RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO
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1 RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO Gianmaria Sannino ENEA C.R. Casaccia (Roma) Laboratorio di Modellistica Climatica e Impatti (SSPT-MET-CLIM)
2 Fonti di energia negli oceani 6 Fonti di energia distinte Onde: energia cinetica trasferita dal vento alla superficie degli oceani. Maree: energia potenziale derivata dall attrazione gravitazionale luni-solare degli oceani. Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Gradienti di temperatura: energia termica derivata dalla differenza di temperatura tra gli strati superficiali degli oceani riscaldati direttamente dal sole e gli strati profondi più freddi. Gradiente di salinità: energia osmotica derivata dalla differenza di salinità tra gli oceani e l acqua dolce presente alla foce dei fiumi.
3 Fonti di energia negli oceani Energia dalle onde Onde: energia cinetica trasferita dal vento alla superficie degli oceani. Distribuzione a livello globale della media annuale dell energia del moto ondoso per metro lineare (Cornett, 2008).
4 Fonti di energia negli oceani Livello del mare e maree Maree: energia potenziale derivata dall attrazione gravitazionale luni-solare degli oceani. Mappa globale della componenete mareale M2 dell elevazione superficiale (NASA, 2006)
5 Fonti di energia negli oceani Correnti di Marea Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Regioni del pianeta con correnti di marea particolermente intense.
6 Fonti di energia negli oceani Temperatura oceanica Gradienti di temperatura: energia termica derivata dalla differenza di temperatura tra gli strati superficiali degli oceani riscaldati direttamente dal sole e gli strati profondi più freddi. Mappa globale della differenza media annuale di temperatura tra 20m e 1000m (Nihous, 2010).
7 Fonti di energia negli oceani Correnti Marine Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Distrubuzione globale delle correnti marine (no maree)
8 Fonti di energia negli oceani Correnti Marine Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Simulazione delle correnti marine (NASA)
9 Background Fonti di energia negli oceani 6 Fonti di energia distinte Gradiente di salinità: energia osmotica derivata dalla differenza di salinità tra gli oceani e l acqua dolce presente alla foce dei fiumi. Salinità delle acque marine
10 Dispositivi di conversione: energia marina elettrica Onde: energia cinetica trasferita dal vento alla superficie degli oceani. Maree: energia potenziale derivata dall attrazione gravitazionale luni-solare degli oceani. Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Gradienti di temperatura: energia termica derivata dalla differenza di temperatura tra gli strati superficiali degli oceani riscaldati direttamente dal sole e gli strati profondi più freddi. Gradiente di salinità: energia osmotica derivata dalla differenza di salinità tra gli oceani e l acqua dolce presente alla foce dei fiumi.
11 Fonti di energia nel Mediterraneo 6 Fonti di energia distinte Onde: energia cinetica trasferita dal vento alla superficie degli oceani. Maree: energia potenziale derivata dall attrazione gravitazionale luni-solare degli oceani. Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Gradienti di temperatura: energia termica derivata dalla differenza di temperatura tra gli strati superficiali degli oceani riscaldati direttamente dal sole e gli strati profondi più freddi. Gradiente di salinità: energia osmotica derivata dalla differenza di salinità tra gli oceani e l acqua dolce presente alla foce dei fiumi.
12 Fonti di energia nel Mediterraneo 6 Fonti di energia distinte Onde: energia cinetica trasferita dal vento alla superficie degli oceani. Maree: energia potenziale derivata dall attrazione gravitazionale luni-solare degli oceani. Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Gradienti di temperatura: energia termica derivata dalla differenza di temperatura tra gli strati superficiali degli oceani riscaldati direttamente dal sole e gli strati profondi più freddi. Gradiente di salinità: energia osmotica derivata dalla differenza di salinità tra gli oceani e l acqua dolce presente alla foce dei fiumi.
