Università Degli Studi Di Bologna Facoltà di Ingegneria Principi di Ingegneria Elettrica

1. Università Degli Studi Di Bologna Facoltà di Ingegneria Principi di Ingegneria Elettrica Professore Francesco Negrini The sea, a new energy source Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

2. Panorama energetico globale • Prospettive del World Energy Outlook per il 2030: • Il fabbisogno energetico globale supererà di quasi il 60% del livello attuale (10^5 TWh oggi) • Rischi crescenti riguardo la sicurezza energetica • Saranno necessari ingenti investimenti per rendere disponibile l’approvvigionamento energetico crescente • I paesi in via di sviluppo contribuiranno ai 2/3 dell’aumento della domanda mondiale di energia • Emissioni di CO2 cresceranno più del 60% Un’azione decisa dei governi potrebbe orientare il mondo verso un percorso energetico molto diverso …. UNO SCENARIO ALTERNATIVO

3. Verso uno sviluppo sostenibile L’UE si impegna a sviluppare una politica energetica sostenibile e sicura Obiettivi per il 2010: 22% dell’energia elettrica consumata proveniente da energia rinnovabile 5,75% del combustibile usato nei trasporti proveniente da bio-combustibile -8% nelle emissioni di gas serra Investimenti dell’UE per oltre 100 milioni €/anno tra il 1995 e il 2004 per la ricerca e lo sviluppo di energie rinnovabili

4. Il Valore del KWh • Valore KWh = valore del servizio reso:  Entità: capacità di effettuare lavoro  uguale per tutti  Qualità: affidabilità di fornitura  diversa a seconda della fonte • In un mercato Ideale libero da vincoli protezionistici: Valore KWh = Prezzo = Costo + Profitto = Costo + Premio per la Qualità Preponderanza del Termoelettrico Per la competitività del KWh Rinnovabile: Valore (KWh rinnovabile) = Valore (KWh Termoelettrico) Uguaglianza dei Premi per la Qualità Uguaglianza dei Costi di produzione

5. Il Valore del KWh: I Costi Evitati Valore del KWh Rinnovabile = Credito di Energia + Credito di Potenza + Credito Ambientale • Spesa evitata per risparmio di combustibile • Nullo, a causa dell’intermittenza della fornitura di potenza, che impedisce un sottodimensionamento della potenza fornita da fonti tradizionali • Benefici derivanti per l’ambiente e per la collettività derivanti da una mancata immissione nell’ambiente di sostanze inquinanti • Ogni KWh rinnovabile evita il rilascio di: • 750 g di CO2 • 4,4 g di SOx • 1,7 g di NOx • 0,13 g di polveri fini

6. Il Valore del KWh: I Costi Evitati • La soluzione problemi ambientali solo quando le rinnovabili saranno su larga scala • All’aumentare di potenza da rinnovabile immessa nella rete cala l’affidabilità • Esiste limite tecnico per l’accettazione di potenza intermittente da parte della rete (max 10-20 %) ESEMPIO: - fattori utilizzo 0,3 eolico e 0,2 solare - caso migliore del 20% - potenza richiesta in Italia 50.000 MW - domanda elettricità pari al 29% del fabbisogno totale di energia Potenza intermittente accettabile 10.000 MW 22 TWh/anno di en. rinnovabile: 7% del fabbisogno di elettricità Rimozione di 16 milioni di ton di CO2 Solo il 2% del bilancio energetico nazionale Necessità di un sistema di accumulo (Vedi H2) che possa ridurre l’intermittenza per un utilizzo su larga scala di fonti rinnovabili

7. …Perchè energia dal mare 1) È pulita 2) È rinnovabile 3) È largamente disponibile 4) È poco o per nulla sfruttata 5) E’ altamente prevedibile 6) Ha alta densità specifica

8. Il Panorama mondiale

9. Mappa Concettuale • Il progetto sviluppa un’analisi delle tecnologie attualmente in fase di sviluppo e prototipazione sotto tre aspetti principali: • 1) Descrizione Tecnologica • 2) Analisi economica • 3) Analisi di Impatto ambientale • Le tecnologie presentate si possono inserire in due macrocategorie: • Tidal Energy conversion Devices • Wave Energy conversion Devices

