Energia dal mare Ocean Energy Conversion OEC … Energy Conversion… · 1 Energia dal mare Ocean...
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1
Energia dal mare
Ocean Energy Conversion OEC
Technologies
Alessandro Corsini
La Sapienza, Università di Roma
e.mail: [email protected]
Gruppo SEA@Sapienza
Indice della lezione (i)
• 1. Energia dal mare, ocean powerLe fonti energetiche in ambiente marino: definizioni e classificazioni
Energia dal moto ondoso:
Aspetti generali del suo sfruttamento
Analisi del potenziale, dati Ww e dati per l’area mediterranea
• 2. Tecnologie mare-motrici per Wave Energy ConversionCenni storici
Classificazione delle tecnologie On-, Off- e near-shore:
Principio di funzionamento
Tipologie impiantistiche e prestazioni
Tecnologie “on-shore”: Oscillating Water Column (OWC)
Principio di funzionamento
Tipologie impiantistiche e prestazioni
I componenti
Gli impianti pilota
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Indice
2
Indice
Indice della lezione (ii)
• 3. Impatto ambientale delle tecnologie mare-motrici
• 4. Analisi economicaAnalisi dei costi
Il mercato delle tecnologie mare-motrici, stato dell’arte
Le barriere di mercato
• 5. OWC applicazione ad un’isola minore del MediterraneoModello time-dependent
Simulazione delle prestazioni
• 6. Riferimenti bibliografici e www
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dal mare, origine e classificazione (i)1. Energia dal mare
Formazione degli
elementi
fusione
reazioninucleari
fissione
isotopi radioattivi
CampoGravitazionalesole-terra-luna
maree
gradiente termico terrestre
Caloreendogeno
calore da attività vulcanica (soffioni, etc.)
Formazionedel sistema
solare
Energia di rivoluzione della terra
Radiazionesolare
irraggiamento utilizzato direttamente
gradiente termico degli oceani e di salinità dei mari
effetti termicidello
irraggiamento
evaporazione e condensazione
di acqua
effetti meccanicidelloirraggiamento
vento (sorg. eolica)
correnti e onde marine
effetti biologicidello
irraggiamento
combustibili solidi,liquidi e aeriformi
fotosintesi marina
Fonti primarie
Sorgenti Tipo di energia utile ottenibile
E.M.
E.T.
E.M.
E.T. (E.E.)
E.M.
E.T.
E.M.
E.T. (E.E.)
E.T. (E.E.)
E.T. (E.E.)
da C. Caputo, Gli impianti convertitori di energia, Mason, 1997
Legenda: E.E. - Energia elettricaE.M. - Energia meccanicaE.T. - Energia termica
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
3
Energia dal mare, origine e classificazione (ii)
interazione con il sole
Interazione con il
moto della luna
from Bloss and Kappelmeyer “Survey of Energy Sources”, 1980
29,7% 45,8%
0,003%
0,2%
0,023%
0,001%
0,002%
0,018%
0,004%
22,9%
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
En. “potenziale” termica
En. “potenziale” meccanica
Energia elettrica
cinetica potenziale
maree
correnti
sottomarine
moto
ondoso
maree
moto ondosogradiente
termico
conversione en. meccanica
processo di conversione diretto
(e.g. simile idro-elettrico), elevate
eff. di conversione è determinata
dalla tecnologia
conversione en. termica
bassa qualità entalpica
dell’accumulo di calore sensibile
nelle masse d’acqua,
limite di Carnot per il passaggio
termo-meccanico
interazione con rete di potenza
discontinuità della disponibilità
della fonte energetica, i.e.
condizioni meteo, cicli stagionali,
cicli di rivoluzione planetari
sistemi di accumulo di energia da RES
En. Meccanica
Energia dal mare, origine e classificazione (iii)
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
4
Energia dal mare
En. “potenziale” termica
En. “potenziale” meccanica
Energia elettrica
cinetica potenziale
maree
correnti
sottomarine
moto
ondoso
maree
moto ondosogradiente
termico
En. Meccanica
Descrizione delle tecnologie mare-motrici per fonte primaria
Energia dalle maree
Energia dalle correnti sottomarine
Energia dal gradiente termico oceanico
Energia dal moto ondoso
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Maree 300 TWh/anno
Onde 80.000 TWh/anno
Correnti 800 TWh/anno
Gradiente termico 10.000 TWh/anno
Gradiente salino 2.000 TWh/anno
Forma di energia
marina
Stima della risorsa
globale
Produzione elettrica globale attuale
17.400 TWh/anno
Fonti: Policy Report, IEA-OES, 2006
IEA Statistics for 2004
1. Energia dal mare
Energia dalle maree (i)Lunar power
Struben, A. M. A., Tidal Power. London: Sir Isaac Pitman & Sons, Ltd., 1921.
