Ocean Energy Conversion

Gruppo SEA@Sapienza
Energia dal mare
Ocean Energy Conversion OEC
Technologies
Alessandro Corsini
La Sapienza, Università di Roma
e.mail: [email protected]
Indice
Indice della lezione (i)
• 1. Energia dal mare, ocean power
Le 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 Conversion
Cenni 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
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1
Indice
Indice della lezione (ii)
• 3. Impatto ambientale delle tecnologie mare-motrici
• 4. Analisi economica
Analisi dei costi
Il mercato delle tecnologie mare-motrici, stato dell’arte
Le barriere di mercato
• 5. OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Modello time-dependent
Simulazione delle prestazioni
• 6. Riferimenti bibliografici e www
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1. Energia dal mare
Energia dal mare, origine e classificazione (i)
Fonti
primarie
Tipo di energia
utile ottenibile
Sorgenti
Energia di rivoluzione della terra
Formazione
del sistema
solare
calore da attività vulcanica
(soffioni, etc.)
Calore
endogeno
reazioni
nucleari
fissione
fusione
isotopi radioattivi
effetti termici
dello
irraggiamento
effetti meccanici
dello
irraggiamento
effetti biologici
dello
irraggiamento
E.T.
E.M.
maree
irraggiamento utilizzato direttamente
Radiazione
solare
Legenda: E.E. - Energia elettrica
E.M. - Energia meccanica
E.T. - Energia termica
gradiente termico terrestre
Campo
Gravitazionale
sole-terra-luna
Formazione
degli
elementi
E.M.
evaporazione e
condensazione
di acqua
gradiente termico degli
oceani e di salinità dei mari
vento (sorg. eolica)
correnti e onde marine
E.T.
(E.E.)
E.T.
(E.E.)
E.T.
(E.E.)
E.M.
E.T.
E.M.
combustibili solidi,
liquidi e aeriformi
fotosintesi marina
da C. Caputo, Gli impianti convertitori di energia, Mason, 1997
E.T.
(E.E.)
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2
1. Energia dal mare
Energia dal mare, origine e classificazione (ii)
interazione con il sole
29,7%
45,8%
Interazione con il
moto della luna
22,9%
0,002%
0,003%
0,2%
0,018%
0,001%
0,023%
0,004%
from Bloss and Kappelmeyer “Survey of Energy Sources”, 1980
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1. Energia dal mare
Energia dal mare, origine e classificazione (iii)
En. “potenziale” meccanica
cinetica
conversione en. meccanica
potenziale
En. “potenziale” termica
maree
maree
correnti
sottomarine
moto ondoso
gradiente
termico
moto
ondoso
En. Meccanica
Energia elettrica
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
sistemi di accumulo di energia
da RES
discontinuità della disponibilità
della fonte energetica, i.e.
condizioni meteo, cicli stagionali,
cicli di rivoluzione planetari
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3
1. Energia dal mare
Energia dal mare
Descrizione delle tecnologie
mare-motrici per fonte primaria
En. “potenziale” meccanica
cinetica
Energia dalle maree
Energia dalle correnti sottomarine
Energia dal gradiente termico
oceanico
maree
Maree
Onde
Correnti
Gradiente termico
Gradiente salino
maree
correnti
sottomarine
En. “potenziale” termica
moto ondoso
moto
ondoso
gradiente
termico
En. Meccanica
Energia elettrica
Energia dal moto ondoso
Forma di energia
marina
potenziale
Stima della risorsa
globale
300 TWh/anno
80.000 TWh/anno
Produzione elettrica
globale attuale
800 TWh/anno
17.400 TWh/anno
10.000 TWh/anno
2.000 TWh/anno
Fonti: Policy Report, IEA-OES, 2006
IEA Statistics for 2004
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1. Energia dal mare
Energia dalle maree (i)
Lunar power
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
Struben, A. M. A., Tidal Power. London: Sir Isaac Pitman & Sons, Ltd., 1921.
