Dipartimento di Progettazione Aeronautica

Università di Napoli “Federico II”ENERGIA PULITA DALLE CORRENTI MARINE:

ASPETTI TECNICI ED ECONOMICIDomenico P. Coiro, S. Melone, F. Montella

coiro@unina.it - stmelone@unina.it - francmont@genie.it

TURBINA MARINA KOBOLD - PROGETTAZIONE E COSTRUZIONE DEL PROTOTIPOIn Italia, nello Stretto di Messina, è attualmente installata la prima turbina ad asse verticale per lo sfruttamento delle correnti di marea. Tale innovativa turbina marina con pale diritte e parzialmente libere di oscillare (foto in alto a destra), brevettata internazionalmente con il nome KOBOLD, è stata sviluppata dalla società Ponte di Archimede in collaborazione con il Dipartimento di Progettazione Aeronautica (DPA) dell'Università "Federico II" di Napoli, con lo scopo di dimostrare che lo sfruttamento dell'energia rinnovabile contenuta nelle correnti di marea è un modo conveniente per produrre energia se confrontato con lo sfruttamento di altre fonti di energia alternativa e per dimostrare sul campo il limitato impatto ambientale che tale tecnologia comporta. La turbina KOBOLD è stata progettata per raggiungere il livello più elevato possibile sia di salvaguardia ambientale, sia di efficienza, come pure rispettare le necessità di bassi costi di costruzione e di manutenzione. La progettazione fluidodinamica e strutturale della turbina è stata condotta in seguito a numerose prove nella galleria del vento presso il DPA e calcoli numerici per mezzo di codici di calcolo appositamente sviluppati. L’impianto completo è composto dalla turbina prototipo e da un generatore elettrico. L’intero sistema è montato su una piattaforma galleggiante del diametro di 10 m ancorata al fondale per mezzo di 4 blocchi in conglomerato cementizio. Il moltiplicatore di giri meccanico ha un rapporto di moltiplicazione di 1:161; il generatore elettrico è di tipo senza spazzole, trifase, sincrono, quattro poli, capace di generare una potenza nominale di 160 kVA ed è connesso ad una unità di controllo in grado di fornire energia alla rete. Il rotore ha un diametro di 6 m ed è costituito da tre pale diritte e parzialmente libere di oscillare sotto l’azione delle forze idrodinamiche e di massa, garantendo sempre una elevata efficienza idrodinamica. Le pale hanno un’apertura di 5 m ed una corda di 40 cm; esse sono dotate di un profilo appositamente progettato presso il DPA e denominato HL-18 in grado di assicurare elevate efficienze idrodinamiche ed al tempo stesso evitare il problema della cavitazione. Ogni pala è sostenuta e connessa all’albero di rotazione da due bracci opportunamente carenati .

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ASPETTI DI FATTIBILITA’ ECONOMICAUno dei vantaggi più evidenti legati allo sfruttamento dell’energia delle correnti di marea è la possibilità di valutare in maniera semplice, veloce e quasi perfetta, l’energia teorica per metro quadro di superficie frontale del rotore disponibile annualmente nel sito. Ciò consente di tagliare una voce molto importante nei costi dell’impianto e nei tempi di messa in opera dello stesso; infatti, nel caso di una turbina eolica, sono necessarie lunge e costose campagne anemometriche per l’individuazione del giusto sito. Nel caso dell’energia dalle correnti di marea, si può pensare di svolgere un’analisi di fattibilità economica composta da cinque fasi successive: scelta del sito; calcolo dell’energia teorica annua per metro quadro di superficie frontale del rotore; scelta delle dimensioni del rotore e conseguente dimensionamento dell’intero impianto; calcolo dell’energia prodotta annualmente; costo del kWh di energia prodotta per mezzo di un metodo quale, ad esempio, l’EPRI TAG. L’energia teorica è data dall’integrale della potenza teorica nel tempo ed è dunque legata all’area sottesa dall’andamento della velocità rispetto all’asse temporale (figura a destra). Gli intervalli di tempo in cui la velocità della marea è prossima allo zero rappresentano la fase di inversione della direzione del flusso comportando una riduzione dell’energia teorica a disposizione, dal momento che una turbina non può funzionare per velocità troppo basse della marea. Questo limite inferiore si aggira,

Andamento qualitativo della corrente di marea

mediamente, intorno al valore di 1 m/s ed è detto “Cut-In Speed”; l’energia teorica effettiva sarà perciò legata all’area evidenziata. Nel caso specifico dello Stretto di Messina è possibile stimare l’energia effettiva annua della corrente di marea per metro quadro di area frontale della turbina in circa 5200 kWh/m2. Una turbina con un’area frontale di 120 m2 ed un rendimento globale del 25% permetterebbe di ottenere annualmente circa 156 MWh con un costo per kWh di energia circa pari a 0.083 €/kWh.

