di Lorenzo Ciappi, Daniele Fiaschi
(Rinnovabili.it) – Il mare è una importante risorsa rinnovabile di energia per la sua estensione e la potenza trasportata. I principali fenomeni fisici che possono esse sfruttati per la conversione di energia sono le onde, le correnti, le maree ed i gradienti termici. Fra questi fenomeni, le onde marine uniscono una elevata densità energetica ad una discreta reperibilità della risorsa e pertanto potrebbero contribuire a soddisfare la crescente domanda di energia elettrica. Nonostante l’alto potenziale energetico, la trasformazione di energia dalle onde del mare è attualmente una grande sfida tecnologica, che si trova tuttora allo stato prototipale.
I sistemi a colonna d’acqua oscillante (oscillating water column, OWC) si sono dimostrati essere una delle poche soluzioni applicabili per ottenere una efficace ed affidabile conversione del moto ondoso in energia elettrica. Ciò è principalmente dovuto ai vantaggi conferiti dalla relativamente semplice struttura che non prevede la presenza di parti in movimento a diretto contatto con l’acqua marina.
Un sistema OWC è costituito da tre convertitori principali: una camera (convertitore primario), una turbina ad aria (convertitore secondario) ed un generatore elettrico (convertitore terziario).
La camera è una struttura cava e parzialmente sommersa, solitamente realizzata in cemento o acciaio, dotata di due aperture per l’interazione con il moto ondoso e l’aria che attraversa la turbina. Una apertura è posizionata sotto il pelo libero dell’acqua ed è rivolta verso la direzione principale di propagazione delle onde marine, mentre l’altra si trova sopra il livello del mare ed è connessa con il condotto che collega la camera all’ambiente esterno ed alloggia la turbina ad aria. Le onde incidenti sul cassone provocano un movimento verticale oscillatorio della colonna d’acqua interna alla struttura che comprime ed espande in modo alternato l’aria intrappolata sopra il livello dell’acqua dentro la camera.
I gradienti di pressione generati determinano il movimento di un flusso d’aria attraverso il condotto al fine di movimentare la turbina ad aria. Il flusso risulta alternato, dalla camera all’ambiente esterno, e vice versa. Idealmente, durante la fase di inalazione dell’aria, quando le onde raggiungono la massima altezza, il livello dell’acqua all’interno della camera decresce causando una riduzione della pressione e l’espansione dell’aria, che entra all’interno del sistema dall’ambiente esterno. Al contrario, durante la fase di esalazione, le onde sono alla minima altezza e l’acqua all’interno della camera raggiunge l’altezza massima, favorendo la fuoriuscita dell’aria dal sistema. In pratica, le onde marine provocano un effetto pistone sull’acqua all’interno della camera, nella quale l’aria è alternativamente aspirata e compressa.
Il flusso d’aria bidirezionale che attraversa il sistema mette in rotazione la turbina ad aria. Le due principali tipologie di turbomacchine ad aria per sistemi a colonna d’acqua oscillante che sono state utilizzate fino ad ora sono turbine convenzionali unidirezionali e turbine bidirezionali. La prima tipologia richiede l’utilizzo di un sistema di rettificazione del flusso d’aria provvisto di valvole di non ritorno, per consentirne il funzionamento unidirezionale. La seconda tipologia non richiede questo tipo di valvole poiché la turbina è in grado di funzionare in modalità bidirezionale. Il principale vantaggio delle turbine unidirezionali convenzionali è l’alta efficienza rispetto a quelle bidirezionali. Tuttavia, il sistema di valvole rettificanti è molto complesso, principalmente a causa delle grandi dimensioni e dei brevi tempi di risposta delle valvole. Pertanto, l’utilizzo di turbine convenzionali è stato limitato a piccoli dispositivi, mentre per grandi impianti vengono solitamente utilizzate turbine Wells e ad impulso, che hanno un funzionamento bidirezionale.
Il sistema di controllo dell’accoppiamento della turbina con il generatore elettrico permette di regolare la coppia meccanica trasmessa dal convertitore secondario al convertitore terziario in funzione dei valori della coppia e del numero di giri della turbina. In questo modo è possibile incrementare l’energia estratta, limitando gli effetti negativi sulla trasformazione della potenza che si verificherebbero durante le condizioni di moto ondoso più critiche.
Una delle principali problematiche che ostacola la diffusione su larga scala di sistemi a colonna d’acqua oscillante è il costo relativamente alto dell’energia (levelized cost of energy, LCOE), compreso fra 90 e 101 €/MWh per sistemi installati sulla costa e fra 180 e 490 €/MWh per sistemi posizionati in mare aperto, lontano dalla costa. Se si confrontano questi valori con quelli di altri sistemi energetici basati su fonti rinnovabili, risulta evidente che la conversione dell’energia del moto ondoso non è attualmente competitiva in termini economici. Infatti il levelized cost of energy è circa 50 €/MWh per il geotermico, 68 €/MWh per il solare fotovoltaico e rispettivamente 60 €/MWh e 102 €/MWh per l’eolico installato sulla terra oppure in mare.