10. Tidal Energy: Aspetti fisici • Il livello dell’acqua del marevaria in seguito all’azione delle forze gravitazionali esercitate dal sole e dalla luna • Tale forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i corpi secondo la legge di Newton (F = G* m2* m1 / R2) • Ne consegue che il campo gravitazionale esercitato dal sole è pari a un 46% di quello esercitato dalla luna nonostante le differenze di massa • Le particelle d’acqua sono libere di muoversi e reagiscono all’attrazione spostandosi nella direzione della forza risultante Distribuzione delle forze

11. Tidal Energy: Aspetti fisici • Dalla combinazione di effetti dei campi gravitazionali di Sole e Luna hanno origine due tipi di maree: • Neap tide: di minore intensità • Spring tide: di maggiore intensità • Il periodo di questo ciclo spring-neap tide è all’incirca 28 gg cioè passano 14 gg da una spring e una neap tide piena. • Altri fattori di periodicità meno significativi • I movimenti e le configurazioni planetarie sono prevedibili con alta confidenza

12. Tidal Energy: la risorsa • La possibilità di convertire energia dal mare si presenta solo in alcuni siti specifici caratterizzati da particolari condizioi geografiche che influenzano direttamente: • L’altezza della marea • La velocità dell’acqua del mare

13. Tidal Energy: la risorsa • Ne consegue che una piccola parte dell’energia globalmente disponibile risulta economicamente estraibile: • Potenziale Europeo : 105 TWh/anno concentrato prevalentemente in UK(50TWh/anno) e Francia (44 TWh/anno) • Potenziale Mondiale: 500-1000 TWh/anno  3-7% energia totalmente dissipata nelle maree • Le tecnologie di conversione dell’energia dalle maree possono essere classificate in due gruppi: • Tidal Barrage: sistemi a paratoia che sfruttano la differenza di altezza dell’acqua nel caso di alta e bassa marea • Tidal Stream devices: Sistemi che sfruttano l’energia cinetica del flusso d’acqua

14. Tidal Stream Energy Conversion • Questo gruppo di dispositivi produce energia sfruttando le correnti marine generate dall’alternarsi di alte e basse maree • Tali correnti hanno generalmente basse velocità (0,5m/s) ma in casi particolari vengono incanalate e raggiungono velocità anche molto elevate (oltre 3m/s). • Elevatissima prevedibilità dell’energia estraibile • Potenziale globale stimato in 5TW (stesso ordine del consumo di energia mondiale) piccola parte effettivamente sfruttabile. • Potenziale europeo effettivamente estraibile stimato in 48 TWh/anno distribuiti in 106 siti (European Union CEC 1996/98) principalmente in - UK - Irlanda - Francia - Italia - Grecia

15. Tidal Stream: le tecnologie • Tecnologia concettualmente molto simile a quella utilizzata nell’eolico. • Non esiste ancora uno standard accettato molti concetti sviluppati

16. Tidal Stream: le tecnologie • E’ comunque possibile distinguere due macrocategorie •  Tecnologie ad asse Orizzontale • Tecnologie ad asse Verticale Nel paper si è scelto di prendere in considerazione due casi specifici di sviluppo ritenuti particolarmente significativi: • Marine Current turbine LTD: esempio di tecnologia ad asse orizzontale attualmente in fase di sviluppo in UK 2)Kobold turbine: Tecnologia ad asse verticale, gia sviluppata ad opera della società Ponte di Archimede e attualmente connessa alla rete elettrica della città di Messina

17. Tidal Stream: Energia estraibile L’energia estraibile dipende sostanzialmente da due parametri 1) Velocità dell’acqua 2) Diametro del rotore o più in generale area intercettata dal rotore

