UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAMERINO SCUOLA DI SCIENZE E TECNOLOGIE PERCORSO ABILITANTE SPECIALE

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAMERINO SCUOLA DI SCIENZE E TECNOLOGIE PERCORSO ABILITANTE SPECIALE Classe di concorso C320 LABORATORIO MECCANICO-TECNOLOGICO Innovazione e Ricerca: Energia dal mare e Solare termodinamico Tesi di specializzazione In MACCHINE A FLUIDO Specializzando Relatore NASUTI ANGELO Prof. AGOSTINI NAZARENO ANNO ACCADEMICO 2013- 2014

2. Questo lavoro, oltre ad essere una tesi abilitante, vuole essere un incentivo alla ricerca rivolto agli studenti, trattando alcuni settori delle energie alternative rinnovabili. • Nello specifico, si tratta di uno studio di tecniche sperimentate e sperimentabili riguardanti le modalità di ricavare energia dal mare, utilizzando diversi impianti poco noti, e dal sole utilizzando impianti a concentrazione.

3. Spirito di osservazione: Quanti sono i “piedi” del cane nel logo ENI ?http://it.wikipedia.org/wiki/Cane_a_sei_zampe _ Enrico Mattei: personaggio che affrontò in tempi non sospetti il problema “dell’accaparramento dell’oro nero” e del gas al fine di essere indipendente dal cartello delle “Sette Sorelle”. Il primo a fare uno studio per lo stemma dell’Eni. Mattei avrebbe “scambiato” maestranze, tecnologie e materiali italiani con il petrolio di paesi stranieri, rafforzato le attività industriali, prodotto lavoro e ricerca in Italia. _ Carlo Rubbia: sostiene fortemente lo sviluppo del Solare Termodinamico a Concentrazione, avviato nel 2001 all'ENEA con il Progetto Archimede, utilizzando come fluido termovettore una miscela di sali fusi che permette l'utilizzo di un sistema di accumulo molto efficiente. Ipotesi di Impianto di 40 mila kmq (quadrato di 200 km per ogni lato, 1/225 del deserto del Sahara) per soddisfare il fabbisogno energetico dell’intero pianeta . Studio dei superconduttori.

4. “Leonardo di ser Piero da Vinci” è di fondamentale importanza, avere sempre a mente personaggi che hanno segnato la storia scientifico-culturale, anzi studiare e proporre agli studenti le “macchine di Leonardo” contenute nel “Codice Atlantico”, dove ha dato soluzioni a infiniti problemi. Esempi sulle “macchine civili”: l’invenzione del girarrosto, con lo sfruttamento dei fumi che alimentano un sistema a girandola; la levigazione degli specchi concavi per “gittar foco”, per produrre energia nell’ambito dell’industria tessile… …senza parlare delle “macchine idrauliche”.

5. Energia dal mare • energia maremotrice o delle maree • energia dal moto ondoso • energia dal gradiente termico oceanico • energia dalle correnti sottomarine

6. Energia dalle maree La tecnica energetica sfrutta il dislivello tra l’alta marea e la bassa marea: l’ampiezza di marea. Gli impianti maremotrici sono caratterizzati da grandi dimensioni, dalla presenza di importanti opere di sbarramento delle acque (dighe, chiuse) e di un bacino di accumulo. La produzione di energia elettrica avviene grazie a delle turbine idrauliche a bulbo adatte per i bassi salti. L’unico impianto funzionante è quello di La Rance Barrage nella Francia settentrionale, presso Saint Malo, dove l’ampiezza di marea è di 12-13 metri.

7. La Rance Barrage Sezione trasversale Possibilità di modulare la produzione di energia elettrica dividendo la struttura in più bacini. Progetto Tidalelectric: impianti offshore

8. Energia dal moto ondoso Tra tutte le forme di energia dal mare, quella dal moto ondoso è quella studiata da più tempo e che conosce il maggior numero di sperimentazioni, soluzioni e prototipi impiantistici, poco noti. Formazione delle onde del mare. Seguono diverse tecnologie di sfruttamento del moto ondoso:

9. Sistemi con impianti sommersi e semisommersi AWS. Si tratta di una tecnologia off-shore sviluppato da Teamwork Technology (Paesi Bassi), che sfrutta il principio di Archimede legato all’oscillazione dell’onda: l’AWS (Archimedes Wave Swing) consiste in una struttura sommersa e fissata al fondale marino. La parte superiore della struttura è un cilindro cavo che si muove in verticale, sfruttando il cambiamento di pressione idrostatica, sfrutta solo l’energia potenziale. La conversione energetica avviene tramite un generatore a magneti permanenti.