Per ridurre il costo dell’energia è necessario incrementare l’efficienza della trasformazione della potenza complessiva, considerando l’intero processo di trasporto dell’energia dal moto ondoso alla rete elettrica. In questo contesto si colloca il progetto di ricerca sviluppato dal Sustainable Energy Research Group (SERG) e dal Laboratorio di Ingegneria Marittima (LABIMA) dell’Università degli Studi di Firenze. Lo studio riguarda l’analisi di sistemi per la conversione di energia dal moto ondoso mediante lo sviluppo di modelli analitici e numerici dell’intero sistema, considerando i tre convertitori che lo compongono. Tali modelli vengono solitamente denominati wave-to-wire.
Gli obiettivi della ricerca possono essere riassunti in quattro punti fondamentali.
- Selezionare località marine ad alto potenziale energetico per l’installazione di sistemi a colonna d’acqua oscillante nel Mar Mediterraneo, analizzando le specifiche condizioni di moto ondoso.
- Realizzare strumenti analitici per modellare l’intero processo di conversione energetica, dalle onde del mare alla rete elettrica, considerando la camera, la turbina ed il generatore.
- Creare modelli numerici basati sulla fluidodinamica computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) per validare i modelli analitici delle turbine Wells e ad impulso.
- Determinare le configurazioni ottimali delle due turbine ad aria per il funzionamento con una camera precedentemente ottimizzata mediante analisi sperimentali e calcolare l’energia estraibile dal moto ondoso per lo specifico sito di applicazione.
Al fine di poter prendere in considerazione le interazioni fra i singoli componenti del convertitore di energia e valutare correttamente l’energia estraibile, si rende necessario effettuare un‘analisi congiunta dell’intero sistema a colonna d’acqua oscillante per le specifiche condizioni di moto ondoso. Infatti, la selezione di ogni componente è fortemente influenzata dagli altri ed è funzione delle condizioni climatiche locali. A causa della complessità delle trasformazioni energetiche che avvengono nei sistemi OWC e dei conseguenti elevati requisiti computazionali ad essi correlati, i modelli analitici dell’intero processo di conversione dell’energia si dimostrano essere l’approccio più adeguato. In particolare, questi modelli sono necessari per la valutazione di un ampio numero di configurazioni durante le prime fasi del processo di progettazione.
Il modello wave-to-wire sviluppato permette di effettuare un’analisi idrodinamica, termodinamica ed aerodinamica integrata della camera, congiuntamente all’aerodinamica ed alla dinamica della turbina, collegata al generatore elettrico. In particolare, un modello a pistone rigido (rigid piston model) è stato utilizzato per analizzare la camera, costituita da una struttura fissa e staccata dal fondale marino. Due turbine ad aria, di tipo Wells e ad impulso, sono state studiate mediante modelli aerodinamici, che forniscono un interessante compromesso fra accuratezza e requisiti computazionali. In entrambi i casi, le turbomacchine sono state modellate come schiere di pale, a loro volta composte da un insieme finito di profili. È stato applicato un algoritmo di regolazione della trasmissione meccanica fra il convertitore secondario e quello terziario per migliorare l’energia elettrica fornita alla rete, controllando la coppia e la velocità di rotazione del rotore della turbina.
Al fine di validare i modelli analitici delle turbine ad aria utilizzati all’interno del modello wave-to-wire, sono stati realizzati modelli CFD parametrici di turbine Wells e ad impulso. I risultati ottenuti con i due approcci sono stati confrontati fra loro, ottenendo una corrispondenza molto soddisfacente. Inoltre tali risultati sono stati comparati con dati sperimentali reperibili in letteratura confermando la validità della modellistica sviluppata.
Il modello wave-to-wire è stato applicato in due località situate in Toscana ed in Sardegna, in Italia. Le zone sono state selezionate come luoghi ad alta energia ondosa per il clima marino italiano. La prima località è ubicata nella zona centrale del mare della Toscana, mentre la seconda si trova di fronte alla costa nord-occidentale della Sardegna ed è caratterizzata da un valore di trasporto energetico significativamente più elevato rispetto al caso della Toscana. La valutazione delle condizioni del moto delle onde su base sia annua che stagionale consente di determinare il funzionamento dei sistemi a colonna d’acqua oscillante per diversi intervalli temporali, considerandone la significativa variabilità.
La specifica progettazione integrata dei singoli componenti di un sistema OWC per un particolare clima di moto ondoso permette di definire i parametri geometrici ed operativi che determinano la massimizzazione dell’energia che viene estratta dal mare e trasformata in energia elettrica. Ciò risulta possibile grazie ad un ottimale sfruttamento delle onde che trasportano le quantità più elevate di energia. Inoltre una corretta progettazione consente di limitare gli ingombri e le quantità di materiali utilizzati e quindi ridurre i costi di produzione e di manutenzione dell’impianto. La possibilità di integrare la camera in strutture civili utilizzabili anche per altre finalità, come ad esempio frangiflutti oppure piattaforme galleggianti, permette un ulteriore riduzione dei costi dei sistemi OWC. Tutti questi aspetti portano alla riduzione del costo dell’energia.
In conclusione, la specifica ed integrata progettazione di sistemi per la conversione dell’energia da ambiente marino ha l’obiettivo di rendere le onde del mare una competitiva fonte di energia rinnovabile, in grado di contribuire al soddisfacimento delle richieste energetiche globali.