La sorgente di energia è prodotta dal moto di rivoluzione della Luna
l’attrazione gravitazionale provoca il periodico
sollevamento delle masse d’acqua terrestri e, per
questo tramite, l’accumulo di energia in forma potenziale (sollevamento) ovvero la creazione di correnti di marea
Due modalità di conversione energia dalle maree
Energia cinetica delle correnti indotte dalle maree
Energia potenziale generata dal dislivello
La conversione di energia dalle maree è caratterizzata da cicli di conversione prevedibili
Il sistema di conversione è operativo in intervalli di 6 – 12 h, con periodo di 24 h
La differenza tra periodo di rivoluzione lunare e quello terrestre comporta un leggero sfasamento tra la
disponibilità (maree) e la domanda di potenza dalla rete bacini di accumulo
L’efficienza di conversione è legata all’altezza delle maree, e.g. 10 m – 17 m in ragione del sito
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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Energia dalle maree (ii)
Componenti
sbarramenti (infrastrutture navali, banchine, chiuse), turbine idrauliche (tipo Kaplan
a basso carico idraulico e calettamento palare variabile),bacini di accumulo
Modalità di funzionamento
Fase a) alta marea: chiuse aperte, riempimento
del bacino con turbine in free-wheeling
Fase b) bassa marea: bacino pieno, generazione
di potenza
Possibilità di generazione bi-direzionale di potenza, efficienza ridotta per il de-rating di
prestazioni delle turbine
Possibilità di regolazione e modulazione potenza
negli impianti a bacino (e.g. come per generazione
idro-elettrica)
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dalle maree (iii)
Paese Località Altezza media delle maree (m)
Area del bacino (km
2)
Potenza installata (MW)
Potenza specifica (MW/km
2)
Argentina San Jose 5.9 - 6800 -
Canada Cobequid 12.4 240 5338 22.2
Cumberland 10.9 90 1400 15.6
Shepody 10.0 115 1800 15.6
United States Knik Arm 7.5 - 2900 -
Turnagain Arm 7.5 - 6500 -
India Kutch 5.3 170 900 5.3
Cambay 6.8 1970 7000 3.6
Korea Garolim 4.7 100 480 4.8
United Kingdom Severn 7.0 520 8640 16.6
Mersey 6.5 61 700 114.7
Wyre 6.0 5.8 47 8.1
Conwy 5.2 5.5 33 6
France Mont Saint Michel 8.4 610 9700 15.9
La Rance 8.4 22 349 15.9
Arguenon 8.4 28 446 15.9
Russia Mezen 9.1 2300 15000 6.5
Penzhinskaya Bay 6.0 - 50000 -
Australia Secure Bay 10.9 - - -
Mexico Rio Colorado 6-7 - - -
United States Passamaquoddy Bay 5.5 - - -
impianti di potenza di
taglia elevata
costi in conto capitale molto elevati
bassi costi di esercizio
elevato impatto ambientale prodotto
dalle infrastrutture di
intercettazione
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
6
Energia dalle correnti sottomarine (i)Generalità
L’energia delle correnti sottomarine, ad oggi inesplorata, è caratterizzata da un elevato potenziale, e.g. in Europa circa 75 GW
l’energia delle correnti è del tipo “non a barriera”, al contrario di quella ottenuta
sfruttando l’innalzamento e l’abbassamento delle
maree
riduzione dei costi e dell’impatto ambientale
connesso con le infrastrutture di centrale negli
impianti per le maree
Le turbine per lo sfruttamento delle correnti marine, in configurazione non intubata, sono (come per le tecnologie eoliche) ad asse orizzontale o ad asse verticale
turbine ad asse orizzontale adatte alle correnti marine costanti, quelle presenti in
Mediterraneo o nel canale della Manica
turbine ad asse verticale adatte alle correnti di marea caratterizzate da inversioni di moto
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dalle correnti sottomarine (ii)Valutazione del potenziale
Valutazione del potenziale specifico: 3 kW per m2 di area spazzata per una corrente di acqua alla velocità di 3 m/s (i.e 11 Km/h)e.g. per un aeromotore 3kW per m2 di area si ottengono
per correnti d’aria alla velocità di 28 m/s (i.e. 101 Km/h)
Sfruttamento economicamente conveniente per correnti di velocità compresa tra 2.25e 2.5 m/s con fondali di profondità compresa tra 20 m e 30 m
per ottimizzare lo strato limite della corrente
e gli effetti di bordo esercitati dal fondale e
dalla superficie di separazione
La mappa mostra gli “hot spots” per lo sfruttamento delle correnti sottomarine nel
Regno Unito e nel nord della Francia
Per impianti sperimentali con turbine ad asse orizzontale, centrale di Hammerfest in Norvegia e a Lynmouth in UK, il COE è pari a 4 €cents/kWh
si calcola di raggiungere costi ancora più
competitivi nelle configurazioni di impianto a
rotori multipli (i.e. sea turbine farm)
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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Energia dalle correnti sottomarine (iii)Progetti ed impianti
UK: progetto della Marine Current Turbines Ltd
Seaflow:1999 progetto, rotore ad asse orizzontale, 11m diametro, 300 kWinstallato nel 2003 al largo di Lynmouth, Devon
impiego stand-alone, e.g. carico di dump
Seagen:2007 progetto, rotore doppio ad asse orizzontale, 1 MWimpiego grid-connected
Seagen array:2007 progetto, 10 twin-rotors ad
asse orizzontale,
10 MW
concetto di sea turbines farm,
impiego grid-connected
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dalle correnti sottomarine (iii)Curiosità
La Corrente del Golfo presenta nello stretto della Florida una portata di circa 30 milioni di m3/s (50 volte la portata di tutti i fiumi del mondo).
Potenza valutata: 25 GW.
Potenza prelevabile: 1 GW per evitare cambiamenti delle condizioni climatiche.
Stretto di Messina: correnti con velocità di 1,5 m/s.
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (i)
Principio di funzionamento
L'energia solare assorbita dalla superficie del mare in forma termica, crea una differenza di temperatura fra le acque superficiali, che possono raggiungere i 25 - 28 °C, e quelle in profondità, e.g. a 600 m alla temperatura di 6-7 °C.
