ENERGIA DAL MARE TOSCANO IL MOTO ONDOSO LA SUA ENERGIA E LO SFRUTTAMENTO. Lorenzo Cappietti Laboratorio di Ingegneria Marittima

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Arnoldo Longhi
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1 ENERGIA DAL MARE TOSCANO IL MOTO ONDOSO LA SUA ENERGIA E LO SFRUTTAMENTO Lorenzo Cappietti Laboratorio di Ingegneria Marittima

2 LABORATORIO DI INGEGNERIA MARITTIMA Valentina Vannucchi Pier Luigi Aminti Andrea Esposito Irene Simonetti Dario Pelli Ilaria Crema

3 CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE PARTE I : IL MARE E LE SUE ENERGIE PARTE II: L ENERGIA DEL MOTO ONDOSO PARTE III: ESEMPI DI DISPOSITIVI PER LO SFRUTTAMENTO DELL ENERGIA DEL MOTO ONDOSO IV LE RICERCHE PRESSO IL LABORATORIO DI INGEGNERIA MARITTIMA

4 PARTE I IL MARE E LE SUE ENERGIE

5 ENERGIA DA GRADIENTE TERMICO Il gradiente termico è prodotto dalle differenze di T tra i diversi strati del mare Il sole riscalda la superficie del mare e crea una differenza di T acque superficiali: acque profonde: 6-7

6 ENERGIA DA GRADIENTE TERMICO La prima centrale per la conversione dell'energia termica degli Oceani (OTEC) è nata nel 1996 al largo delle isole Hawaii TURBINA GENERATORE CONDENSATORE EVAPORATORE Acqua calda di superficie POMPA ACQUA DESALINIZZATA Fonte: Acqua fredda del fondale

7 ENERGIA DA GRADIENTE SALINO È detta anche ENERGIA OSMOTICA deriva dalla differenza di concentrazione salina fra l'acqua di mare e l'acqua dolce

8 ENERGIA DA GRADIENTE SALINO Si può convertire in energia tramite una membrana semipermeabile che separa l acqua dolce da quella salata SCAMBATORE DI PRESSIONE H 2 O salata MEMBRANA TURBINA MARE H 2 O dolce Filtro FIUME

9 ENERGIA DELLE CORRENTI MARINE Le correnti marine sono movimenti di massa d'acqua, indotti dalla loro diversa densità. Si distinguono dalle acque circostanti per: - Temperatura - Salinità - Colore

10 ENERGIA DELLE CORRENTI MARINE Le correnti possono essere sfruttate con lo stesso principio utilizzato per l energia eolica. Solo in Europa la disponibilità di questo tipo di energia è pari a circa 75 GW Fonte: European Ocean Energy Association (EU-OEA),

11 PARTE II L ENERGIA DEL MOTO ONDOSO

12 ENERGIA DALLE MAREE La marea è il ritmico innalzamento e abbassamento del livello del mare provocato dall'azione gravitazionale della Luna e del Sole

13 ENERGIA DALLE MAREE Con l alta marea, l acqua fluisce in un bacino e passando attraverso una serie di tunnel, aziona delle turbine collegate a dei generatori

14 TSUNAMI INUTILE!

15 ENERGIA DALLE ONDE DA VENTO!

16 PROPAGAZIONE E MOTI ORBITALI Filmato 1 S9m-fCoZE Filmato 2 IZm8U965A

17 PARAMETRI CARATTERISTICI DELLE H = distanza verticale tra cresta e cavo L = distanza orizzontale tra due creste o cavi consecutivi T = intervallo di tempo necessario affinché una cresta percorra una distanza pari alla lunghezza d onda ONDE REGOLARI

18 PARAMETRI CARATTERISTICI DELLE Hs = altezza significativa Tp = periodo di picco Te = periodo energetico Lp/Le lunghezze d onda ONDE REALI

