ENERGIA DAL MARE TOSCANO - IL MOTO ONDOSO LA SUA ENERGIA E LO SFRUTTAMENTO Lorenzo Cappietti - aiom.info

ENERGIA DAL MARE
           TOSCANO
    IL MOTO ONDOSO LA SUA
ENERGIA E LO SFRUTTAMENTO

           Lorenzo Cappietti
          Laboratorio di Ingegneria Marittima
                           www.labima.unifi.it

LABORATORIO DI INGEGNERIA MARITTIMA
          WWW.LABIMA.UNIFI.IT

                   Pier Luigi
                    Aminti
 Valentina
                                Andrea
 Vannucchi
                                Esposito

  Irene                          Ilaria
Simonetti                       Crema
                   Dario
                   Pelli

CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE
• PARTE I : IL MARE E LE SUE ENERGIE

• PARTE II: L’ENERGIA DEL MOTO ONDOSO

• PARTE III: ESEMPI DI DISPOSITIVI PER LO
SFRUTTAMENTO DELL’ENERGIA DEL MOTO
ONDOSO

• IV LE RICERCHE PRESSO IL LABORATORIO
DI INGEGNERIA MARITTIMA

PARTE I

IL MARE E LE SUE ENERGIE

ENERGIA DA GRADIENTE TERMICO

Il gradiente termico è
prodotto dalle
differenze di °T
tra i diversi strati
del mare

Il sole riscalda    acque superficiali: 25°-28°
la superficie del
mare e crea una
                      acque profonde: 6°-7°
differenza di °T

ENERGIA DA GRADIENTE TERMICO
La prima centrale per la conversione
dell'energia termica degli Oceani (OTEC) è
nata nel 1996 al largo
delle isole Hawaii
                                                        GENERATORE

                                             TURBINA

                                                CONDENSATORE

                     EVAPORATORE
                                                           ACQUA
                                                           DESALINIZZATA
                     Acqua calda di
                       superficie
                                         POMPA

                                                 Acqua fredda
                                                  del fondale
                   Fonte: www.ralph-dte.eu

ENERGIA DA GRADIENTE SALINO

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

ENERGIA DA GRADIENTE SALINO
Si può convertire in energia tramite una
membrana semipermeabile che separa
l’acqua dolce da quella salata
   SCAMBATORE     H2O salata MEMBRANA        TURBINA
   DI PRESSIONE

                           H2O    Filtro
                          dolce
        MARE                               FIUME

ENERGIA DELLE CORRENTI MARINE
                Le correnti marine
                sono movimenti di
                massa d'acqua,
                indotti dalla loro
                diversa densità.

                Si distinguono dalle
                acque circostanti per:
                - Temperatura
                - Salinità
                - Colore

ENERGIA DELLE CORRENTI MARINE
Le correnti possono essere sfruttate
con lo stesso
principio utilizzato
per l’energia eolica.

Solo in Europa la
disponibilità di
questo tipo di
energia è pari a
circa 75 GW
Fonte: European Ocean Energy Association (EU-OEA), www.euea.com

PARTE II

L’ENERGIA DEL MOTO ONDOSO

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

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

TSUNAMI – INUTILE!

ENERGIA DALLE ONDE DA VENTO!

PROPAGAZIONE E MOTI ORBITALI

                          Filmato 1
                     http://youtu.be/Lt
                         S9m-fCoZE

                           Filmato 2
                     http://youtu.be/oe
                         IZm8U965A

PARAMETRI CARATTERISTICI DELLE
• H = distanza ONDE “REGOLARI”
verticale tra cresta e
cavo
• L = distanza
orizzontale tra due
creste o cavi
consecutivi
• T = intervallo di
tempo necessario
affinché una cresta
percorra una distanza
pari alla lunghezza
d’onda

PARAMETRI CARATTERISTICI DELLE
           ONDE “REALI”
• Hs = altezza
significativa

• Tp = periodo di
picco

• Te = periodo
“energetico”

• Lp/Le lunghezze
d’onda

LA POTENZA DEL MOTO ONDOSO
Potenza: lavoro fatto dal
moto ondoso nell’unità di
tempo attraverso una finesta
larga 1m e alta dal fondale            1
alla superficie del mare

            1
        P      g Hs Te
                  2  2         (W/m)
           64

LA POTENZA DEL MOTO ONDOSO
Se Hs=1m e Te=6s -> potenza per un metro
di larghezza di cresta pari a circa 2.8 kW/m!