18. Tidal Stream: Energia estraibile L’energia cinetica potenzialmente disponibile nell’area interessata è: Si introduce il Coefficiente di potenza Cp che limita secondo la legge di Betz il max potere estraibile teoricamente da un fluido incomprimibile a 0,593. Si introducono anche i rendimenti meccanico e del generatore Assumendo l’andamento della velocità di corrente come sinusoidale avremo:  ω = 2π / T  Vmax: max velocità di corrrente  T: periodo tipicamente di 12h 25min dove • Tipicamente sono presenti due velocità da considerare: • Cut in speed • Rated Speed

19. Tidal Stream: Energia estraibile Ne consegue quindi che il potere effettivamente prelevabile è dato dall’area sottesa dalla curva rossa in figura; Più nello specifico il potere estraibile in metà di ciascuna metà del ciclo di marea sarà dato da:

20. Tidal Stream: MCT • La tecnologia sviluppata consiste in • Una macchina a doppio rotore ciascuno avente un diametro variabile tra i 15 e i 20 m • Il tutto sostenuto da una struttura capace di scorrere lungo l’asse verticale al fine di potere uscire dall’acqua per la manutenzione • Pale composte da fibre di vetro e di carbonio • L’energia generatà varierà tra i 750 e i 1500 KW per ogni unità installata farm comprendenti 15-20 unità per distribuire i costi di trasporto dell’energia a riva. • Vita prevista superiore ai 20 anni

21. Tidal Stream: MCT,Caratteristiche del sito • Acqua sufficientemente profonda per l’installazione ma non troppo per • - Evitare problemi di installazione • - I siti a minore profondità hanno spesso maggiori velocità del fluido • generalmente si cercano profondità comprese tra i 15 e i 50 m • 2) Fondo marino possibilmente uniforme  evita turbolenze e perdite di velocità • 3) Flusso di acqua veloce  considerati profittevoli siti con V >= 2m/s o con velocità minori ma flusso più continuo  sufficienti 1,2 m/s 4) Siti non troppo trafficati a livello di turismo e navigazione 5) Vicinanza a una costa con connessione alla rete elettrica

22. Tidal Stream: MCT, Progetti R&D • Fase 1) SEAFLOW (1999-2006) • Tale fase prevedeva lo studio e l’installazione di un primo prototipo da 300 KW al fine di analizzare la fattibilità tecnica del progetto. • Installazione avvenuta con successo a largo della costa si North Evon in UK nel Maggio 2003. • Il sito è distante dalla costa 1.1 km e ha una profondità di 25m • L’energia prodotta ha superato i 300 Kw in condizioni favorevoli • Il progetto ha avuto un costo di 4.2 milioni di euro ed è stato supportato dai Governi dello UK, della Germania e dall’Unione Europea. • Fase 2) SEAGEN (2004-2007) • Tale fase prevede l’analisi e l’installazione di una “full size Turbine“ da 1MW al fine di verificare mediante una connessione alla rete la fattibilità economica dal progetto. • Il costo previsto per questa fase è di 12 milioni di euro (6.1 finanziati dallo UK) • Gli articoli parlano di una installazione nei prossimi mesi • Fase 3)SEAGEN ARRAY (Entro il 2009) • Installazione di più array da 10 unita ciascuna

23. Tidal Stream: MCT, Valutazione Economica • Il prezzo dell’energia prodotta mediante questi dispositivi dipende fortemente da alcune variabili: • Taglia della turbina • Fattore di carico • Costi di Manutenzione specifici • Scelta dei parametri economici da utilizzare 0.28€/KWh 0.14€/KWh 0.07€/KWh 0.04€/KWh

24. Tidal Stream: Altri Progetti, Hammerfest Storm • - Hammerfes Storm è una compagnia è norvegese • L’installazione singola turbina da 300KW di picco avente 3 pale di 10m di diametro. • La turbina è ancorata a una floating platform • l’installazione è avvenuta nel settembre 2003 nell’estremo nord norvegese • Fornisce energia a un villaggio isolato di 35 case • Il costo del progetto è stato di circa 9.7 milioni di euro e il costo predetto è di 0,04 €/KWh • I finanziamenti e la collaborazione allo • sviluppo del progetto provengono anche • da ABB, Rolls Royce, Sintef e Statoil