Disegno CAD-3D del rotore accoppiato al generatore elettrico

Interno della boa: moltiplicatore di giri (1), torsiometro (2), generatore elettrico (3), pannello di controllo (4)

1

2

34

Curve di potenza generata dal rotore, previste numericamente, a differenti velocità della corrente di marea

Confronto sperimentale - numerico (DMS): turbina

KOBOLD

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8

WR /V

0.08

0.12

0.16

0.2

0.24

0.28

0.32R

endi

men

to T

urbi

nanum ericaSperim enta le

Turbina marina ad asse orizzontale

ENERGIA DALLE CORRENTI DI MAREALe turbine eoliche e marine rappresentano lo strumento per mezzo del quale è possibile catturare l'energia cinetica dell’aria e dell’acqua e convertirla in energia meccanica o elettrica. Esse sono classificate in due categorie in base alla direzione del proprio asse di rotazione: turbine ad asse orizzontale e turbine ad asse verticale. Le turbine ad asse orizzontale catturano l'energia cinetica del fluido che le investe per mezzo di un rotore il cui asse di rotazione deve essere sempre disposto nella direzione del flusso tramite un dispositivo di allineamento elettro-meccanico o fluidodinamico; esse sono adatte per flussi la cui direzione è mediamente costante. Le turbine ad asse verticale sono dotate di rotori a pale diritte o curve, con asse di rotazione ortogonale alla direzione del flusso. E’ possibile dimostrare analiticamente che il loro rendimento ideale, in assenza, cioè, di qualsiasi causa dissipativa, è pari a quello delle turbine ad asse orizzontale. La peculiarità delle turbine ad asse verticale è che esse possono catturare l'energia cinetica del fluido da qualunque direzione esso provenga e, pertanto, sono particolarmente adatte per lo sfruttamento di flussi quali le correnti di marea, caratterizzate dalla periodica inversione della direzione del flusso durante l’arco della giornata. Tale fonte energetica, indipendente dalle condizioni atmosferiche e dai cambiamenti climatici, è legata esclusivamente alle fasi lunari e, pertanto, per un dato sito, è possibile conoscere con molti anni in anticipo l’andamento della velocità di marea nel tempo, potendo in questo modo predire con estrema accuratezza l’energia annua estraibile.

Sebbene la corrente di marea presenta una velocità massima molto inferiore a quella del vento, l'acqua ha una densità che è circa 800 volte più grande dell’aria. Definendo il rendimento globale della turbina come il rapporto tra la potenza elettrica prodotta e la potenza teorica della corrente di marea e supponendolo pari a 0.25, valore tipico per un attuale sistema ad asse orizzontale per la conversione di energia cinetica in energia elettrica, con una velocità della corrente di circa 3 m/s ed una superficie frontale intercettata di solo 1 m2 è possibile produrre circa 3.4 kW di potenza in grado di soddisfare l’esigenza di una singola unità abitativa; per poter produrre la stessa potenza con la stessa turbina posta in aria è necessaria una velocità del vento pari a 28 m/s, cioè 101 km/h. E’ da sottolineare che, oltre allo sfruttamento delle correnti di marea, le turbine ad asse verticale potrebbero essere adottate anche per lo sfruttamento delle correnti fluviali.

Turbina marina ad asse verticale (KOBOLD)

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Confronto sperimentale - numerico (metodo a vortici): test in vasca navale presso il Sandia National Laboratories

Simulazione numerica della scia a valle di due turbine controrotanti

(metodo a vortici)

SIMULAZIONE NUMERICA DELLE PRESTAZIONI DELLE TURBINE AD ASSE VERTICALEGli obiettivi principali dell’analisi idrodinamica delle turbine ad asse verticale

sono:• sviluppare modelli numerici in grado di predire le prestazioni idrodinamiche

delle turbine;• utilizzare i carichi idrodinamici così stimati per valutare la risposta strutturale

della turbina, ed in particolare le pale, sotto l’azione del fluido.I metodi di analisi fluidodinamica possono essere classificati in due categorie:• metodi basati sul bilancio di quantità di moto (momentum methods), ad es.:

Double Multiple Streamtube (DMS). Tali metodi sono di tipo stazionario. Tempi di calcolo molto ridotti.

• metodi a vortici (vortex methods). Sono di tipo instazionario e consentono una più fedele simulazione del campo di moto della turbina rispetto ai momentum methods. Tempi di calcolo abbastanza lunghi.

Presso il DPA, da anni, un gruppo di ricerca si occupa della simulazione del comportamento fluidodinamico delle turbine ad asse verticale. Sono stati sviluppati codici di calcolo basati su entrambe le metodologie, con lo scopo di comprendere a fondo le caratteristiche di funzionamento di tali turbine, al fine di migliorarne le prestazioni sia in termini di coppia all’avviamento che di efficienza nelle condizioni di funzionamento nominali, per lo studio dell’interferenza tra due o più turbine affiancate, per lo studio degli effetti della curvatura del flusso.