10. OPT (Ocean Power Technologies). Si tratta di un sistema simile all'AWS, realizzato in un impianto pilota al largo delle coste Spagnole; a differenza del sistema AWS quello della OPT prevede un elemento affiorante. Il costo del kWh per questa tecnologia è stimato in 3-4 centesimi per un impianto di 100 MW.

11. Wave Roller. La società finlandese AW-Energy ha sviluppato il progetto. Il Wave Roller sfrutta le onde in profondità (si parla di 15-20 m) non molto distanti dalla linea costiera. Il Wave Roller è un sistema di piastre incernierate su grandi basamenti metallici poggiati sul fondo del mare. L’oscillazione delle onde spinge le piastre, poste verticalmente, in avanti e indietro. Un sistema idraulico, pistoni e motore idraulico, analogo a quello del Pelamis, collegato a un generatore elettrico che produce elettricità e viene trasportata sulla terraferma mediante cavi sottomarini.

12. Sistemi con apparati galleggianti Pelamis. Si tratta del sistema più collaudato ed attivo che utilizza elementi galleggianti. E’ un convertitore di energia prodotto da Ocean Power Delivery Ltd (Scozia, UK) costituito da diverse parti mobili connesse tra loro, cilindri galleggianti che sfruttano l’ampiezza delle onde in mare aperto. Il movimento delle onde mette in moto dei pistoni idraulici collegati ad un motore idraulico che aziona un generatore elettrico. I prototipi realizzati sono composti normalmente da 5 grossi cilindri collegati tra loro, per una lunghezza complessiva superiore ai 100 metri.

13. Il sistema di produzione dell’energia è assicurato da cilindri idraulici posizionati alle giunture che opponendosi al moto dell’onda pompano il fluide in accumulatori ad alta pressione; il rilascio controllato del fluido permette ai generatori di funzionare in modo continuo e uniforme.

14. Schema di funzionamento

15. Pelamis Sea Snake II. Un sistema galleggiante di 180m installato presso l’European Marine Energy Center nelle Orcadi, in Scozia settentrionale. Il generatore dienergia dalle onde è stato ordinato dalla società elettrica tedesca E. ON, che ha scelto tra le più collaudate, produce circa 740KW di potenza. Entro il 2015, il Sea Snake sarà in grado di produrre circa 20 MW, sufficiente per alimentare 30.000 case. Sea Snake è stato progettato nel settore delle tecnologie sostenibili con orizzonti d’investimento di 10-20 anni.

16. Galleggianti in banchina In Brasile viene sperimentato un sistema in cui dei galleggianti sono collegati ad una banchina tramite un braccio snodato, meccanicamente accoppiato ad un generatore. Il progetto è sviluppato dall'Università Federale di Rio de Janeiro, il costo dell'energia elettrica così prodotta è previsto nello stesso ordine di grandezza degli impianti idroelettrici tradizionali.

17. Pistoni in mare: Blue Energy - Ocean Power (Piston Pump & Racks) Nel filmato sono presenti diversi sistemi-idee di studio per la produzione di energia elettrica dalle onde del mare: http://www.lamtengchoy.com/main/?item-videolist/show/107/http://www.youtube.com/watch?v=fYfs-qYGzvs http://www.lamtengchoy.com/main/?items-md-ppr/

18. Sistemi OWC (Oscillating Water Column) Si tratta di una soluzione tecnologica molto interessante, che sfrutta il principio della colonna d’acqua oscillante: l’OWC. Questo tipo di impianti viene installato lungo la costa, con indubbi vantaggi rispetto alle installazioni in mare aperto, soprattutto per quanto riguarda i costi di realizzazione, che sono inferiori dal momento che non risulta necessaria la presenza di elettrodotti sottomarini o di sistemi di ancoraggio al fondale. Ogni impianto comprende una coppia di turbine Wells corotanti ai due lati di un motore a induzione ad albero passante, specificamente progettato per questa applicazione.

19. Esistono diversi esempi di impianti OWC realizzati e perfettamente funzionanti; per questo motivo la tecnologia OWC costituisce oggi la soluzione più economica per produrre energia elettrica dal moto ondoso. Il range di potenza degli impianti esistenti va dai 60 kW ai 1 MW. Possono essere integrati come frangiflutti... L’impianto LIMPET della Wavegen, sull’isola scozzese di Islay (Ebridi). ...o come Protezioni litoranee di porti e darsene.