19 LA POTENZA DEL MOTO ONDOSO Potenza: lavoro fatto dal moto ondoso nell unità di tempo attraverso una finesta larga 1m e alta dal fondale alla superficie del mare 1 P 64 1 g 2 Hs 2 Te (W/m)

20 LA POTENZA DEL MOTO ONDOSO Se Hs=1m e Te=6s -> potenza per un metro di larghezza di cresta pari a circa 2.8 kw/m! 485 KW IN 170 m DI CRESTA D ONDA

21 molti km WIND 20m WAVES <200m Il profilo di velocità del vento si estende per km sopra lo strato limite atmosferico Una torre eolica sfrutta solo uno strato infinitesimale La maggior parte della potenza del moto ondoso è concentrata vicino alla superficie del mare. Un dispositivo di conversione di moderate dimensioni può assorbire la maggior parte della potenza d onda La potenza del moto ondoso per unità di area verticale (dalla superficie al fondo del mare) è circa 5 volte maggiore della potenza specifica del vento che ha generato l onda. L energia d onda è molto più concentrata

22 DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MONDO Fonte: Mork G et al.(2010). Assessing the Global Wave Energy Potential. Proceedings of the 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE2010)

23 PARTE IV I DISPOSITIVI PER LO SFRUTTAMENTO DELL ENERGIA DEL MOTO ONDOSO

24 I DISPOSITIVI WAVE ENERGY CONVERTER - WEC 349. Il primo brevetto è del 1799, GIRARD e figli Parigi 12 juillet BREVET D INVENT IO N DE Q ÙINZE ANS, Pour divers moyen s d employer les vagues de la mer, comme mot eurs, Aux sieurs GIRARD père et fils, de Paris. La mobilité et l inégalité successive des vagues, après s être elevés comme montagnes, s affaisent l instant aprés, entrai-

25 L ERA MODERNA Yoshio Masuda, ( ), Giapponese fece studi sui dispositivi per lo sfruttamento dell energia del moto ondoso fin dal 1940, ed è l inventore della tecnologia Oscillating Water Column (OWC) Nel periodo ( ) furono prodotte più di mille boe di segnalazione alimentate da un turbina ad aria attivata mossa dell OWC

26 I DISPOSITIVI WEC WAVE ACTIVATE BODIES CORPI GALLEGGIANTI OSCILLATING WATER COLUMNS COLONNE D ACQUA OSCILLANTI In base al principio di funzionamento si classificano in 3 categorie OVERTOPPING DEVICES DISPOSITIVI A TRACIMAZIONE

27 WAB: CORPI GALLEGGIANTI

28 POWER TAKE OFF Conversione diretta con un generatore elettrico lineare Uppsala University, Sweden

29 POWER TAKE OFF Buoy LP gas accumulator HP gas accumulator Sistemi ad olio in alta pressione con motore idraulico A Manifold Motor Cylinder B Oyster (UK)

30 POWER TAKE OFF Turbine idrauliche wheel or runner ad alta prevalenza Generalmente del tipo Pelton nozzle Oyster (UK)

31 OWC: COLONNE D ACQUA OSCILLANTI

32 Turbine ad aria autorettificanti POWER TAKE OFF Wells turbine (mid-1970s) Several versions Used in most OWC prototypes Impulse turbine (mid-1970s) Several versions Based on De Laval steam turbine (1889) Used in Indian prototype & CORES Guide vanes rotor rotation Guide vanes