25. Tidal Stream: Altri Progetti, Verdant Power in New York • Installazione di cica 300 turbine da 36 KW nell’East River di New York per una capacità complessiva di 10 MW dal 2008. • Le turbine prodotte da Verdant Power hanno un output variabile tra 25 e 250 KW a seconda delle condizioni e delle dimensioni • Diametro turbine 4,8m, situate 2.4 metri sotto la superfice in un’acqua profonda 9-12 m • Velocità dell’acqua nel sito 2,04 m/s picco • Fase iniziale di test con 2 turbine per 18 mesi con l’energia prodotta convogliata a un parcheggio e a un supermercato. • Il costo del progetto inclusi 2 milioni di dollari per monitoraggio pesci è stimato in 15 milioni di dollari, con un conseguente costo del KWh installato pari a 1500 $/KWh

26. Tidal Stream: Principali Ostacoli • A) OSTACOLI TECNOLOGICI: • Trasmissione dell’energia alla rete • Problemi di Installazione • Alti costi di manutenzione dovuti alle ovvie difficoltà di intervento • Esposizione a condizioni fisiche e atmosferiche avverse • B) OSTACOLI PER VARIABILITA’ DEL POTERE PRODOTTO

27. Tidal Stream: Principali Ostacoli C) OSTACOLI AMBIENTALI: 1) Interazione con la Fauna Marina 2) Problemi per gli accessi navali e quindi ostacoli al turismo e al commercio 3) Inquinamento visivo anche se marginale in molti casi

28. Vertical Devices: Kobold Turbine • Studiata e prodotta dalla Ponte di Archimede S.p.A. società con sede a Messina dal 1983,nel progetto ENERMAR in collaborazione con • - L’Università di Napoli Federico II • - Il CNR • - Il Politecnico di Milano • - UNIDO: United Nations Development Organization • Obiettivi di ENERMAR: • 1) Testare questo dispositivo sottoposto a condizioni di operatività reali • 2) Migliorare il prototipo ottimizzandone i componenti • 3) Promuovere lo sviluppo commerciale e industriale del progetto

29. Vertical Devices: Kobold Turbine Aspetti Tecnologici • La direzione di rotazione del rotore è indipendente dalla direzione della corrente • Utilizza un generatore brushless sincrono da 128 KW connesso al rotore mediante una scatola ingranaggi. • La scatola ingranaggi è un riduttore epicicloidale con rapporto 1:90 e va ad incrementare la velocità di rotazione dai 18 rpm della turbina ai 1500 rpm del generatore necessari per ottenere una frequenza di 50 Hz.

30. Vertical Devices: Kobold Turbine, Stato dell’Arte • La turbina Kobold si trova nello stretto di Messina a largo della costa di Ganzirri dal 2001 • La velocità della corrente nel sito ha una media di 2 m/s e la cut in speed è 1.2 m/s • L’efficienza del sistema è pari a un 23% ed è calcolata come Potenza elettrica prodotta Potenza elettrica teoricamente disponibile - Il 27 marzo 2006 la turbina è stata connessa alla rete elettrica Enel di Messina

31. INFLOW SEA BASIN OUTFLOW Tidal Barrage Questa soluzione implica la costruzione di una barriera che isoli un bacino dal resto del mare

32. Tidal Barrage: Ebb generation LEVEL OF THE BASIN SEA LEVEL Hmin A’’ A Standing Filling Pumping Standing Power Generation Standing

33. Tidal Barrage: Altre Configurazioni 1) Configurazione con produzione di energia in entrambe le direzioni di flusso 2) Configurazione con doppio bacino

34. Tidal Barrage: Possibili configurazioni delle turbine BULB • Generatore dentro al flusso dell’acqua • Manutenzione problematica • Utilizzate a La Rance RIM • Generatore montato nella barriera a 90° rispetto alle pale della turbina • Non utilizzabile per il pompaggio TUBOLAR Rotore della turbina inclinato  Generatore alloggiato nella barriera • Utilizzabile per il pompaggio • Proposto per Severn