20. Energia dal gradiente termico oceanico (Ocean Thermal Energy Conversion). Sfruttare il gradiente termico oceanico significa sfruttare la differenza di temperatura tra le acque marine superficiali e le acque marine profonde. Un gradiente termico di 20 °C è sufficiente per produrre energia elettrica in maniera economicamente conveniente, utilizzando la tecnologia OTEC.

21. Energia dalle correnti sottomarine Tra tutte le forme di energia dal mare, quella dalle correnti sottomarine presenta le maggiori potenzialità nel medio-lungo termine. Basti pensare che soltanto in Europa si stima una disponibilità pari a circa 75 GW. Secondo alcuni studi, le correnti sottomarine dello stretto di Messina presentano una potenzialità energetica di 15.000 MW. A Strangford Lough, in Irlanda del Nord, è in funzione la prima centrale elettrica alimentata dall'energia cinetica delle correnti di marea. Dopo una prima fase sperimentale durata alcuni mesi, ora la centrale, con una potenza installata di 1,2 MW, può soddisfare il fabbisogno di energia di circa 1.000 abitazioni.

22. Solare termodinamico • Sistemi a collettori parabolici lineari • Sistemi a torre centrale • Sistemi dish-stirling

23. Sistemi a collettori parabolici lineari Si tratta di impianti formati da lunghe file di collettori riflettenti di forma parabolica. I collettori riflettono la luce del sole, concentrandola su un tubo ricevitore in vetro e acciaio, all'interno del quale scorre un fluido termovettore (olio minerale o sali fusi). Accumulare il calore prodotto è indispensabile per assicurare continuità nell'erogazione di energia, di notte e in caso di prolungata scarsità di radiazione solare. L’Enea insieme a Carlo Rubbia ha sviluppato un sistema di accumulo particolarmente efficiente, che nel corso di 24 ore giorno disperde appena l’1% dell’energia termica accumulata. Grazie alle alte temperature raggiungibili con i sali fusi, si è calcolato che bastano 5 m³ di sali fusi per accumulare una quantità di calore sufficiente a produrre un MWh di energia elettrica. 

24. Sistemi a torre centrale Nei sistemi a torre centrale, si utilizzano centinaia di grandi specchi riflettenti (i cosiddetti "eliostati"), che seguono il movimento del sole e concentrano la luce solare su un ricevitore posto sulla sommità di una torre, a decine o anche centinaia di metri di altezza. Gli eliostati, di grandi dimensioni, sono disposti a cerchio o a emiciclo intorno alla torre.All'interno del ricevitore, che è una sorta di grande caldaia, un fluido termovettore viene portato ad altissime temperature, producendo così il vapore necessario ad alimentare una turbina per la produzione di energia elettrica.

25. ALMERIA (Spagna) Nel deserto di Tabernas, 30 chilometri a nord-est della cittadina andalusa di Almeria (Spagna), si trova il più grande impianto europeo di ricerca sulle tecnologie per la produzione di elettricità dal sole. Questo è il luogo ideale per massimizzare la produzione di energia solare. In particolare si sta sperimentando il progetto SolAir di una torre solare in cui si utilizza un nuovo sistema per sfruttare il calore prodotto dall’energia solare focalizzata in un unico punto e trasformarlo in corrente elettrica. Si utilizza difatti un materiale ceramico nero poroso posizionato su una torre alta 100 metri dove gli specchi, leggermente curvati e orientati automaticamente a seconda della posizione del Sole, vi concentrano i raggi. Dentro i pori del materiale che si arroventa viene risucchiata l’aria dell’atmosfera che raggiunge una temperatura di 700-1000 gradi centigradi.

26. Sistemi dish-stirling Si tratta di sistemi formati da un grande paraboloide riflettente, che insegue il movimento del sole e concentra la radiazione su un ricevitore montato sul punto focale, qui viene concentrata una quantità di radiazione solare pari a quella emessa da 2.000 soli. Nel ricevitore è installato un alternatore attivato direttamente da un particolare motore a combustione esterna: il motore stirling.

27. Conclusioni Quale di questi impianti è il migliore? Quale è da preferire? La riposta dipende da svariati fattori di ordine politico, economico, tecnico, di fattibilità. Si parla di abbassare il costo a Kw/h, si parla di costi/benefici, ma i parametri di riferimento sono diversi e soggettivi. I dati tecnici rilevati (altezze di marea, tipologia delle onde, velocità delle correnti, ore giorno di insolazione, ecc.), le “nuove idee”, le “nuove tecnologie”, l’impatto ambientale, hanno già dato direttive specifiche su dove realizzare e cosa realizzare. Dobbiamo continuare a studiare e, soprattutto, a realizzare questi impianti relativi al sole e al mare.