Il primo riferimento documentale all’uso energetico del gradiente termico del mare appare nel 1870 in “Ventimila leghe sotto i mari”, di Jules Verne
L’energia termica delle acque superficiali può essere impiegata quale sorgente calda o superiore per l’alimentazione di un ciclo Rankine a vapore (e.g. con fluidi motori quali acqua, ammoniaca o fluoro), mentre l’energia termica a bassa temperatura delle acqua profonde costituisce la sorgente fredda per la condensazione
Una differenza di 20 gradi centigradi basta a garantire la produzione di una quantità di energia economicamente sfruttabile
Attualmente realizzati impianti di potenza massima pari a 250 KW, ma si pensa di poter arrivare a 2 MW pur con costi d’impianto molto alti
La prima centrale per la conversione dell'energia termica degli oceani (OTEC) è attiva dal 1979 al
largo delle isole Hawaii
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (ii)Potenziale della risorsa
risorsa OTEC:acque equatoriali nella fascia 10°S – 10°N, temperatura superficiale 22°C – 24°C
costa orientale dell’Africa caratterizzata da temperature di fondo più elevate
acque equatoriali nella fascia 20°S - 10°S e 10°N – 20°N, temperatura superficiale 20°C – 22°C
costa occidentale del Sud-America zona particolarmente fredda
98 nazioni interessate dall’accesso a risorse termiche OTEC economicamente sfruttabili(i.e. 20°C di gradiente di temperatura entro 200 miglia dalla costa)
stima mondiale indica potenza di 577 GW fonte: US Dept of State, 1981
1. Energia dal mare Master Ridef
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (iii)Cicli motori
OTEC a ciclo aperto
OTEC a ciclo chiuso
Closed Cycle OTEC, CC-OTEC
D’Arsonval, 1881, cicli a vapore ad ammoniaca
richiede acqua di condensazione a profondità comprese tra 800 m e
1000 m
Vacuum pump
Open Cycle OTEC, OC-OTEC
Claude, 1921, cicli aperti a vapor d’acqua
il calore sensibile alimenta un
processo di evaporazione a flash
la condensa è impiegabile come
acqua dissalata, rappresenta un
sotto-prodotto utile
De-salinated water
1. Energia dal mare Master Ridef
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (iv)efficienze di conversione e prestazioni
efficienza di conversione, 24°C hot – 4°C cold
ciclo ideale 8%, ciclo reale 3% - 4%
consumo specifico di acqua
evaporatore 4 m3/s, condensatore 2 m3/s (ratio 2:1) per MW
perdite per pompaggio
tra il 20% e il 30%, per velocità media di 2 m/s
e.g. 100 MW:
400 m3/s acqua calda, D 16 m, profondità 20 m
200 m3/s acqua fredda, D 11 m, profondità 1000 m
de-rating prestazionale
output di potenza si riduce di circa 900 kW per 1°C di
riduzione della sorgente calda, i.e. sorgente fredda a T costante
Vacuum pump
De-salinated
water
taglia limite per cicli CC-OTEC, 100 MW, imposta dalle tubazioni dell’acqua di raffreddamento
taglia limite per cicli OC-OTEC, 2.5 MW, imposta dalla bassa pressione di vaporizzazione
1. Energia dal mare Master Ridef
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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A Corsini, Milano 27 febbraio 2006
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (v)Schemi impiantistici
Gli impianti OTEC possono operare in configurazione: land-based (o "inshore"), near-shore, o offshore (su battelli flottanti).
Impianti CC-OTEC:
Hawaii, USA, entrata in esercizio 1979
50 kW potenza lorda, 18 kW potenza netta
rendimento organico 0,36
impianto dimostrativo, di tipo land-based
Impianti OC-OTEC:
Hawaii, USA, periodo di esercizio 1993-1998
gradiente termico OTEC 26°C – 6°C
255 kW potenza lorda, 103 kW potenza netta, 0.4 l/s di acqua
dissalata
rendimento organico 0,40
impianto dimostrativo, di tipo land-based
Impianti ibridi CC&OC OTEC:
CC-OTEC produzione potenza e OC-OTEC produzione acqua
pre-commercial floating, gradiente termico OTEC 26°C – 6°C
7.9 MW potenza lorda, 5.2 MW netta, 2.3 103 m3/g acqua
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (vi)
Analisi dei costi economico-ambientaliVega L.A., Marine Soc. Jour., 6-4, 2003, pp. 25-35
tecnologie OTEC capital-intensive, limiti di convenienza economica devono considerare
gli eventuali prodotti-multipli o mercati di nicchia come i sistemi di potenza non elettro-connessi
tecnologie OTEC impatti ambientali
consumo di acqua, per 100 MW pari alla portata del fiume Colorado
per 60 GW 361.000 m3/s
alterazione del gradiente termico, conseguente alla sottrazione e
restituzione delle portate di evaporazione e condensazione
TG 700 - 900
IMV 800 - 1000
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (vii)
Progetto Energy Island (UK)
Corriere della Sera, 9 Gennaio 2008 Università di Southampton
4 Energy Island:
•1000 MW
= 1 piccola centrale nucleare
Piattaforma:
Lato 300 m
Area 234000 m2
Potenza nominale 250 MW
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (viii)
Progetto Energy Island (UK)
500 m
2 MW/100 m
10 MWe
15 kW/m
600 m
9 MWp
3 MWe
6 MW idraulici
22 ha
0,9 kW/m2
54 MWp
13,5 MWe
20,25 MWt
CEA: Controlled Environment Agricolture
6 aerogeneratori
3 MWp/aerogeneratore
18 MWp
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
12
La sorgente di energia da sfruttare si presenta in formameccanica potenziale e cinetica delle onde
Interesse nello sviluppo di un settore energetico wave power è legato
fattori di tipo energetico: energia dal moto ondoso è caratterizzata da un’elevata densità energetica (tra le più elevate nel settore delle RES)
fattori di tipo ambientale: Protocollo di Kyoto e l’insieme di politiche dedicate al
controllo dei cambiamenti climatici
fattori di tipo economico: il livello attuale e le previsioni di crescita del costo del barile
di petrolio unite all’importanza strategica del petrolio e dei suoi derivati
programmi EU di R&S nel settore del wave power a partire dal 1986 con il 4thFP
confermano la leadership europea (atlantica) nel settore
Italia, sviluppo di soluzioni prototipali (URLS) e studi di integrazione in SAPS in isole
minori del Mediterraneo (Corsini et al., 2005 e 2006)
Energia dal moto ondoso (i)
Introduzione
L’idea di convertire l’energia potenziale e cinetica delle onde in energia meccanica-elettrica è relativamente antica (primo brevetto 1799, Girard & Son, France)
il numero di tecnologie energetiche wave-powered tra il 1855 ed il 1973 conta 340
dispositivi (tra progetti, prototipi di laboratorio e dispositivi pre-industriali)
carattere peculiare è lo sviluppo di soluzioni energetiche innovative e non derivate
da altri settori
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dal moto ondoso (ii)
Caratteristiche di interesse del moto ondoso
L’energia del moto ondoso deriva dall’effetto del vento sulla superficie libera del mare. Le onde che si generano sono:
onde capillari, increspature generate dall’attrito tra vento e superficie dell’acqua, provocando un moto circolatorio delle particelle superficiali;
onde di gravità, generate dalla pressione esercitata dal vento, provocando un moto oscillatorio.