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
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4
1. Energia dal mare
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)
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1. Energia dal mare
Energia dalle maree (iii)
San Jose
Cobequid
Cumberland
Shepody
United States
Knik Arm
Turnagain Arm
India
Kutch
Cambay
Korea
Garolim
United Kingdom Severn
Mersey
Wyre
Conwy
France
Mont Saint Michel
La Rance
Arguenon
Russia
Mezen
Penzhinskaya Bay
Altezza
media delle
maree (m)
5.9
12.4
10.9
10.0
7.5
7.5
5.3
6.8
4.7
7.0
6.5
6.0
5.2
8.4
8.4
8.4
9.1
6.0
240
90
115
170
1970
100
520
61
5.8
5.5
610
22
28
2300
-
6800
5338
1400
1800
2900
6500
900
7000
480
8640
700
47
33
9700
349
446
15000
50000
22.2
15.6
15.6
5.3
3.6
4.8
16.6
114.7
8.1
6
15.9
15.9
15.9
6.5
-
Australia
Mexico
United States
10.9
6-7
5.5
-
-
-
Paese
Località
Argentina
Canada
Secure Bay
Rio Colorado
Passamaquoddy Bay
Area del bacino Potenza installata Potenza specifica
2
2
(km )
(MW)
(MW/km )
impianti di potenza di
taglia elevata
costi in conto capitale
molto elevati
bassi costi di esercizio
elevato impatto
ambientale prodotto
dalle infrastrutture di
intercettazione
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5
1. Energia dal mare
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
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1. Energia dal mare
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 2.25
e 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)
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6
1. Energia dal mare
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 kW
installato nel 2003 al largo di Lynmouth, Devon
impiego stand-alone, e.g. carico di dump
Seagen:
2007 progetto, rotore doppio ad asse orizzontale, 1 MW
impiego grid-connected
Seagen array:
2007 progetto, 10 twin-rotors ad
asse orizzontale,
10 MW
concetto di sea turbines farm,
impiego grid-connected
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1. Energia dal mare
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.
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1. Energia dal mare
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
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1. Energia dal mare
Master Ridef
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
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8
1. Energia dal mare
Master Ridef
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (iii)
Cicli motori
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
OTEC a ciclo chiuso
Open Cycle OTEC, OC-OTEC
Claude, 1921, cicli aperti a vapor d’acqua
il calore sensibile alimenta un
processo di evaporazione a flash
De-salinated water
la condensa è impiegabile come
acqua dissalata, rappresenta un
sotto-prodotto utile
Vacuum pump
OTEC a ciclo aperto
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1. Energia dal mare
Master Ridef
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
De-salinated
water
200 m3/s acqua fredda, D 11 m, profondità 1000 m
de-rating prestazionale
Vacuum pump
output di potenza si riduce di circa 900 kW per 1°C di
riduzione della sorgente calda, i.e. sorgente fredda a T costante
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
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9
1. Energia dal mare
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
A Corsini, Milano 27 febbraio 2006
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1. Energia dal mare
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (vi)
Vega L.A., Marine Soc. Jour., 6-4, 2003, pp. 25-35
TG
Analisi dei costi economico-ambientali
700 - 900
IMV
800 - 1000
tecnologie OTEC capital-intensive, limiti di convenienza economica devono considerare
gli eventuali prodotti-multipli o mercati di nicchia come i sistemi di potenza non elettroconnessi
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
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1. Energia dal mare
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (vii)
Corriere della Sera, 9 Gennaio 2008
Progetto Energy Island (UK)
Università di Southampton
Piattaforma:
Lato 300 m
Area 234000 m2
Potenza nominale 250 MW
4 Energy Island:
•1000 MW
= 1 piccola centrale nucleare
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1. Energia dal mare
Energia dal gradiente termico oceanico OTEC (viii)
Progetto Energy Island (UK)
22 ha
0,9 kW/m2
54 MW p
13,5 MW e
20,25 MW t
6 aerogeneratori
3 MW p/aerogeneratore
18 MW p
500 m
2 MW/100 m
10 MW e
15 kW/m
600 m
9 MW p
3 MW e
6 MW idraulici
CEA: Controlled Environment Agricolture
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11
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (i)
Introduzione
La sorgente di energia da sfruttare si presenta in forma
meccanica potenziale e cinetica delle onde
L’idea di convertire l’energia potenziale e cinetica delle onde in energia meccanicaelettrica 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
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)
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1. Energia dal mare
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.