                                  485 KW
                                 IN 170 m
                                DI CRESTA
                                 D’ONDA

WAVES
                               WIND
         molti                                     20m
         km

DISTRIBUZIONE DI POTENZA
 DAL MOTO ONDOSO NEL MONDO

Fonte: Mork G et al.(2010). “Assessing the Global Wave Energy Potential”. Proceedings of the
      29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE2010)

PARTE IV

     I DISPOSITIVI PER LO
SFRUTTAMENTO DELL’ENERGIA DEL
        MOTO ONDOSO

I DISPOSITIVI WAVE ENERGY
           CONVERTER - WEC
                                                      349.
                                                12 juillet 1799.
Il primo brevetto è del
                             BREVET D ’IN VEN T IO N D E Q ÙIN ZE A N S,
1799, GIRARD e figli
                             Pour divers moyen s d ’employer les vagues de
Parigi                    la mer , comme mot eurs ,

                             A ux sieurs G IRA RD père et fils, de Paris.
                             __________________________________________

                          La mobilité et l’inégalité successive des vagues, après s’être
                          elevés comme montagnes, s’affaisent l’instant aprés, entrai-

L’ERA MODERNA

Yoshio Masuda, (1925-2009), Giapponese
fece studi sui dispositivi per lo sfruttamento
dell’energia del moto ondoso fin dal 1940, ed
è l’inventore della tecnologia Oscillating
Water Column (OWC)
 Nel periodo (1964-65) furono
 prodotte più di mille boe di
 segnalazione alimentate da un
 turbina ad aria attivata mossa dell
 OWC

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

WAB: CORPI GALLEGGIANTI

POWER TAKE OFF

Conversione diretta con un
generatore elettrico lineare
Uppsala University, Sweden

POWER TAKE OFF

                                                LP gas      HP gas
                            Buoy             accumulator accumulator

Sistemi ad olio
                                                      Motor
in alta pressione
                                           Manifold
con motore idraulico                   A

                            Cylinder
                                       B

                    Oyster (UK)

POWER TAKE OFF

                                      wheel or
                                      runner
Turbine idrauliche
ad alta prevalenza
Generalmente del tipo
Pelton                             nozzle

                     Oyster (UK)

OWC: COLONNE D’ACQUA
     OSCILLANTI

POWER TAKE OFF
      Turbine ad aria autorettificanti

Wells turbine (mid-1970s)
• Several versions
• Used in most OWC prototypes

                                          Guide vanes
Impulse turbine (mid-1970s)
• Several versions                         rotor
• Based on De Laval steam                rotation
  turbine (1889)
• Used in Indian prototype & CORES
                                          Guide vanes

OTD: DISPOSITIVI A TRACIMAZIONE

POWER TAKE OFF

Turbine Idrauliche a Bassa
Prevalenza

PROTOTIPI REALIZZATI DI
        WAVE ENERGY CONVERTER

       FILMATO

      PTO
Motore idraulico +
   generatore

Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=Fu5AK_a9KN0

PROTOTIPI REALIZZATI DI
          WAVE ENERGY CONVERTER
  OYSTER

         FILMATO

        PTO
  Motore idraulico +
     generatore

Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=TzEk74DIkuk

PROTOTIPI REALIZZATI DI
      WAVE ENERGY CONVERTER

     FILMATO

      PTO
Motore idraulico +
   generatore
           Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=nH8uWOt-0z8

PROTOTIPI REALIZZATI DI
        WAVE ENERGY CONVERTER
WAVEBOB

         FILMATO

        PTO
   Motore idraulico
    + generatore
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=Y5GtILAnsFA

PROTOTIPI REALIZZATI DI
         WAVE ENERGY CONVERTER

         FILMATO

         PTO
   Turbina idraulica
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=O4ljxiuOFeE

PROTOTIPI REALIZZATI DI
          WAVE ENERGY CONVERTER
  OE-BUOY

        FILMATO

         PTO
   Turbina ad aria

Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=T20dCGPjxPQ&list=PL198BFFB8CBE99329

