Energia dal moto ondoso: nuovi modelli analitici e numerici di turbine

Il Sustainable Energy Research Group ed il Laboratorio di Ingegneria Marittima dell’Università degli Studi di Firenze hanno sviluppato modelli analitici e numerici che consentono di determinare il funzionamento di turbine Wells per sistemi di conversione dell’energia dal moto ondoso marino basati sulla tecnologia a colonna d'acqua oscillante.

di Lorenzo Ciappi e Daniele Fiaschi

(Rinnovabili.it) – Nel corso degli ultimi decenni, la richiesta energetica mondiale sta aumentando ed è attualmente soddisfatta per circa l’85% mediante l’utilizzo di combustibili fossili. Al fine di prevenire l’esaurimento di queste risorse e ridurre le emissioni inquinanti e l’effetto serra, l’Unione Europea ha stabilito l’obiettivo della neutralità climatica entro il 2050 e l’Accordo di Parigi sul clima ha limitato il valore accettabile dell’aumento della temperatura media globale al di sotto di 2°C rispetto al livello pre-industriale. Tali requisiti stanno promuovendo l’attenzione verso lo sfruttamento di risorse rinnovabili. In questo contesto, il mare ha una grande importanza per la sua estensione e per la potenza trasportata da onde, maree, correnti e gradienti termici. In particolare, le onde marine presentano caratteristiche favorevoli per la conversione energetica in quanto combinano una significativa potenza specifica ed una discreta disponibilità della risorsa. I sistemi energetici di cui necessitano si avvalgono di tecnologie non inquinanti e sono atti ad essere integrati in impianti offshore fotovoltaici ed eolici per ridurre gli investimenti e l’impatto ambientale.

Lo sfruttamento dell’energia del moto ondoso è tuttora una importante sfida tecnologica ed è un argomento di notevole interesse nel settore della ricerca sulle energie rinnovabili. Sono stati proposti vari tipi di convertitori di energia dalle onde (wave energy converters, WECs) che applicano differenti principi di funzionamento. In base a questo criterio di classificazione si annoverano dispositivi a colonna d’acqua oscillante (oscillating water column devices, OWCs), dispositivi overtopping (overtopping devices, OTDs) e dispositivi a corpo oscillante (oscillating body devices, OBDs). Diversamente da altre tecnologie per l’utilizzo di risorse rinnovabili, non è stata tuttora individuata un’unica soluzione ed i sistemi OWC vengono al momento ritenuti quella più incoraggiante. Le ragioni principali sono la semplicità della struttura, l’affidabilità del sistema ed il posizionamento delle componenti meccaniche in movimento sopra il livello dell’acqua del mare per ridurne i problemi di corrosione.

Un sistema a colonna d’acqua oscillante è composto da tre convertitori principali: una camera (convertitore primario), una turbina ad aria (convertitore secondario) ed un generatore elettrico (convertitore terziario). La camera consente di trasformare l’energia idrodinamica trasportata dalle onde marine nell’energia pneumatica del flusso d’aria bidirezionale che attraversa il condotto che mette in collegamento la camera con l’ambiente esterno. Nel condotto è installata una turbina ad aria che converte l’energia pneumatica in energia meccanica. Successivamente questa viene trasformata in energia elettrica mediante un generatore elettrico. Il funzionamento del convertitore secondario e di quello terziario è regolato da una strategia di controllo che agisce sulla coppia trasmessa fra essi e sul numero di giri della turbina per ottimizzare il funzionamento del sistema.

Focalizzando l’attenzione sul convertitore secondario, le due principali categorie di turbine ad aria finora utilizzate nei sistemi OWC sono turbine unidirezionali convenzionali e turbine a flusso bidirezionale. Le turbomacchine della prima categoria richiedono un sistema di rettificazione basato su valvole di non ritorno per rendere unidirezionale il flusso d’aria generato dall’azione delle onde marine. Le turbine della seconda categoria invece non prevedono l’utilizzo di valvole in quanto sono auto-rettificanti. Infatti, la forza tangenziale risultante che agisce sulle pale del rotore ha un verso indipendente da quello del flusso d’aria che attraversa il sistema. Il vantaggio principale delle turbine unidirezionali è l’elevata efficienza aerodinamica. Tuttavia, il sistema di valvole è complesso, principalmente per le dimensioni di questi componenti per medi e grandi impianti e per l’elevata velocità di risposta ad esse richiesta. Inoltre, la presenza delle valvole causa significative perdite che avvengono ad alta pressione ed incrementa i costi di produzione e manutenzione degli impianti.

Per questi motivi, il loro utilizzo avviene soltanto per piccoli dispositivi come boe di navigazione. Per superare questo fondamentale problema, le turbine attualmente installate negli impianti OWC sono turbine ad aria con funzionamento bidirezionale. In particolare, la tecnologia più largamente utilizzata è costituita dalle turbine Wells, come quella rappresentata in figura. Si tratta di una macchina a flusso assiale che è stata inventata nel 1976 da A. A. Wells.