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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12
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (iii)
Formazione delle onde
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
potenza per unità di
lunghezza del fronte d’onda
40 – 70 kW/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)
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1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (iv)
Il potenziale della risorsa
WEC nel 1996 ha stimato un
potenziale energetico
mondiale pari a 2.000 TWh/yr
Source: based on Claesson, (1987)
circa il 10% domanda energetica
mondiale al 2002
potenza specifica onde kW/m in acque profonde
zona di influenza degli Alisei
zona di influenza delle tempeste polari
frequenza annuale onde Hw > 5 m
WEC: World Energy Council
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13
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (v)
Il potenziale della risorsa
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
Source: based on Claesson, (1987)
RARW
0.125
0.222
0.194
0.006
0.142
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1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (vi)
Livello di potenza delle onde su base-annuale
Il potenziale della risorsa, EU
Area atlantica e Mare del Nord
25 kW/m, isole Canarie
potenza specifica onde kW/m in acque profonde
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
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
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14
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (vii)
Il potenziale della risorsa, Italia (i)
rete ondametrica nazionale, APAT serv. Idromare
14
Boa APAT di Ponza, dati dal 1999 al 2003
livello medio di potenza (kW/m)
12
1999
2000
2002
2003
2001
10
potenza max circa 12 kW/m
potenza media invernale 8 kW/m,
periodo ott. – febbr.
potenza min 2kW/m
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
mesi
7
8
9
10
11
12
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
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo
G. Sannino ENEA REM Ravenna 2012
15
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo
G. Sannino ENEA
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo
G. Sannino ENEA REM Ravenna 2012
16
Potenziale energetico nel Mar Mediterraneo, modelli di
climatologia marina
G. Sannino ENEA
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (viii)
Altezza significativa spettrale del moto ondoso (m)
Il potenziale della risorsa, Italia (ii)
Ponza
Ancona
Monopoli
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17
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (viii)
Altezza significativa spettrale del moto ondoso (m)
Particolare della stagione invernale
Il potenziale della risorsa, Italia (iii)
Ponza
Ancona
Monopoli
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (ix)
Il potenziale della risorsa, Italia (iv)
Periodo di picco (s)
Ponza
Ancona
Monopoli
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
18
1. Energia dal mare
Energia dal moto ondoso (viii)
Periodo di picco (s)
Particolare della stagione invernale
Il potenziale della risorsa, Italia (v)
Ponza
Ancona
Monopoli
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
Condizioni meteo-marine
Valori tipici onde Mar Tirreno
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 MKI
Posizione: 40°52’0.1”N 12°56’60.0”E
Profondità Mare: 100 m
Corsini A. et al Space-Time Mapping Of Wave Energy
Conversion Potential In Mediterranean Sea States ASME-ATIUIT 2010
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
A.F. de O. Falcão R.J.A.Rodriguez Stochastic modelling of OWC wave power plant
performance Applied Ocean Research 2002 pp.59-71
FMGroup @ DIMA-Sapienza
19
2. Tecnologie mare-motrici
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
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.
•
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)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
20
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici per il moto ondoso (iii)
Peculiarità progettuali dei dispositivi
Principali difficoltà nella realizzazione di dispositivi di conversione dell’energia da moto
ondoso
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)
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
Questa classe di convertitori opera sui regimi d’onda di maggiore potenza (e.g.
acque con profondità superiore a 40 m)
Tipologie di WECs
Archimedes Wave Swing
Floating wave power vessel
Pelamis
Wave Dragon
Salter Duck
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
21
2. Tecnologie mare-motrici
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.