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Altezza, intesa come distanza secondo la verticale tra la cresta e il ventre, cioè tra la parte più alta e più bassa dell'onda
Periodo, intervallo di tempo compreso fra due passaggi consecutivi di una cresta per lo stesso punto fisso
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Il meccanismo di trasferimento di energia tra vento e mare è efficace e garantisce una
naturale concentrazione di energia meccanica sulla superficie dell’acqua
una volta create le onde viaggiano su lunghe distanze con basse
perdite
e.g. le onde create dai venti prevalenti atlantici (Alisei) alimentano
naturalmente il versante europeo
La potenza delle onde è proporzionale al quadrato della loro ampiezza o altezza Hw
per il loro periodo caratteristico Tw
e.g. per onde di: periodo lungo ∼ 7 – 10 s
ampiezza media ∼ 2 m
in prossimità della costa tale valore di potenza è attenuato dalla presenza del
fondale
tale effetto dissipativo può essere compensato da fenomeni naturali legati alla
rifrazione e/o riflessione dei fronti d’onda creando concentrazioni di energia
(e.g. hot spots)
Energia dal moto ondoso (iii)
Formazione delle onde
potenza per unità di
lunghezza del fronte d’onda40 – 70 kW/m
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Energia dal moto ondoso (iv)
Il potenziale della risorsa
WEC nel 1996 ha stimato un potenziale energetico mondiale pari a 2.000 TWh/yr
circa il 10% domanda energetica
mondiale al 2002
potenza specifica onde kW/m in acque profonde
Source: based on Claesson, (1987)
frequenza annuale onde Hw > 5 m
WEC: World Energy Council
1. Energia dal mare
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
zona di influenza degli Alisei
zona di influenza delle tempeste polari
14
Energia dal moto ondoso (v)
Il potenziale della risorsa
Source: based on Claesson, (1987)
Ogni sito con potenza specifica di 15 kW/m è oggi
teoricamente sfruttabile in modo
economicamente conveniente
Effetto della profondità delle acque sulla
potenza e la producibilità energetica
RARW
0.125
0.222
0.194
0.006
0.142
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (vi)
Livello di potenza delle onde su base-annuale
Area atlantica e Mare del Nord
25 kW/m, isole Canarie
75 kW/m, largo dell’Irlanda e della Scozia
30kW/m, largo della Norvegia
21 kW/m, mare del Nord
Potenza totale in acque profonde 290 GW
Bacino del Mediterraneo
4 – 11 kW/m, Mar Egeo
Potenza totale in acque profonde 30 GW
EU potenza complessiva 320 GW
potenza specifica onde kW/m in acque profonde
Il potenziale della risorsa, EU
e.g. UK
potenziale energetico da wave-energy disponibile al 2003 stimato in 840 TWh/anno, 260% domanda
potenziale energetico tecnologicamente ed economicamente sfruttabile pari al 15% - 25% domanda
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
1. Energia dal mare
15
Energia dal moto ondoso (vii)
Il potenziale della risorsa, Italia (i)rete ondametrica nazionale, APAT serv. Idromare
0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12mesi
liv
ello
me
dio
di p
ote
nza
(k
W/m
)
1999 2000 2001
2002 2003
potenza max circa 12 kW/m
potenza media invernale 8 kW/m,
periodo ott. – febbr.
potenza min 2kW/m
surplus di energia RES è marcatamente stagionale
soluzioni per l’accumulo o il buffering stagionale dell’energia convertita
necessaria una potenza “rotante” di tipo convenzionale per coprire i vuoti di potenza rinnovabile
Boa APAT di Ponza, dati dal 1999 al 2003
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
1. Energia dal mare
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo
G. Sannino ENEA REM Ravenna 2012
16
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo
G. Sannino ENEA
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo
G. Sannino ENEA REM Ravenna 2012
17
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo, modelli di climatologia marina
G. Sannino ENEA
Energia dal moto ondoso (viii)
Il potenziale della risorsa, Italia (ii)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Altezza significativa spettrale del moto ondoso (m)
Ponza
Monopoli
Ancona
1. Energia dal mare
18
Energia dal moto ondoso (viii)
Il potenziale della risorsa, Italia (iii)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Ponza
Monopoli
Ancona
Altezza significativa spettrale del moto ondoso (m)
Particolare della stagione invernale
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (ix)
Il potenziale della risorsa, Italia (iv)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Periodo di picco (s)
Ponza
Monopoli
Ancona
1. Energia dal mare
19
Energia dal moto ondoso (viii)
Il potenziale della risorsa, Italia (v)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Ponza
Monopoli
Ancona
Periodo di picco (s)
Particolare della stagione invernale
1. Energia dal mare
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Hs [m] 0.9 0.9 0.6 0.9 0.6 0.4 0.7 0.8 0.7 0.6 0.6 1
Tp [s] 7.3 4.8 5.7 5.7 5.1 4.5 5.3 5.4 5.5 4.8 5.1 5.9
Tm [s] 4.1 3.5 4 4 3.8 4.1 4.5 4.7 4.1 4.3 4.5 4.6
Boa: Datawell directional wavec MKIPosizione: 40°52’0.1”N 12°56’60.0”EProfondità Mare: 100 m
Valori tipici onde Oceano Atlantico
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Hs (m) 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.9 3.4 4.0 4.5
Ts (s) 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0
Z (%) 0.250 0.200 0.177 0.145 0.100 0.070 0.045 0.007 0.006
Valori tipici onde Mar Tirreno
A.F. de O. Falcão R.J.A.Rodriguez Stochastic modelling of OWC wave power plant performance Applied Ocean Research 2002 pp.59-71
Corsini A. et al Space-Time Mapping Of Wave Energy Conversion Potential In Mediterranean Sea States ASME-ATI-
UIT 2010
Condizioni meteo-marine
FMGroup @ DIMA-Sapienza
20
Tecnologie mare-motrici per il moto ondoso (i)
Generalità e classificazione
Energia del moto ondoso in forma potenziale (e.g. gravitazionale) e cinetica
energia cinetica, posseduta dall’acqua nel suo movimento circolare: le particelle fluide si
muovono descrivendo traiettorie circolari con diametro pari all’altezza dell’onda;
energia potenziale, che l’acqua acquista quando è elevata sul livello del mare (e.g. come
negli impianti idroelettrici).
Le tecnologie di conversione possono essere suddivise in tre categorie sulla base della distanza del sito d’installazione dalla costa:
off-shore devices: sono essenzialmente corpi oscillanti o flottanti posti in mare
aperto
shoreline devices: si tratta di strutture fisse costruite direttamente sulla costa
near-shore devices: sono dispositivi in genere galleggianti posti in diretta prossimità
della costa
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici per il moto ondoso (ii)
Generalità e classificazione
• On-shore:
strutture di facile manutenzione e installazione, non richiedendo
lunghi cablaggi o particolari strutture di ancoraggio, hanno
maggiore robustezza, semplicità e sono più economiche. (es.