35. Tidal Barrage: Analisi dell’Energia estraibile • A Max tidal height • A’ Max basin heigth difference •  water density • S Basin area •  System efficiency • Water mass =  * A’ * S • Theoretical power = Water Mass * g *haverage • Cycle Energy = Water Mass * g * haverage*  • Cycle Energy = 1000 * 0,7 * A * S * 9,8 * 0,4*A*  • = 2,7 * A2 * S *  [KJ/Cicle] • E year = (2,7 * A2 * S * ) / 3600  1/2 * A2 *S [KWh/year]

36. Tidal Barrage: Esempi e Progetti futuri • Esistono due impianti di questo tipo attualmente presenti: • La Rance: • Situato in Francia • Completato nel 1967 • Tidal range di 13,5 m • Diga lunga 750 m e alta 13 che racchiude un bacino di 20 Km2 • Power Output di 240 MW ottenuto con 24 bulb turbine da 10 MW • Costo equivalente agli attuali 51 milioni di dollari • 2) Annopolis Tidal Power Plant: • Situato In Canada • Costruito nel 1984 • Usa una sola rim turbine di 7.6m di diametro che produce 20 MW

37. Tidal Barrage: Esempi e Progetti futuri • Decine di progetti sono stati presi in considerazione per un potenziale sfruttamento futuro (Vedi tabella sul paper per dettagli). • Progetto di Severn (UK): • Altezza media di Marea 7m • Bacino di 500 Km2 • Barriera lunga 16 Km • 216 Turbine Tubolar ciascuna • da 40 Mw per un totale di 8640 Mw • e 17 TWh prodotti ogni anno. • Costo stimato tra i 14.7 e i 20 miliardi di euro • Costo stimato di produzione dell’energia: attorno ai 4 centesimi di euro. • Progetto di Daebu Dong • Annunciato a fine 2004 dalla korea previsione di termine lavori 2009 • 254 MW di Potere prodotto

38. Tidal Barrage: Considerazioni Economiche • Costo del capitale iniziale troppo elevato • Tale costo si distribuisce su periodi molto lunghi: 120 stimati per la barriera e 40 per il resto dell’impianto • Il costo specifico di produzione dell’energia può considerarsi competitivo nonostante sia funzione di diversi parametri specifici del sito • Nel 1993 l’IEA nell’articolo “Tidal Power” propone una formula per avere una stima del costo dell’energia prodotta con un sistema di questo tipo:

39. Tidal Barrage: Impatto Ambientale • L’impatto ambientale per sistemi di questo tipo può essere severo anche se limitato all’ecosistema locale : • Impatto sulla flora e la fauna locale in particolare sui pesci • Salinità • Sedimenti trasportati dai corsi d’acqua • Cambiamenti dell’ecosistema causati da un una diminuzione della materia sospesa in acqua che lascia passare più luce con effetti su varie forme di vita • Maggiore accumulo di sostanze inquinanti • Riduzione dell’inquinamento globale in seguito a un mancato utilizzo di fonti tradizionali

40. Movimenti atmosferici L’energia dal moto ondoso FONTI ENERGETICHE DIRETTE ENERGIA MECCANICA Radiazione solare • Vento • Moto ondoso FONTE ENERGETICA NATURALE (PRIMARIA) • Aspetti chiave dell’energia dalle onde del mare: • Alta densità di potenza • Prevedibile per molte ore al giorno • Risorsa largamente disponibile • Minimo impatto estetico Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

41. Aspetti chiave: 1) Alta densità di potenza: Energia solare incidente: 100-200 W/m2 Energia eolica: 400-600 W/m2 Energia eolica: 2-3 kW/m2 Le onde rappresentano un’immane risorsa energetica 2) La prevedibilità: La onde che si propagano al di fuori della zona di generazione (storm) sono in grado, quando sono in acque profonde, di viaggiare attraverso grandi distese marine senza perdere la propria energia (swells wave) Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