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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 portoghese
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
22
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici off-shore
Progettato dalla Sea Power International (Svezia)
Floating Wave Power Vessel
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
Sviluppato da Ocean Power Delivery Ltd, UK
STRUTTURA:
Pelamis (i)
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
23
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici off-shore
Sviluppato da Ocean Power Delivery Ltd, UK
Pelamis (ii)
Prototipi installati su fondali di 20 m
Progetto definitivo prevede l’installazione su fondali di 50-100 m
Commercializzazione del dispositivo
prevede l’installazione di dispositivi in serie:
di
conversione
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 dragon
STRUTTURA:
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, corrispondente
ad un impianto di 4 MW scale 1:1, dal 2002 in servizio in Danimarca.
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
24
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici off-shore
Progettato da S. Salter, Univ. di Edimburgo, 1974
Salter duck
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
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
TAPCHAN
Pendulor
Oscillating Water Column OWC
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
25
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
WEC di tipo over-topping sviluppato da Norwave SA
TAPCHAN (i)
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
WEC di tipo over-topping sviluppato da Norwave SA
TAPCHAN (ii)
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, Norvegia
danneggiato nel 1991
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
26
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
Pendulor
STRUTTURA:
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
conversione
VANTAGGI:
dimensioni contenute
SVANTAGGI:
bassa potenza prodotta (pochi kW)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Tecnologie mare-motrici shoreline o on-shore
Sviluppato:
Oscillating Water Column OWC (i)
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:
dispositivo di potenza compresa
nel range di 60÷500 kW
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
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
27
2. Tecnologie mare-motrici
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
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
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
28
2. Tecnologie mare-motrici
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)
Valvola di by-pass
Generatore elettrico
camera OWC
Turbina Wells
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
29
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Composizione (ii)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Principio di conversione
Onda
Energia
meccanica
cinetica e
potenziale
Compressionedepressione aria
nella camera
Energia
pneumatica
Turbina Wells
Alternatore
Energia Meccanica
Energia Elettrica
fase di compressione
fase di aspirazione
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
30
2. Tecnologie mare-motrici
Oscillating Water Column OWC
Turbina Wells (i), condizioni di lavoro
Turbina Wells
La turbina è soggetta a condizioni molto più gravose e
difficili rispetto a qualsiasi altra applicazione, incluse le
turbine eoliche
Il macchinario è soggetto all’azione corrosiva della
salsedine, per questo il processo di conversione prevede
il passaggio di tipo pneumatico
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)
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 unidirezionale
efficienza di conversione è 80% contro 85%90% tipico delle turbine idrauliche
margine operativo molto stretto
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
31
2. Tecnologie mare-motrici
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
Wavegen Ltd
Adozione di rotori multipli, riduce il rendimento ma incrementa il margine
operativo
Turbina con pale a geometria variabile
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
2. Tecnologie mare-motrici
Master Ridef
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
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
32
2. Tecnologie mare-motrici
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)
POSEIDONE consortium
An integrated procedure for the design of a wave energy converter developed for
Mediterranean operation
FMGroup @ DMA-Sapienza
CRAS Sapienza
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
33
2. Tecnologie mare-motrici
Altri dispositivi (i)
Sperboy, 2007 UK
C 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
34
2. Tecnologie mare-motrici
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
35
2. Tecnologie mare-motrici
Altri dispositivi (v)
Seawave Slot cone
Generator (SSG),
2005 EU
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