OWC, Tapchan, Pendulor)
• Near-shore:
soluzioni intermedie tra le on-shore e le off-shore, nate con l’intento
di conciliare i pregi di entrambe. (es. OSPREY)
• Off-shore:
sfruttano acque più profonde e quindi potenze più elevate (per
profondità >40 m non interviene, se non marginalmente, l'effetto
dissipativo del fondale). A parità di potenze installate impianti più
compatti e con maggiori prestazioni.
2. Tecnologie mare-motrici
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
21
Tecnologie mare-motrici per il moto ondoso (iii)
Peculiarità progettuali dei dispositivi
1. Irregolarità delle onde incidenti per ampiezza, fase e direzione: è difficile ottenere la massima efficienza per un dispositivo sull’intero intervallo delle frequenze eccitate
2. Struttura, i carichi che si verificano in condizioni meteo estreme possono essere in alcuni casi anche 100 volte maggiori di quelli medi previsti nella progettazione
3. Accoppiamento tra il movimento lento (≈ 0.1 Hz) delle onde con il più veloce generatore elettrico (frequenze ≈ 500 volte più grande)
Principali difficoltà nella realizzazione di dispositivi di conversione dell’energia da moto ondoso
L’insieme dei problemi individuati determina l’attuale indirizzo progettuale orientato verso le seguenti potenze:
dispositivi di potenza media 1.5 – 2 MW nominali
moduli di mini-generazione di taglia 5 – 20 kW nominali, ev. impiego in power arrays
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici off-shore
Introduzione
� Archimedes Wave Swing
� Floating wave power vessel
� Pelamis
� Wave Dragon
� Salter Duck
Questa classe di convertitori opera sui regimi d’onda di maggiore potenza (e.g. acque con profondità superiore a 40 m)
Tipologie di WECs
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
22
Tecnologie mare-motrici off-shore
Archimedes Wave Swing (i)
Progettato dalla Teamwork Technology BV (Paesi Bassi)
STRUTTURA:
Consiste in una struttura cava e sommersa, la cui parte superiore è
libera di muoversi verticalmente rispetto a quella inferiore che invece è
fissata al fondale.
FUNZIONAMENTO:
Il movimento è causato dal periodico cambiamento di pressione
idrostatica dovuto alle onde. Conversione potenza meccanica in
potenza elettrica attraverso un generatore.
VANTAGGI:Rimane completamente sommerso:
• non si risente delle grandi sollecitazioni dovute alle tempeste
• l’impatto visivo è praticamente nullo
SVANTAGGI:Presenza di parti mobili. Affidabilità e costi.
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2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici off-shore
Archimedes Wave Swing (ii)
2002 progetto definitivo sistema da 2 MW di potenza nominale
Impianto pilota a scala reale testato nel 2004 al largo della
costa portogheseGruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
23
Tecnologie mare-motrici off-shore
Floating Wave Power VesselProgettato dalla Sea Power International (Svezia)
STRUTTURA:
Dispositivo di superficie costituito da un bacino di raccolta
acque galleggiante e da vasche di zavorra
FUNZIONAMENTO:
L’onda incidente viene raccolta dal bacino e il sistema di
conversione sfrutta principalmente il contenuto di energia
potenziale per caduta
VANTAGGI:Dotato di un sistema di ancoraggio mobile, che ne
permette l’orientamento in ragione della direzione del
moto ondoso
1980 impianto pilota in prossimità di Stoccolma
2002 sistema da 1.5 MW di potenza nominale, 50 m profondità, 500 km offshore UK
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici off-shore
Pelamis (i)Sviluppato da Ocean Power Delivery Ltd, UK
STRUTTURA:struttura semisommersa composta da corpi cilindrici
articolati, liberi di ruotare tra loro e che ha una produzione
di potenza idraulica sfruttabile per acque con profondità
superiori ai 20 m.
FUNZIONAMENTO:Sfrutta l’ampiezza delle onde.
Le onde inducono il movimento dei giunti attivando degli
arieti idraulici che pompano olio ad alta pressione ai motori
idraulici i quali a loro volta azionano generatori elettrici.
VANTAGGI:
Più dispositivi connessi tra loro e legati alla riva attraverso un
singolo cavo sottomarino
La forma particolare a “serpentone” offre una sezione più
piccola resistente all’onda incidente, riducendo le
sollecitazioni.
SVANTAGGI:
Pericoloso per la navigazione e forte impatto visivo.
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
24
Tecnologie mare-motrici off-shore
Pelamis (ii)Sviluppato da Ocean Power Delivery Ltd, UK
Prototipi installati su fondali di 20 m
Progetto definitivo prevede l’installazione su fondali di 50-100 m
Commercializzazione del dispositivo di conversioneprevede l’installazione di dispositivi in serie:
fino a 39 Pelamis
potenza nominale 750 kW
regioni fino a 50 kW/m del fronte d’onda
impianto pilota 130 m lunghezza da 0,375 MW di potenza nominale
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici off-shore
Wave dragonSTRUTTURA:
dispositivo galleggiante rialzato sul livello del mare, over-topping.
Consiste in due deflettori per focalizzare le onde su di una rampa
corta e ripida tale da elevare l’altezza delle onde in modo da farle
riversare nell’adiacente bacino rialzato.
FUNZIONAMENTO:
l’energia delle onde viene immagazzinata come energia
potenziale dall’acqua contenuta nel serbatoio, quindi sfruttata per
produrre potenza elettrica con turbine idrauliche (di tipo Kaplan)
VANTAGGI:
non presenta parti mobili a parte le turbine: la struttura resiste
meglio alle forti mareggiate. Inoltre presenta elevati rendimenti.
SVANTAGGI:
Difficoltà di ancoraggio e costi.
prototipo largo 57 m in scala 1:4.5, corrispondentead un impianto di 4 MW scale 1:1, dal 2002 in servizio in Danimarca.
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
25
Tecnologie mare-motrici off-shore
Salter duckProgettato da S. Salter, Univ. di Edimburgo, 1974
STRUTTURA:
sistema modulare costituito da più elementi uguali (camme)
montate su di un albero rigido e sostenute su di uno zatterone
disposto sulla superficie del mare perpendicolarmente alla
direzione delle onde prevalenti
FUNZIONAMENTO:
ogni camma possiede un profilo tale che oscillando angolarmente
intorno all’asse geometrico dell’albero assorbe l’onda incidente
lasciando calmo lo specchio d’acqua retrostante. Questo
movimento aziona un motore idraulico per produrre elettricità.