PROTOTIPI REALIZZATI DI
          WAVE ENERGY CONVERTER
      LIMPET

        FILMATO

         PTO
   Turbina ad aria
Fonte:
http://www.youtube.com/watch?v=BbauzHi6QXQ

PROTOTIPI REALIZZATI DI
           WAVE ENERGY CONVERTER
      MUTRIKU

         FILMATO

         PTO
   Turbina ad aria
Fonte:
http://www.youtube.com/watch?v=IK65S0sPtsg

PROTOTIPI REALIZZATI DI
WAVE ENERGY CONVERTER

PARTE IV

   LE RICERCHE PRESSO IL
LABORATORIO DI INGEGNERIA
         MARITTIMA

DISTRIBUZIONE DI POTENZA
 DAL MOTO ONDOSO NEL MAR
MEDITERRANEO MEDIA ANNI 2009-2013
Pmax=15 kW/m          Potenza [kW/m]

DISTRIBUZIONE DI POTENZA
DAL MOTO ONDOSO NEL MAR
     MEDITERRANEO
         [kW/m]   Aprile

                           [kW/m]

  Dicembre

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

DISTRIBUZIONE DI POTENZA
DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA
           Potenza [kW/m]

                  Pmax=4.2 kW/m

DISTRIBUZIONE DI POTENZA
DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA

DISTRIBUZIONE DI POTENZA
DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA

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

            PROPOSTA

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

              PROTOTIPO

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

             IN ESERCIZIO

PARAMETRI DI PROGETTO

  MEAN POWER YEAR 2011 (kW/m)

                                NORTH-WESTERN SARDINIA
                                Water depth:-50m
                                Mean Wave Power ‘11: 8kW/m

                                Design Wave Parameters
                                within the presumed OWC
                                operational range:

                                      1

PROPOSTA DI VERY LARGE FLOATING
STRUCTURE CON DISPOSITIVI OWC
               In order to:      • share the
                                   manufacturing costs
                                 • operate as ANTI-
                                   MOTION devices
                                 • protect from the
                                   wave loads
                                 • extract the wave
                                   energy

                              The OWCs are arranged
                              all around the VLFS
                              making the whole system
                              WAVE DIRECTION-
                              INDEPENDENT

PARAMETRI DI PROGETTO
       CONCRETE MATERIAL
 low cost
 suitable in the marine environment
 easy manufacturing and transporting

                                        MULTI-MODULE TYPE
                                        CONSTRUCTION METHOD
                                         easy construction
                                         possible future enlargement

         SIZING
 Feasible in the existing
  Mediterranean dockyards

PRINCIPALI PROBLEMI
                         HYDROELASTIC BEHAVIOR

   INCIDENT
    WAVES

The assessment of the ANTI-MOTION FUNCTION of the OWC
is important because:

       Efficient incident wave     System STABILITY
             ABSORPTION                    +
             OPTIMIZED                Wave Energy
    wave-to-pneumatic conversion      EXTRACTION

PRINCIPALI PROBLEMI
 MEASURE          INSTRUMENT         ASSESSED PARAMETER

Outgoing air       Hot wire
velocity           anemometer
                                     OWC
Pressure at                          Efficiency
                   Pressure
the top of the
                   Transducers
chamber

Water column      Surface gauges     Chamber
surface                              transfer
                  Video analysis
oscillation                          function

VLFS             Ultrasonic
                                   Hydroelastic
surface          Distance
                                   response
oscillation      Sensors

PHYSICAL MODEL:       PARAMETRIC STUDY

                  FIXED OWC DESIGN
                  PARAMETERS:

                  •   Air turbine placement
                  •   Freeboard: Fc
                  •   Capture width: W
                  •   Frontal wall slope: β
                  •   Back wall length: B

                  OWC DESIGN PARAMETERS
                  TO BE OPTIMIZED:

                  • Length of the chamber: Ld
                  • Lip draught: D
                  • Turbine damping: Td

ATTIVITÀ SPERIMENTALE

ATTIVITÀ SPERIMENTALE

ATTIVITÀ SPERIMENTALE

ATTIVITÀ SPERIMENTALE

FINE

GRAZIE PER L’ATTENZIONE
         Lorenzo Cappietti
        lorenzo.cappietti@unifi.it
              0554796231

   Laboratorio di Ingegneria Marittima
           www.labima.unifi.it