13 Dispositivi di conversione: ONDE ONDE ISWEC W4E 40SouthEnergy ISWEC W4E ENEL GP
14 Dispositivi di conversione: ONDE 40SouthEnergy
15 Dispositivi di conversione: Maree Barrierie artificiali SIHWA (Corea) 2014 Rance Tidal Power Station France 1966
16 Dispositivi di conversione: Correnti di Maree ALSTOM
17 Background Fonti di energia nel Mediterraneo 6 Fonti di energia distinte Onde: energia cinetica trasferita dal vento alla superficie degli oceani. Maree: energia potenziale derivata dall attrazione gravitazionale luni-solare degli oceani. Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Gradienti di temperatura: energia termica derivata dalla differenza di temperatura tra gli strati superficiali degli oceani riscaldati direttamente dal sole e gli strati profondi più freddi. Gradiente di salinità: energia osmotica derivata dalla differenza di salinità tra gli oceani e l acqua dolce presente alla foce dei fiumi.
18 Correnti di marea nel Mediterraneo Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Strait of Messina topography Gibraltar topography
19 Correnti di marea nel Mediterraneo Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree.
20 Primo Zoom nello Stretto di Gibilterra Modified POM Minimal Hor. Resolution: < 500 m External Time-Step: 0.1 sec O 1 K 1 diurnal tidal component M 2 S 2 diurnal tidal component Sannino et al, JGR-Book, 2014 Sannino et al, JPO, 2009 Sanchez et al, JGR, 2009 Garrido et al, JGR, 2008 Sannino et al, JGR, 2007 Sannino et al, NC, 2005 Sannino et al, JGR, 2004 Sannino et al, JGR, 2002 Garcia-Lafuente et al, JGR, 2007
21 Primo Zoom nello Stretto di Gibilterra salinity along-strait section
22 MITgcm vs POM : model grids POM grid Max resolution 300 m MITgcm grid Max resolution 25 m (only 25% of the actual grid is shown)
23 Secondo Zoom nello Stretto di Gibilterra Real bathymetry POM bathymetry 32 sigma-levels MITgcm bathymetry 53 vertical zeta-levels (partial cell)
24 Secondo Zoom nello Stretto di Gibilterra Sannino et AGU-BOOK 2014 Lafuente et al. JMS 2013 Garrido et al. JGR 2011 Interface depth evolution
25 Calcolo dell energia delle maree a Gibilterra P= 1 2 ρv 3 Layer1: 25m-70m Layer2:70m-115m Calero Quesada et al Mean Energy Flux in W/m 2
26 Correnti di marea nel Mediterraneo Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Strait of Messina topography Gibraltar topography
27 Calcolo dell energia delle maree nello stretto di Messina Mediterranean and strait models Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree.
28 Calcolo dell energia delle maree nello stretto di Messina Messina tidal model
29 Fonti di energia nel Mediterraneo 6 Fonti di energia distinte Onde: energia cinetica trasferita dal vento alla superficie degli oceani. Maree: energia potenziale derivata dall attrazione gravitazionale luni-solare degli oceani. Correnti di marea: energia cinetica delle correnti marine derivate dall innalzamento e abbassamento della colonna d acqua a causa delle maree. Correnti marine: energia cinetica delle correnti dovute alla differenza di densità tra masse d acqua e/o al vento superficiale. Gradienti di temperatura: energia termica derivata dalla differenza di temperatura tra gli strati superficiali degli oceani riscaldati direttamente dal sole e gli strati profondi più freddi. Gradiente di salinità: energia osmotica derivata dalla differenza di salinità tra gli oceani e l acqua dolce presente alla foce dei fiumi.