VANTAGGI:
converte sia l’energia cinetica che potenziale delle onde, con
efficienza di assorbimento prossima al 90%
SVANTAGGI:
la dimensione della camma deve essere comparabile
con l’altezza d’onda (sistema ingombrante e costoso).
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
Introduzione
� TAPCHAN
� Pendulor
� Oscillating Water Column OWC
Questa classe di convertitori è installata sulla costa, o integrate in opere civili lungo la linea di costa.
Riduzione dei costi di manutenzione ed esercizio (e.g. assenza di elettrodotti sottomarini, e sistemi di ancoraggio), riduzione del contenuto energetico del moto ondoso (e.g. da 3-8 volte)
Tipologie di WECs
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2. Tecnologie mare-motrici
26
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
TAPCHAN (i)WEC di tipo over-topping sviluppato da Norwave SA
TAPCHAN da Tapered Channel
STRUTTURA:
è composto da un canale che si ristringe gradualmente in
direzione del serbatoio
Le onde entrano dal lato più largo del canale e si propagano
all'interno di esso verso il restringimento subendo
un'amplificazione in ampiezza finché non si rovesciano
all’interno del serbatoio che è rialzato sopra il livello del mare
L’altezza dei muri del canale è
pari al livello di riempimento
del bacino, e.g 3 – 7 m
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
TAPCHAN (ii)WEC di tipo over-topping sviluppato da Norwave SA
TAPCHAN da Tapered Channel
FUNZIONAMENTO:
l’energia cinetica delle onde è convertita in energia
potenziale. L'acqua dal serbatoio ritorna a mare dopo essere
passata attraverso una turbina convenzionale (e.g. tipo
Kaplan).
VANTAGGI:
output stabile e continuo grazie alla riserva del serbatoio.
Inoltre, non presentando parti mobili, non necessita di grande
manutenzione
SVANTAGGI:
Richiede appropriate configurazioni della linea di costa e
regimi di marea significativi
Impianto dimostrativo costruito nel 1985 a Toftstallen, Norvegiadanneggiato nel 1991
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
27
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
PendulorSTRUTTURA:
camera del Pendulor a pianta rettangolare aperta ad una
estremità che la pone in collegamento con il mare
FUNZIONAMENTO:
La camera è chiusa sul fronte da una paratia (pendulum) in
grado di oscillare attorno ad un asse orizzontale
l'azione delle onde causa il suo oscillamento che viene usato
per azionare una pompa idraulica e un generatore elettrico
Entrambe le fasi del moto oscillatorio utili ai fini della
conversioneVANTAGGI:
dimensioni contenute
SVANTAGGI:bassa potenza prodotta (pochi kW)
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2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
Oscillating Water Column OWC (i)Sviluppato:
Instituto Tecnico Superior, Lisbona
Wavegen Ltd & Queen’s University, Belfast
STRUTTURA:
Si tratta di un apparato che sfrutta l’energia dell’onda per
comprimere dell’aria all’interno di una camera
processo di conversione di tipo penumatico, con due fasi utili
(e.g compressione – aspirazione)
FUNZIONAMENTO:
L’aria viene fatta fluire attraverso un dispositivo espansore
che permette la produzione di potenza meccanica-elettrica
VANTAGGI:
Si tratta attualmente della soluzione più promettente sia per la
fattibilità tecnica ed economica
Impianti già in servizio, esperienze di integrazione in Sistemi
di Potenza isolati
dispositivo di potenza compresa nel range di 60÷500 kW
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
28
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
Energetech OWC (ii)
Sviluppato Energetech, Australia
STRUTTURA:
Camera ed espansore simili a dispositivi OWC
Dispositivo di collezione ed amplificazione del moto ondoso
con barriera parabolica
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2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici near-shore
OSPREY
Il principale dispositivo per applicazioni near-shore (e.g. acque con profondità inferiore a 20 m) è l’OSPREY, sviluppato dalla Wavegen Ltd
STRUTTURA e FUNZIONAMENTO:
Si tratta di un OWC che prevede la possibilità di
integrazione con una turbina eolica
Sviluppato per l’impiego su fondali sabbiosi
VANTAGGI:
Questo sistema mira a massimizzare la quantità di energia
ottenibile in una zona di mare
SVANTAGGI:
Scarsa affidabilità e costi per l’ancoraggio.
Prototipo OSPREY I fu costruito nel 1996 a Dounray
(Scozia) ma fu distrutto l’anno successivo da una tempesta
OSPREY 2000, struttura in composito, progettato per
fondale da 15 m con potenza nominale di 2 MW
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
29
Tecnologie mare-motrici
Impianti di potenza, stato dell’arte
Al 2003 circa 16 WECs shore-line e near-shore in esercizio
W-wide & EU-wide
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Composizione (i)
camera OWC
Turbina Wells
Valvola di by-pass
Generatore elettrico
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2. Tecnologie mare-motrici
30
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Oscillating Water Column OWC
Composizione (ii)
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Principio di conversione
Onda
Energia meccanica cinetica e
potenziale
Compressione-depressione aria nella camera
Energia pneumatica
Turbina Wells
Energia Meccanica
Alternatore
Energia Elettrica
fase di compressione
fase di aspirazione
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
31
Oscillating Water Column OWC
Turbina Wells (i), condizioni di lavoroTurbina Wells
La turbina è soggetta a condizioni molto più gravose e
difficili rispetto a qualsiasi altra applicazione, incluse le
turbine eoliche
Il flusso d’aria è oscillante in direzioni opposte ed inoltre, con una forte
connotazione stocastica (e.g. variabile nel
tempo su scale dei tempi dai secondi a quelle
stagionali)
Il macchinario è soggetto all’azione corrosiva della
salsedine, per questo il processo di conversione prevede
il passaggio di tipo pneumatico
la variabilità periodica del flusso d’aria tra valori positivi e negativi comporta rendimenti di conversione non ottimali per lo sfruttamento delle fasi di compressione ed aspirazione della
camera
La soluzione a tale problema data la metà degli anni ’70
Turbina Wells sviluppata dal Dr. A. Wells presso la Queen’s University di Belfast, UK
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Turbina Wells (ii), disegno
profilo palare simile a quello di un’ala (i.e.