42. Aspetti chiave: 3) Ampia disponibilità della risorsa: Wave power distribution in kW/m of crest length (IEA-OES: Annual Report 2005) La risorsa energetica derivante dalle onde stimata per il nord-est Atlantico è complessivamente di 290 GW La risorsa energetica europea derivante dalle onde è complessivamente di 320GW Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

43. Cos’è un’onda: parametri descrittivi L’onda è una forma d’energia Ampiezza A Lunghezza d’onda L Periodo Il flusso energetico dell’onda attraverso un piano verticale (in kW/m di cresta d’onda) vale: Hs: altezza media dell’onda Te: Tempo medio tra due creste Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

44. Le criticità dello sviluppo delle wave energy technologies • Irregolare ampiezza, fase e direzione dell’onda • Qualsiasi dispositivo realizzato deve sopportare i carichi delle più estreme condizioni ambientali (uragani) • Regolazione e accoppiamento di un moto lento ed irregolare (0,1Hz) ad un generatore elettrico (50Hz) • Affidabilità e manutenibilità in ambiente corrosivo e ostile come il mare NON ESISTE UNO STANDARD Il trend attuale supporta dispositivi generatori di potenza fino a1,5-2MW, o sistemi più piccoli ma modulari da 5-20 KW installati insieme in array Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

45. Le tecnologie Principalmente si dividono in: • Oscillating Water Column: OWC • sistema parzialmente sommerso con una parte aperta verso il mare • Overtopping Devices • l’acqua dell’onda incidente alimenta una o più turbine a bassa pressione • Point Adsorbers (galleggianti o ancorati al fondale) • trasformano il moto ondeggiante, attraverso sistemi meccanici e/o idraulici, in un moto lineare o rotazionale • Surging device Ulteriore classificazione: in base alla profondità dell’acqua nelle condizioni operative Shoreline Devices Bottom-fixed Near-shore devices Off-shore devices Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

46. Shoreline Devices I principali sistemi si basano su: OWC, colonna d’acqua oscillante TAPCHAN, TAPered CHANnel Sfrutta il salto geodetico e tecnologie relativamente mature Dove: Norvegia, 1985 impianto dimostrativo da 350kW Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

47. Shoreline Devices I principali sistemi si basano su: Pendulor Il moto ondeggiante del pendolo è usato per azionare una pompa idraulica ed un generatore Dove: Hokkaido (Giappone) impianto pilota da 5 kW attivo dal 1983 Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

48. Vantaggi e svantaggi dei sistemi shoreline • Sono facilitate le attività di installazione e manutenzione • Non richiedono posa e ancoraggio di lunghi collegamenti elettrici sul fondale marino • La minore quantità di energia contenuta nelle onde è parzialmente compensata degli effetti di rifrazione e concentrazione a riva delle onde • Sviluppo circoscritto a zone costiere cui corrispondono determinati requisiti morfologici e determinati livelli delle maree • Problemi di intervento nell’alterazione del paesaggio costiero naturale • Minore livello energetico delle onde dovuto alla bassa profondità dell’acqua e all’attrito Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

49. Progetto Limpet • Land Installed Marine Energy Transformer • Università di Belfast in collaborazione con il DTI • Prototipo da 75kW costruito a Islay sulla costa occidentale della Scozia • Sviluppo dello stesso in un più grande impianto da 500kW operativo dal 2000 • Attualmente collegato alla rete elettrica dell’isola al costo di 0,075€/Kwh • Elementi principali del sitema: • Il collettore OWC • Unità di turbo generazione • Stazione di controllo e monitoraggio Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini

50. Progetto Limpet Il collettore: Rettangolare Inclinato Larghezza della base: 21m Le turbine: Ciascuna turbina è collegata ad un generatore induttivo da 250 kW realizzato esplicitamene per Limpet Principi di Ingegneria Elettrica LS A/A 2005/06 Elisa Bertocchi Fabio Stefanini