3. Impatto ambientale delle 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
36
3. Impatto ambientale delle tecnologie mare-motrici
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
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
3. Impatto ambientale delle tecnologie mare-motrici
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
37
4. Analisi economica
Sviluppo tecnologico
Tecnologie in fase di sviluppo
nel 2003 e nel 2006
Progetti di ricerca, sviluppo e
dimostrazione in atto al marzo 2006
2003
2006
Fonte: Review and analysis of ocean energy systems development and supporting policies, IEA June 2006
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
4. Analisi economica
Sviluppo tecnologico
Stato generale di sviluppo delle tecnologie marine, 2006
UK
Fonte: Review and analysis of ocean energy systems development and supporting policies, IEA June 2006
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
38
4. Analisi economica
Analisi economica
Considerazioni generali
Tecnologie WECs in larga maggioranza in fase embrionale o prototipale in similitudine
con le esperienze proprie del settore eolico
mancanza di standard industriali (i.e. selezione sito, tecnologie e taglie) per determinare
economie di scala
dispositivi one-off spesso over-engineered
riduzione dei costi impianto & conversione
attesa dalla realizzazione di dispositivi largescale e dall’incremento dell’affidabilità
componenti
andamento del COE registrato una riduzione del
50% negli ultimi 10 anni
COE ancor non competitivo con combustibili fossili,
ma già competitivo con altre RES
convenienza economica già raggiunta in applicazioni di nicchia quali SAPS di isole non elettroconnesse
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
39
4. Analisi economica
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
40
4. Analisi economica
Analisi economica
Barriere di mercato
Rischio industriale
Tecnologie non mature mancanza di track-record riguardo affidabilità, efficienza,
manutenibilità
criticità ambientali, condizioni severe di esercizio
Costo
COE indicano convenienza economica in mercati di nicchia (e.g. isole)
elemento di successo nel breve termine l’internalizzazione nel COE dei costi ambientali
Regolamenti
integrazioni ed armonizzazione normative necessarie per le fasi di installazione in
configurazioni on-shore e off-shore (i.e. normative nel settore ambientale, elettrico &c)
Industria
ad 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 (???))
Infrastrutture
siti 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
Analisi economica
Incentivi. Situazione italiana al xii/2008
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)
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
41
5. OWC, caso studio
OWC applicazione nei mari Tirreno ed Adriatico
Dati meteo-marini
h(m) media nel periodo invernale circa 2 m
T(s) medio nel periodo invernale circa 4 s
Ponza
Monopoli
Ancona
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)
OWC applicazione nei mari Tirreno ed Adriatico
Prestazioni, stima
Power [kW]
5. OWC, caso studio
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
Power [kW]
Power [kW]
0
50
45
40
35
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
4000
6000
8000
Time [h]
Time [3h]
40
30
2000
2000
45
35
0
1000
50
0
1000
2000
Time [3h]
42
5. OWC, caso studio
OWC applicazione nei mari Tirreno ed Adriatico
Prestazioni, stima
Anno di riferimento dati ondametrici
Ponza
Ancona
Monopoli
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
5. OWC, caso studio
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Carico delle utenze
Isola di Ventotene, arcipelago ponziano
Curva di domanda, anno 2000
Sistema di generazione: motori diesel
Consumo:
8489 GJ/anno
Picco di potenza:
720 kW
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
43
5. OWC, caso studio
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Schemi di integrazione OWC & SAPS
14
livello medio di potenza (kW/m)
12
1999
2000
2002
2003
2001
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
mesi
7
8
9
10
11
12
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
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
ηMAX = 0,6
Gruppo SEA @ Latina-Sapienza
44
5. OWC, caso studio
OWC applicazione ad un’isola minore del Mediterraneo
Integrazione OWC con il sistema di potenza (i)
Centrale a
gasolio
Impianto
fotovoltaico
OWC
Sistema
d’accumulo
ad idrogeno
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 %
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5. OWC, caso studio
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/anno
Risparmio = 79 t (-30%)
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6. Riferimenti
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. 133156, 1986.
Thorpe, T.W., “A review of Wave Energy”, Vols. 1 and 2, DTI report, ETSU R-72, 1992.
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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
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