airfoil)
profilo palare simmetrico rispetto alla linea di
camber della pala
la turbina è detta auto-rettificante perché la sua coppia non è sensibile alla
direzione del flusso d’aria poiché il rotore-generatore ha una rotazione uni-
direzionale
efficienza di conversione è 80% contro 85%-
90% tipico delle turbine idrauliche
margine operativo molto stretto
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
32
Oscillating Water Column OWC
Turbina Wells (iii)
Aspetti negativi
Potenze basse a piccole portate d’aria, i.e. basso contenuto di energia nel moto
ondoso incidente
Forte decadimento delle prestazioni al di sopra del flusso critico oltre il quale la
turbina va in stallo
Dimensioni del rotore abbastanza grandi per la potenza raccolta (2.3 m di
diametro per la turbina da 400 kW dell’impianto di Pico, 2.6 m per l’impianto
Islay II da 500 kW)
Soluzioni progettuali innovative
Guide statoriche, per ridurre le perdite aerodinamiche
Adozione di rotori multipli, riduce il rendimento ma incrementa il margine
operativo
Turbina con pale a geometria variabile
Wavegen Ltd
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Impianti pilota (ii), dati prestazionali
Isola di Islay, shoreline atlantica
Potenza della sorgente, 37 – 45 kW/m direzionale
64 – 67 kW/m totale
Potenza turbina Wells, 420 kW nominali
Energia convertita per anno, 1850 MWh
Ore di esercizio per anno, 4400 h/anno
2. Tecnologie mare-motrici Master Ridef
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
33
Oscillating Water Column OWC
Impianti pilota (i)
• Isola di Islay (Scozia), 500 kW
70 kW/m potenza disponibile
shoreline
• Isola di Pico (Azzorre, Portogallo), 1000 kW
40 kW/m potenza disponibile
shoreline
• Porto di Sakata (Giappone), 200 kW
10 kW/m potenza disponibile
integrazione nell’infrastrutture portuali
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Impianti pilota (ii)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
POSEIDONE consortium
An integrated procedure for the design of a wave energy converter developed for Mediterranean operation
FMGroup @ DMA-SapienzaCRAS Sapienza
34
Altri dispositivi (i)
Sperboy, 2007 UKC Wave system, 2002 UK
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
WEC biomimetic concepts
Bio-wave, 2006 AUS
OYSTERTM system, 2001 UK
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
35
Altri dispositivi (iii)
Pneumatically
Stabilized
Platform (PSP),
1993 UK
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Altri dispositivi (iv)
Mighty whale, 1987
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
36
Altri dispositivi (v)
Seawave Slot cone Generator (SSG),
2005 EU
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Impatto ambientale (i)
Considerazioni generali
Le tecnologie di conversione di energia dal mare sono considerate a basso impatto ambientale, e.g. zero emissioni di GHG durante la generazione di potenza
Aree di maggiore impatto
Ambiente marino, le strutture possono modificare la deposizione di sedimenti
le strutture possono costituire habitat artificiali per popolazioni marine
Rumore, peculiare dei sistemi on-shore principalmente legato alle turbine Wells nei dispositivi
OWC
Ostacoli per la navigazione, peculiare dei sistemi off-shore e near-shore richiede l’installazione di
sistemi di riconoscimento visivi o radar
Impatto visivo, nei sistemi di potenza on-shore e near-shore
Trasmissione di potenza, impatti visivi ed ambientali legati agli elettrodotti
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
3. Impatto ambientale delle tecnologie mare-motrici
37
Impatto ambientale (ii)
Wave Energy Converters
Limite maggiore nella valutazione di impatto ambientale è il ridotto numero di informazioni ed esperienze
In letteratura studi dedicati a WECs, Thorpe, 1992
3. Impatto ambientale delle tecnologie mare-motrici
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Impatto ambientale (ii)
Impatti sul ciclo di vita
Dati indicativi degli impatti legati alle attività correlate
Natural gas, (CO2 kg/TJ) 230.000
PV Si-p, (CO2 kg/TJ) 55.000
Wind, (CO2 kg/TJ) 8.700
Dati ETH 1996
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
3. Impatto ambientale delle tecnologie mare-motrici
38
Sviluppo tecnologico
Gruppo SEA @ Latina-SapienzaFonte: Review and analysis of ocean energy systems development and supporting policies, IEA June 2006
2003 2006
Tecnologie in fase di sviluppo nel 2003 e nel 2006
Progetti di ricerca, sviluppo e dimostrazione in atto al marzo 2006
4. Analisi economica
Sviluppo tecnologico
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Stato generale di sviluppo delle tecnologie marine, 2006
Fonte: Review and analysis of ocean energy systems development and supporting policies, IEA June 2006
UK
4. Analisi economica
39
Analisi economica
Considerazioni generali
Tecnologie WECs in larga maggioranza in fase embrionale o prototipale in similitudine con le esperienze proprie del settore eolico
dispositivi one-off spesso over-engineered
riduzione dei costi impianto & conversione attesa dalla realizzazione di dispositivi large-
scale e dall’incremento dell’affidabilità
componenti
mancanza di standard industriali (i.e. selezione sito, tecnologie e taglie) per determinare
economie di scala
andamento del COE registrato una riduzione del
50% negli ultimi 10 anni
convenienza economica già raggiunta in applicazioni di nicchia quali SAPS di isole non elettro-connesse
COE ancor non competitivo con combustibili fossili,
ma già competitivo con altre RES
scenari di convenienza economica non legati all’introduzione di tecnologie WECs innovative
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
4. Analisi economica
Analisi economica
Analisi per tecnologia (i)
Tecnologie WECs, fattori di costo variabili in termini capitale, installazione, manutenzione ed esercizio
mercato WECs costituito principalmente da dispositivi on-shore e off-shore
on-shore caratterizzati da bassi costi di esercizio e semplicità di connessione e vettoriamento elettrico
off-shore caratterizzati dall’elevate potenze specifiche della sorgente maggiori ratei di riduzione COE
possibilità di usufruire delle tecnologie off-shore sviluppate nel settore idrocarburi
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
4. Analisi economica
40
Analisi economica
Analisi per tecnologia (ii)
Fonte IEA, 2003
on-shore
near-shore
off-shore
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
4. Analisi economica
Analisi economica
Prospezioni di mercato WECs
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
4. Analisi economica
41
Analisi economica
Barriere di mercatoRischio industriale
Tecnologie non mature mancanza di track-record riguardo affidabilità, efficienza,
manutenibilità
criticità ambientali, condizioni severe di esercizio
CostoCOE indicano convenienza economica in mercati di nicchia (e.g. isole)
elemento di successo nel breve termine l’internalizzazione nel COE dei costi ambientali
Regolamentiintegrazioni ed armonizzazione normative necessarie per le fasi di installazione in
configurazioni on-shore e off-shore (i.e. normative nel settore ambientale, elettrico &c)
Industriaad oggi impegno limitato a poche attività industriali SME causa gli elevati costi di sviluppo
necessario alla commercializzazione il coinvolgimento di attori industriali di dimensioni
maggiori (e.g. oil companies (???))
