterranea Direttore del NOEL UNIVERSITA MEDITERRANEA, (ITALIA)

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