33 OTD: DISPOSITIVI A TRACIMAZIONE

34 Turbine Idrauliche a Bassa Prevalenza POWER TAKE OFF

35 PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER FILMATO PTO Motore idraulico + generatore Fonte:

36 OYSTER PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER FILMATO PTO Motore idraulico + generatore Fonte:

37 PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER FILMATO PTO Motore idraulico + generatore Fonte:

38 PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER WAVEBOB FILMATO PTO Motore idraulico + generatore Fonte:

39 PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER FILMATO PTO Turbina idraulica Fonte:

40 OE-BUOY PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER FILMATO PTO Turbina ad aria Fonte:

41 PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER LIMPET FILMATO PTO Turbina ad aria Fonte:

42 PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER MUTRIKU FILMATO PTO Turbina ad aria Fonte:

43 PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER

44 PARTE IV LE RICERCHE PRESSO IL LABORATORIO DI INGEGNERIA MARITTIMA

45 DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MAR MEDITERRANEO MEDIA ANNI Potenza [kw/m] Pmax=15 kw/m

46 DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MAR MEDITERRANEO [kw/m] Aprile [kw/m] Dicembre

47 PERSISTENZA DELLA POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MAR MEDITERRANEO Variabilità = Dev. Standard/Media

48 DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA Potenza [kw/m] Pmax=4.2 kw/m

49 DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA

50 DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA

51 INFRASTRUTTURE, CENTRI URBANI, INDUSTRIE GALLEGGIANTI ALIMENTATE DA FONTI RINNOVABILI MARINE PROPOSTA

52 INFRASTRUTTURE, CENTRI URBANI, INDUSTRIE GALLEGGIANTI ALIMENTATE DA FONTI RINNOVABILI MARINE PROTOTIPO

53 INFRASTRUTTURE, CENTRI URBANI, INDUSTRIE GALLEGGIANTI ALIMENTATE DA FONTI RINNOVABILI MARINE IN ESERCIZIO

54 PARAMETRI DI PROGETTO MEAN POWER YEAR 2011 (kw/m) NORTH-WESTERN SARDINIA Water depth:-50m Mean Wave Power 11: 8kW/m Design Wave Parameters within the presumed OWC operational range: 1<H m0 <4m 6<T e <9s

55 PROPOSTA DI VERY LARGE FLOATING STRUCTURE CON DISPOSITIVI OWC In order to: share the manufacturing costs operate as ANTI- MOTION devices protect from the wave loads extract the wave energy The OWCs are arranged all around the VLFS making the whole system WAVE DIRECTION- INDEPENDENT

MULTI-MODULE TYPE CONSTRUCTION METHOD easy construction possible

56 PARAMETRI DI PROGETTO CONCRETE MATERIAL low cost suitable in the marine environment easy manufacturing and transporting MULTI-MODULE TYPE CONSTRUCTION METHOD easy construction possible future enlargement SIZING Feasible in the existing Mediterranean dockyards

57 PRINCIPALI PROBLEMI HYDROELASTIC BEHAVIOR INCIDENT WAVES The assessment of the ANTI-MOTION FUNCTION of the OWC is important because: Efficient incident wave ABSORPTION OPTIMIZED wave-to-pneumatic conversion System STABILITY + Wave Energy EXTRACTION

Transducers Surface gauges Video analysis ASSESSED PARAMETER OWC Efficiency Chamber

58 PRINCIPALI PROBLEMI MEASURE Outgoing air velocity Pressure at the top of the chamber Water column surface oscillation INSTRUMENT Hot wire anemometer Pressure Transducers Surface gauges Video analysis ASSESSED PARAMETER OWC Efficiency Chamber transfer function VLFS surface oscillation Ultrasonic Distance Sensors Hydroelastic response

59 PHYSICAL MODEL: PARAMETRIC STUDY FIXED OWC DESIGN PARAMETERS: Air turbine placement Freeboard: Fc Capture width: W Frontal wall slope: β Back wall length: B OWC DESIGN PARAMETERS TO BE OPTIMIZED: Length of the chamber: Ld Lip draught: D Turbine damping: Td

60 ATTIVITÀ SPERIMENTALE

61 ATTIVITÀ SPERIMENTALE

62 ATTIVITÀ SPERIMENTALE

63 ATTIVITÀ SPERIMENTALE

64 FINE GRAZIE PER L ATTENZIONE Lorenzo Cappietti lorenzo.cappietti@unifi.it Laboratorio di Ingegneria Marittima

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