Il Sustainable Energy Research Group (SERG) ed il Laboratorio di Ingegneria Marittima (LABIMA) dell’Università degli Studi di Firenze hanno sviluppato modelli analitici e numerici completamente parametrici che consentono di determinare il funzionamento di turbine Wells per sistemi di conversione dell’energia dal moto ondoso marino basati sulla tecnologia a colonna d’acqua oscillante. Gli strumenti realizzati sono stati applicati ad un caso di studio rappresentato da un modello in scala da laboratorio di una turbina Wells monoplana isolata. Questa configurazione è composta da una singola schiera rotorica con pale simmetriche equispaziate attorno ad un mozzo centrale e posizionate simmetricamente rispetto al piano normale all’asse di rotazione e quindi a 90 gradi relativamente alla direzione del flusso in ingresso. Le principali specifiche geometriche e condizioni operative della turbina Wells considerata sono elencate in tabella. È stato selezionato un periodo dell’onda marina di 7 s per valutare le condizioni tipiche di un clima temperato del Mar Mediterraneo.

Principali parametri geometrici e condizioni operative della turbina Wells analizzata

Il modello analitico che è stato realizzato risolve l’aerodinamica di una turbina Wells attraverso l’applicazione della blade element momentum (BEM) theory che si basa sulla actuator disc theory. Con questo approccio una schiera di una turbomacchina viene schematizzata come un disco infinitamente sottile che ne simula gli effetti in termini di scambio di energia con il flusso attraverso l’imposizione della conservazione della massa e della quantità di moto. Le ipotesi che vengono fatte è che il flusso sia stazionario, assialsimmetrico e non viscoso. I modelli BEM considerano ciascuna pala come un insieme finito di profili alari impilati lungo la direzione radiale del rotore. Ogni coppia di profili adiacenti definisce un elemento del modello, che è caratterizzato da una specifica geometria e ruota con una determinata velocità tangenziale ed è quindi sottoposto a specifiche condizioni di flusso. In particolare, l’analisi si basa sull’uso dei coefficienti di lift e drag seguendo la tradizionale teoria dei profili alari. L’utilizzo di questi coefficienti, la conoscenza della geometria degli elementi e la valutazione delle condizioni del flusso d’aria che impatta su di essi consentono di calcolare le forze di lift e di drag agenti sulle pale. Successivamente queste vengono combinate trigonometricamente per ottenere le forze assiali e tangenziali. Infine vengono determinate la coppia, la potenza e l’efficienza della turbina.

Il modello numerico si avvale della fluidodinamica computazionale (computational fluid dynamics, CFD) per risolvere l’aerodinamica della turbina Wells. Il dominio di calcolo è stato realizzato utilizzando una tecnica multi-blocco tridimensionale per ottenere una griglia completamente mappata composta da elementi esaedrici. Poiché la geometria della turbina e le condizioni del flusso d’aria in ingresso ad essa sono assialsimmetrici, sono state impiegate condizioni al contorno periodiche in direzione circonferenziale per limitare la potenza ed il tempo di calcolo necessari. I modelli risolvono le equazioni di Navier-Stokes mediate secondo l’approccio di Reynolds in condizioni stazionarie (Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) oppure non stazionarie (unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes, u-RANS). La rotazione è stata modellata utilizzando un sistema di riferimento multiplo con riferimento mobile in corrispondenza delle pale oppure uno schema con griglia scorrevole all’interfaccia fra la zona rotante e quelle stazionarie.

Il modello BEM combina una soddisfacente accuratezza con limitate esigenze computazionali. Pertanto, è particolarmente adatto durante le prime fasi di progettazione per fornire una rapida valutazione dell’energia estraibile da una turbina Wells. Il modello CFD fornisce maggiore precisione di calcolo, ma richiede risorse computazionali significativamente più elevate. Quindi i modelli numerici sono utili per indagare dettagliatamente un numero limitato di configurazioni selezionate, solitamente determinate in precedenza tramite un approccio analitico.

I modelli analitici e numerici sviluppati sono stati utilizzati per determinare il funzionamento della turbina da laboratorio scelta come caso di studio. Sono stati ricavati i parametri fluidodinamici, le curve operative ed i coefficienti di prestazione della macchina. Inoltre i risultati ottenuti sono stati confrontati con modelli analitici e sperimentali di letteratura, mostrando un ottimo accordo.

La ricerca futura sarà focalizzata sull’utilizzo dei modelli creati al fine di ottimizzare la geometria e le condizioni operative di turbine Wells per sistemi a colonna d’acqua oscillante. In aggiunta l’integrazione di questi modelli con quelli della camera consentirà di determinare la configurazione migliore del sistema per massimizzare l’energia totale di conversione del moto ondoso.