30 Energia delle onde lungo le coste italiane Traditional approach: using the Italian Wave measuring Network (Rete Ondametrica Nazionale, RON) managed by Institute for Environmental Protection and Research (ISPRA) Cetraro Monopoli 100 Ponza 100 Ortona 100 Mazara del Vallo La Spezia 100 Efficienza 100 Crotone 100 Catania Ancona Alghero Mesi Buoy First Record Last Record 3hr Records Expected E ciency after 1/1/2001 3hr records (%) Alghero 01/07/ /04/ Catania 01/07/ /10/ Crotone 01/07/ /07/ La Spezia 01/07/ /03/ Mazara del Vallo 01/07/ /04/ Monopoli 01/07/ /04/ Ortona 01/07/ /03/ Ponza 01/07/ /03/ Cetraro 28/02/ /04/ Ancona 10/03/ /05/ Capo Comino 01/01/ /09/ Capo Gallo 01/01/ /03/ Capo Linaro 02/01/ /09/ Punta della Maestra 02/01/ /11/ Cagliari 06/02/ /03/
31 Energia delle onde lungo le coste italiane Batimetria e dominio computazione del modello usato in ENEA Model computational domain and bathymetry Model implemented: WAM (Wave prediction Model) Resolution 1/16 x 1/16 (about 7Km) ECMWF (European Centre for Medium range Weather Forecast) wind field data (analysis )
32 Energia delle onde lungo le coste italiane I calcolatori utilizzati per le simulazioni
33 Validazione del modello numerico ALGHERO Hs - Model (m) Entries Hs - Buoy 0 (m) Correlation between buoy and model Hs at Alghero. Dashed line is the best fit line between model and buoy data points. Period considered
34 Validazione del modello numerico CROTONE Hs - Model (m) Entries Hs - Buoy 0 (m) Correlation between buoy and model Hs at Crotone. Dashed line is the best fit line between model and buoy data points. Period considered
35 Validazione del modello numerico LA SPEZIA Hs - Model (m) Entries Hs - Buoy 0 (m) Correlation between buoy and model Hs at La Spezia. Dashed line is the best fit line between model and buoy data points. Period considered
36 Validazione del modello numerico PONZA Hs - Model (m) Entries Hs - Buoy 0 (m) Correlation between buoy and model Hs at Ponza. Dashed line is the best fit line between model and buoy data points. Period considered
37 Validazione del modello numerico Mazzara del Vallo Hs - Model (m) Entries Hs - Buoy 0 (m) Correlation between buoy and model Hs at Mazara del Vallo. Dashed line is the best fit line between model and buoy data points. Period considered
38 Validazione del modello numerico ALGHERO S = 1 n nx sin (y i x i ), 0.6 Buoy Model C = 1 n i=1 nx cos (y i x i ), i=1 R = C 2 + S 2 1 2, bias = arctan S/ C, Frequency 0.4 var = 1 R Average Wave Direction (Deg.) Frequency distribution of model and buoy average wave direction at Alghero. Only records with Hs > 1 m are considered. Incoming wave direction is indicated as degrees in clockwise direction from the north. Period considered
39 Validazione del modello numerico Numerical Wave model vs buoy: statistics S = 1 n C = 1 n nx sin (y i x i ), i=1 nx cos (y i x i ), i=1 R = C 2 + S 2 1 2, bias = arctan S/ C, var = 1 R. Buoy Bias Var (Deg.) Alghero Ancona Catania Crotone La Spezia Mazara del Vallo Ortona Ponza Monopoli Cetraro Capo Gallo Circular statistics of buoy and model wave average spectral direction comparison. Period considered
40 Validazione del modello numerico Numerical Wave model vs satellite altimeter 5 W 0 5 E 10 E 15 E 20 E 25 E 30 E 35 E 45 N 40 N 35 N Satellite Tracks Envisat, ERS-2 Topex-Poseidon Jason-1, Jason-2 Ground tracks of satellites considered in model validation. Thick grey lines identify Jason-1 and Jason-2 tracks. Black lines partially overlying the grey ones symbolize Topex-Poseidon tracks while thin dashed lines represent Envisat and ERS-2 tracks Satellite Repeat Cycle Used Period Track Separation (days) at Equator (km) Topex-Poseidon 10 Jan Oct Jason-1 10 Jan Dec Jason-2 10 Jun Dec Envisat 35 Oct Oct ERS-2 35 Jan Dec Jan Dec Characteristics of satellites used in this study.
41 Validazione del modello numerico Numerical Wave model vs satellite altimeter 12 Hs - Model (m) Entries Scatter plot of model vs. Jason-1 Hs for the entire Mediterranean. Value pairs are grouped in 0.25 m wide bins, corresponding areas are painted according to the number of entries in each bin. Dashed line is the best fit line between model andsatellite data points Hs - Satellite (m) 0 Satellite Samples Bias Rmse Slope Si (m) (m) Topex-Poseidon 457, Jason-1 910, Jason-2 242, Envisat 695, ERS-2 363, Statistics of satellite and model significant wave height H s comparison for the entiremediterranean.
42 Energia delle onde nel Mediterraneo Media annuale climatologica Distribution of average power per unit crest in the Mediterranean between 2001 and J = g2 64 T eh 2 s
43 Energia delle onde nel Mare del Nord Sequenza di tempeste tra Dicembre Febbraio 2014
44 Energia delle onde nel Mare del Nord
45 Energia delle onde nel Mare del Nord
46 Energia delle onde nel Mare del Nord
47
48 Wave energy assessment for the Mediterranean Yearly mean climatological energy flux Distribution of average power per unit crest in the Mediterranean between 2001 and J = g2 64 T eh 2 s
49 Variabilità dell energia ondosa lungo le coste italiane Distribution of the Coefficient of Variation (COV ) of the yearly average power fluxes for years around Italy. Standard deviation (yearly) µ Averaged yearly value COV = µ
50 Energia delle onde lungo le coste italiane Sicilia e Sardegna Distribution of average wave power flux per unit crest on western Sardinia and Sicilian coastline. Values are calculated on a line located 12 km off the coast.
51 Energia delle onde lungo le coste italiane Energia media climatologica in funzione di frequenza e periodo Distribution of wave energy as a function of significant wave period and significant wave height at specific points. Lower left panel shows the average yearly energy associated with sea states identified by Te and Hs couples. Dotted lines mark reference power levels. Upper panel shows the energy distribution as a function of Te only; right panel as a function of Hs only. Red lines in the upper and right panels are the cumulative energy as a percentage of the total. Red dots on the cumulative lines mark each 10th percentile. Rose plot in the upper right panel shows energy distribution over wave incoming direction. Each circle represents 20% fractions of the total energy.
52 Energia delle onde lungo le coste italiane Energia media climatologica in funzione di frequenza e periodo Distribution of wave energy as a function of significant wave period and significant wave height at specific points. Lower left panel shows the average yearly energy associated with sea states identified by Te and Hs couples. Dotted lines mark reference power levels. Upper panel shows the energy distribution as a function of Te only; right panel as a function of Hs only. Red lines in the upper and right panels are the cumulative energy as a percentage of the total. Red dots on the cumulative lines mark each 10th percentile. Rose plot in the upper right panel shows energy distribution over wave incoming direction. Each circle represents 20% fractions of the total energy.
53 Energia delle onde lungo le coste italiane Energia media climatologica in funzione di frequenza e periodo Distribution of wave energy as a function of significant wave period and significant wave height at specific points. Lower left panel shows the average yearly energy associated with sea states identified by Te and Hs couples. Dotted lines mark reference power levels. Upper panel shows the energy distribution as a function of Te only; right panel as a function of Hs only. Red lines in the upper and right panels are the cumulative energy as a percentage of the total. Red dots on the cumulative lines mark each 10th percentile. Rose plot in the upper right panel shows energy distribution over wave incoming direction. Each circle represents 20% fractions of the total energy.
54 Energia delle onde lungo le coste italiane Energia media climatologica in funzione di frequenza e periodo Yearly Energy Hs (MWh/m) (m) Yr. Energy: 66.1 (MWh/yr) Av. Power: 7.6 (kw/m) 2.g 10 kw/m 5 kw/m 2 kw/m 50 kw/m 20 kw/m 200 kw/m 100 kw/m Te Yearly Energy (s) N (MWh/m) Distribution of wave energy as a function of significant wave period and significant wave height at specific points. Lower left panel shows the average yearly energy associated with sea states identified by Te and Hs couples. Dotted lines mark reference power levels. Upper panel shows the energy distribution as a function of Te only; right panel as a function of Hs only. Red lines in the upper and right panels are the cumulative energy as a percentage of the total. Red dots on the cumulative lines mark each 10th percentile. Rose plot in the upper right panel shows energy distribution over wave incoming direction. Each circle represents 20% fractions of the total energy Yearly Energy (kwh/m)
55 Valutazione potenziale energetico in punti specifici WAM (1/16 x1/16 ) WAM/SWAN (1/120 x/120 )
56 Valutazione potenziale energetico in punti specifici Yearly Energy Hs Yearly Energy Hs Numerical Wave model description for western Sardinia (MWh/m) (m) (MWh/m) (m) Yr. Energy: 91.2 (MWh/m) Av. Power: 10.4 (kw/m) a 10 kw/m 5 kw/m 2 kw/m 50 kw/m 20 kw/m 200 kw/m 100 kw/m Te Yearly Energy (s) Yr. Energy: 61.0 (MWh/m) Av. Power: 7.0 (kw/m) (MWh/m) N 5 Average yearly energy dependency on significant period T 0 e, significant wave height H s and average direction. Region: 10 Point: (21,222) Lon: , Lat: , Av. Power: kw/m, Av. Yearly Energy : MWh/m 200 kw/m 2500 Model RON files suffix: g. 2001/1/1-2010/12/31, observations. Upper-right panel: b percentage of yearly energy by incoming direction. Circle are 20 % spaced increments kw/m kw/m kw/m kw/m kw/m kw/m Te (s) Yearly Energy (MWh/m) NEA\WaveClimateChange\Analisi\AnalisiEnergia\PlotEnergyHsTmDist.pro 30 17:05: N Yearly Energy Yearly Energy (kwh/m) 41 N 40 30'N 40 N 39 30'N (kwh/m) 39 N 8 E a c b 8 30'E Alghero Yearly Energy Hs Energy Flux (kw/m) (MWh/m) (m) > Yr. Energy: 19.3 (MWh/m) Av. Power: 2.2 (kw/m) c 10 kw/m 5 kw/m 2 kw/m 50 kw/m 20 kw/m 200 kw/m 100 kw/m a,b,c: three points located at m, 9300 m and 830 m respectively from the coast. These points are distributed along a straight line pointing offshore from Alghero, at decreasing depths ranging from 13m to 114 m Te (s) Yearly Energy (MWh/m) N Yearly Energy (kwh/m)
57 Valutazione potenziale energetico in punti specifici MIKE21 SW! WAM (1/16 x1/16 ) Prof. Felice Arena WAM/SWAN (1/120 x/120 )
58 Valutazione potenziale energetico in punti specifici PANTELLERIA SWAN model laterally forced by the WAM simulation! 7 Km res. 800 m res.
59 Wave energy assessment for Pantelleria island Distribution of yearly average ( ) wave energy around PANTELLERIA Computational Mesh used for Pantelleria.!! 10 km 7 Km res. 800 m res.
60 Energiadal mare scale temporali
61 Previsioni energetiche per il Mediterraneo
62 Dati consultabili via web WEB-GIS Wave ATLAS utmea.enea.it/energiadalmare/ Wave Forecast
63 Workshop sul tema dell energia dal ENEA!
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