Infrastrutturesiti ottimali per WECs spesso in posizione periferiche rispetto alle reti di trasmissione
necessari interventi di rinforzamento a carico dell’investitore (i.e. approx. 1.5 M€ per MW, UK)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
4. Analisi economica
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Legge finanziaria 2008
Le tariffe sono valide per impianti a fonti rinnovabili di potenza inferiore a 1 MW (o 200 kW per impianti eolici on-shore)
Analisi economica
Incentivi. Situazione italiana al xii/2008
4. Analisi economica
42
OWC applicazione nei mari Tirreno ed Adriatico
Dati meteo-marini
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
h(m) media nel periodo invernale circa 2 m
T(s) medio nel periodo invernale circa 4 s
W(kW) media rispetto al periodo invernale circa 12 kW/m
Portata in volume d’aria per metro di fronte d’onda intorno 1 – 2 (m3/s)
Ponza
Monopoli
Ancona
5. OWC, caso studio
Time [3h]
Pow
er
[kW
]
1000 20000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Time [h]
Po
wer
[kW
]
2000 4000 6000 80000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
5. OWC, caso studio
Time [3h]
Po
we
r[k
W]
1000 20000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
OWC applicazione nei mari Tirreno ed Adriatico
Prestazioni, stima
43
Ponza Ancona Monopoli
Anno di riferimento dati ondametrici 2003 2001 2000
Energia annua MWh/a 41,43 14,90 24,46
Energia primavera/estate MWh/a 9,65 3,30 8,37
Energia autunno/inverno MWh/a 31,79 11,60 16,10
Ore con P>5 kW h 2753 1314 1425
Ore con P<1 kW h 3242 6705 4350
Potenza media kW 4,73 1,70 2,79
Potenza massima kW 48,39 32,19 39,41
Potenza media (mesi invernali) kW 12 8 11,00
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
OWC applicazione nei mari Tirreno ed Adriatico
Prestazioni, stima
5. OWC, caso studio
Consumo:8489 GJ/anno
Picco di potenza:
720 kW
Curva di domanda, anno 2000
Sistema di generazione: motori diesel
Isola di Ventotene, arcipelago ponziano
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Carico delle utenze
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5. OWC, caso studio
44
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Schemi di integrazione OWC & SAPS
1. Singolo OWC nell’isola
2. Integrazione dell’OWC nel
sistema di potenza:
• Accoppiamento con
centrale, impianto
fotovoltaico e sistema
d’accumulo ad H2
• Interventi di risparmio
energetico
• 3 dispositivi OWC in
parallelo
0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12mesi
livello
med
io d
i p
ote
nza (
kW
/m)
1999 2000 2001
2002 2003
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
5. OWC, caso studio
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Prestazioni OWC, potenza e rendimento (ii)
Pmax= 160 kW
En.= 97 MWh/anno
ηηηηMAX = 0,6
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
5. OWC, caso studio
45
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Integrazione OWC con il sistema di potenza (i)
OWC
Impianto fotovoltaico
Sistema d’accumulo ad idrogeno
Centrale a gasolio
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
5. OWC, caso studio
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Integrazione OWC con il sistema di potenza (ii)
Criterio di scelta:
Minimizzazione dei consumi di gasolio
Risultato ottimizzazione:
• Potenza di esercizio motori: 152 kW
• Potenza nominale celle a combustibile: 100 kW
• Potenza nominale elettrolizzatore: 100 kW
• Volume serbatoio: 400 m3
• Livello iniziale idrogeno: 50 %
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
5. OWC, caso studio
46
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Integrazione OWC con il sistema di potenza (iii)
Settimana invernale Settimana estiva
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5. OWC, caso studio
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Integrazione OWC con il sistema di potenza (iv)
Funzionamento del sistema di accumulo:
Il livello di idrogeno Consumo = 372 t/annoConsumo = 372 t/anno
Risparmio = 79 t (-30%)
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5. OWC, caso studio
47
Riferimenti (i)
World-wide & EU-wide
World Energy Council. "Renewable Energy Resources: Opportunities and Constraints 1990-2020", 1993.World Energy Council. "Survey of Energy Resources", 1998.
Commission of the European Communities, DG XVII. "An Assessment of the State of Art, Technical Perspectives and Potential Market for Wave Energy", prepared by ETSU and CCE, 1992.Commission of the European Communities, "The Renewable Energy Study. Prospects for Renewable Energy in the European Community and Eastern Europe up to 2010", DG XVII, 1994.
Falnes, L and Lovseth, J. "Ocean Wave Energy", Energy Policy, vol. 19, No. 8, p. 768-775, 1991.Mollison, D. "Wave Climate and the Wave Power Resource", in Hydrodynamics of Ocean Wave-Energy Utilization, Evans and Falcão (eds), Springer-Verlag, pp. 133-156, 1986.Thorpe, T.W., “A review of Wave Energy”, Vols. 1 and 2, DTI report, ETSU R-72, 1992.
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
6. Riferimenti
Riferimenti (ii)
Web-wide
http://europa.eu.int/comm/energy_transport/atlas/htmlu/wave.html
http://www.iea.org
http://www.worldenergy.org/wec-geis/default.asp
http://www.eere.energy.gov/RE/ocean_wave.html
http://www.wave-energy.net
http://www.energoclub.it
http://www.wave-energy-centre.org
http://www.oceanpd.com
http://www.wavegen.co.uk
http://www.energetech.com.au
http://www.soton.ac.uk
6. Riferimenti
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza