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Attività interdisciplinare per la seconda classe del primo biennio
Progetto ENERGIA 2018-19:
Energie Rinnovabili – Energia per il futuro
Laboratorio LENSeS
prof. Tonello Moreno
in
Aula Magna
prof.ssa Zamburlini Adriana
prof. Fagotto Roberto Referenti progetto
Relatore
introduzione
21 marzo 2019
SCHEMA DEL PROGETTO
• FASE 1: Presentazione progetto (21 marzo)
• Fase 2: Lavoro in classe
• FASE 3: Visita impianto(aprile – maggio)
• FASE 4: Produzione del PPT (dopo la visita all’impianto)
• FASE 5: Presentazione dei lavori (fine maggio)
Lavori di classe • Ogni classe approfondisce gli aspetti correlati ad un sistema di
produzione di energia collegato con un tipo di centrale.
Classi coinvolte
Tipologia di centrale
Destinazione Visita
2AG- 2BG
Idroelettrica
Centrale di SOMPLAGO (UD) Martedì 2 aprile 2019
2B – 2E
Geotermica e Termovalorizzatore
Impianto HERA di Ferrara Martedì 2 aprile 2019
2F – 2D
Termoelettrica a Carbone e CDR
ENEL “Palladio” di Fusina (VE) Martedì 7 maggio 2019
2A – 2C
Biomasse - Umido
Impianto BIOMANN di Maniago (PN) Mercoledì 3 aprile 2019
STRUTTURA DEL LAVORO DI CLASSE
Ciascuna classe sarà suddivisa in 5 gruppi di lavoro che tratteranno un aspetti specifico dell’impianto oggetto della visita fra i quali:
A. Caratteristiche della fonte di energia utilizzata dalla centrale (aspetti
chimici, fisici, approvvigionamento, ecc); B. Struttura e aspetti impiantistici della “centrale di produzione”. C. Le trasformazioni di energia che avvengono nell’impianto; D. Aspetti ambientali correlati della centrale considerata (acqua, aria,
rifiuti, rumore, ecc); E. Vantaggi e svantaggi del tipo di produzione di energia che avviene
nella centrale. Ciascun gruppo di lavoro produrrà un PPT costituito da 10 slide
riguardanti i diversi aspetti di cui 2 in lingua inglese
L'energia presente nei mari e negli oceani è una classica fonte di
energia rinnovabile e può essere estratta con diverse tecnologie:
fluidodinamiche (correnti, onde, maree) e di gradiente (termico e
salino). Ad oggi sono stati sperimentati molti sistemi di estrazione di
questa energia ed alcuni sono già in uno stadio precommerciale:
Energia delle Correnti Marine
Energia a Gradiente Salino (osmotica)
Energia Mareomotrice (o delle maree)
Energia del Moto Ondoso
Energia Talassotermica (OTEC)
Diversi ricercatori indicano come l'energia oceanica possa provvedere
ad una parte sostanziale dell'energia rinnovabile a livello globale.
Energia Oceanica
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Tecnologie impiantistiche – Moto ondoso e maree
Problema delle fonti intermittenti (così come fotovoltaico ed eolico), non programmabili
[Wald, Foley, 2009]
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Tecnologie impiantistiche – Moto ondoso e maree
Problema delle fonti intermittenti (così come fotovoltaico ed eolico), non programmabili
[Wayt Gibbs, 2006]
L'ammontare delle risorse energetiche oceaniche è stimato essere di:
300 TWh/anno dalle maree
800 TWh/anno dalle correnti marine
2.000 TWh/anno dal gradiente salino
10.000 TWh/anno dal gradiente termico (OTEC)
8.000 – 80.000 TWh/anno dalle onde
Consumo annuo di energia primaria nel mondo 146036 TWh (dato
2016)
Energia Oceanica
Le correnti marine sono dotate di energia cinetica e
possono essere sfruttate con lo stesso principio utilizzato
per l'energia eolica. Ne esistono di vario tipo: costiere, di
mare aperto, superficiali e di profondità, stabili o stagionali,
ecc. Si utilizzano generatori ad asse orizzontale (più
adatte alle correnti marine costanti, come quelle presenti
nel Mediterraneo) o verticale (per correnti di marea che
cambiano direzione).
Energia Oceanica
Energia delle Correnti Marine
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le correnti marine
Stretto di
Messina
Turbine ad asse
Verticale Kobold
Potenza
40 Kw
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ENERGIA DAL MARE
le correnti marine
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ENERGIA DAL MARE
le correnti marine
Testate Nel 2004
nel canale Norh Devon
England
Idroeliche da 300 KW
Il movimento dell'acqua attraverso la membrana genera una
variazione di pressione, che viene detta "pressione osmotica". Tale
pressione può essere utilizzata ad esempio attraverso una turbina per
generare energia, che può essere successivamente convertita in
energia elettrica
Energia Oceanica
Energia a Gradiente Salino
Dal 2005 è attivo un impianto sperimentale da 50 kW, situato in un
sito-test costiero in Harlingen, nei Paesi Bassi.
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ENERGIA DAL MARE
LE MAREE
15
16 m
di escursione
di quota
ENERGIA DAL MARE
LE MAREE
La marea, il ritmico innalzamento e abbassamento del livello del mare
provocato dall'azione gravitazionale della luna e del sole, di solito ha
un'ampiezza (dislivello tra l'alta marea e la bassa marea) inferiore al
metro, ma in alcune zone, per la particolare configurazione del sito, il
dislivello può raggiungere valori elevati, interessanti per lo
sfruttamento e la produzione di energia, ad oggi prevalentemente
elettrica.
Energia Oceanica
Energia Mareomotrice
Energia Oceanica
Energia Mareomotrice
In una tipica centrale ad energia mareomotrice l'acqua affluisce e defluisce in un
vasto bacino, passando attraverso una serie di tunnel nei quali, acquistando
velocità, fa girare delle turbine collegate a generatori.
Durante la bassa marea l'acqua del bacino defluisce verso il mare aperto, mettendo
nuovamente in rotazione la turbina.
Quando il livello del mare ricomincia a salire e l'onda di marea è sufficientemente
alta, si fa fluire l'acqua del mare nel bacino e la turbina si mette nuovamente in
rotazione.
Per ottenere la produzione di energia sia con marea crescente che calante, si
utilizzano particolari turbine reversibili, che funzionano cioè con entrambe le
direzioni del flusso.
Energia Oceanica
Energia Mareomotrice
Oggi esistono diversi progetti di sfruttamento delle maree, che comportano metodi
diversi di sfruttamento dell'energia:
sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità;
la compressione dell'aria in opportuni cassoni e movimentazione di turbine in
seguito alla sua espansione;
movimento di ruote a pale;
riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine.
Quest'ultimo sembra dare i migliori risultati, nell'effettivo impiego. Il problema più
importante allo sviluppo di tale tecnologia resta comunque lo sfasamento tra
massima ampiezza di marea disponibile (la cui cadenza è prevedibile sulla base
delle fasi lunari e solari) e domanda di energia nelle ore di punta. Infatti nei giorni di
insufficienza nell'afflusso d'acqua la produzione di elettricità cesserebbe. In Francia
nei pressi di Saint-Malo esiste un grosso impianto di questo genere.
Energia Oceanica
Energia Mareomotrice
I limiti principali di queste centrali sono:
Il costo di installazione elevato
La difficoltà di collocazione (indicativamente, i siti idonei devono avere ampiezze
di marea superiore ai 3 metri e topografia favorevole all'installazione)
La discontinuità nella produzione
L'erosione delle coste creata dalle centrali che modificano i flussi di marea
La tendenza alla sedimentazione all'interno del bacino (soprattutto se collocate
alla foce dei fiumi)
Il disturbo per l'ecosistema, in particolare per la fauna ittica.
Energia Oceanica
Energia Mareomotrice
Centrale di Saint-Malo
Modello in sezione della centrale alla foce del Rance.
In Francia, alla foce del fiume Rance, fra Saint-Malo e Dinard, tra il 1961 e il 1966 è
stata costruita una centrale che sfrutta la marea che da quelle parti raggiunge 13,5
m di dislivello.
La portata raggiunge 18.000 metri cubi di acqua al secondo e la potenza erogabile
raggiunge i 240 MW. Con questa produzione, ogni anno la centrale copre il 3 % del
fabbisogno elettrico della Bretagna francese.
La centrale comprende una diga in pietrame, 6 chiuse di entrata e uscita per
vuotare e riempire rapidamente la foce e 24 turbine a bulbo, sviluppate
appositamente.
Un altro esempio è la centrale di Aberdeen in Scozia.
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Aberdeen
(Scozia)
Lunghezza
330 m
Turbine
n° 24
Potenza
10 Mw
Potenza totale
240 Mw
Lo sfruttamento dell'energia cinetica del moto ondoso è di recente
sperimentazione in vari progetti europei di ricerca nel campo
energetico; in particolare se il moto ondoso viene sfruttato per la
produzione di energia elettrica, il sistema è denominato cimoelettrico.
Energia Oceanica
Energia del moto Ondoso
Tipologie di impianti cimoelettrici
Salto idrico o a gravitazione
Generatore a colonna d'acqua oscillante
Sistemi ad ondata
Sistemi basati sull'ampiezza dell'onda
Sistemi basati sul principio di Archimede
Generatore Pelamis
Energia Oceanica
Energia del moto Ondoso
Salto idrico
Attraverso il passaggio delle onde in un canale di larghezza progressivamente
decrescente (come avviene ad esempio in un'insenatura tra le rocce), o
mediante particolari rampe, le onde raggiungono altezze superiori ed è quindi
possibile riempire un bacino a quota superiore rispetto al livello del mare. Il
principio è detto anche concentrazione o focalizzazione delle onde. Il deflusso
continuo dell'acqua raccolta, tramite opportune opere civili, e il passaggio
attraverso turbine idrauliche (simili a quelle usate per gli impianti idroelettrici con
salti idrici contenuti), permette la generazione di energia elettrica. Un prototipo
precompetitivo ha potenza di 4-7 MW, ingombro orizzontale nell'ordine dei 200-
300 metri (comprensivi del bacino, dello “scivolo” e delle paratie laterali per il
convogliamento dell'acqua in arrivo)
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A gravitazione
ENERGIA DAL MARE
Il moto ondoso
Energia Oceanica
Energia del moto Ondoso
Generatore a colonna d'acqua oscillante
Il tipo di impianto più diffuso è quello a colonna d'acqua oscillante. L'impianto
raccoglie l'acqua che entra grazie al moto ondoso all'interno di una struttura cava
(In genere una colonna in calcestruzzo, ma l'impianto si presta ad essere adattato
a varie forme, anche sfruttando la naturale conformazione delle coste rocciose). Il
movimento delle onde che alzano e abbassano il livello dell'acqua nella struttura
mette in moto la colonna d'aria che sta sopra la superficie dell'acqua. L'aria,
uscendo e rientrando così dall'apertura superiore della colonna, mette in moto una
turbina. Per non perdere molta energia con la continua inversione del verso del
movimento dell'aria (che esce e rientra continuamente), si usano turbine Wells, in
grado di ruotare sempre nello stesso verso qualunque sia il verso del fluido che le
alimenta.
Energia Oceanica
Energia del moto Ondoso
Sistemi ad ondata
I sistemi ad ondata sono concettualmente simili: una sacca d'aria flessibile,
ancorata ad esempio a una boa, quando è investita dalle onde si gonfia e sgonfia;
l'aria entra ed esce dalla sacca, attraverso un'apertura superiore nella quale è
installato il turbogeneratore.
Sistemi basati sull'ampiezza dell'onda
Il movimento delle onde può azionare dei motori idraulici da accoppiare a un
generatore elettrico. Uno studio recente fornisce un esempio del meccanismo: una
struttura galleggiante semisommersa, costituita da vari elementi lunghi collegati in
serie con appositi snodi (si immagini un convoglio ferroviario, come forma e
dimensioni) viene mossa dalle onde variando l'inclinazione relativa dei vari
elementi. Appositi pistoni idraulici posti in corrispondenza dei giunti mettono in moto
un fluido, in pressione in un circuito interno, che aziona il motore idraulico, posto
all'interno di uno degli elementi. Sono attualmente in fase di installazione impianti
con potenza di 750 kW e 2 MW, e si stima che la taglia di un impianto “full scale” da
commercializzare sia di circa 30 MW.
Energia Oceanica
Energia del moto Ondoso
Sistemi basati sul principio di Archimede
Una struttura sommersa ancorata al fondo marino, dotata di camera d'aria, è
soggetta a cicli di compressione-decompressione dovuti alla variazione, originata
dalle onde, della colonna d'acqua soprastante. Al largo delle coste del Portogallo,
ad esempio, è stato testato con esito positivo un impianto pilota con potenze di
picco di 1500 kW. La forma dell'apparato è quella di un grosso cilindro, avente la
base ancorata al fondo e un “cappello” mobile in senso verticale; è stato
sviluppato, per la conversione dell'energia meccanica in elettrica, un apposito
generatore lineare, in grado di semplificare e ridurre al minimo i componenti del
sistema. Si prevede che l'impianto commerciale, di potenza 2 MW, dovrà avere
altezza 30 metri, diametro 10 metri; per quanto concerne il sito di installazione le
caratteristiche tipiche sono con fondali di 80–90 m di profondità, con onde di
ampiezza 5 m.
Sistemi simili possono essere costituiti da un galleggiante, ancorato al fondo
tramite un sistema in grado di trasferire l'energia meccanica del moto relativo tra il
fondo e la “boa”, tramite appositi meccanismi, a un generatore. L'azionamento di
un generatore per opera di un elemento galleggiante è possibile anche con
dispositivi oscillanti, tipo paratoie sbattute dalle onde. Una problematica comune
di questi sistemi è la bassa frequenza del moto ondoso, mentre per l'azionamento
dei generatori elettrici sono preferibili alte velocità.
Energia Oceanica Energia del moto Ondoso
Generatore Pelamis
Un altro esempio noto è quello dei generatori mareomotrici "Pelamis"
(sperimentate in Portogallo), costituiti da strutture tubolari galleggianti
ancorati al fondo marino. All'interno di queste strutture vi sono delle turbine
messe in moto da liquido ad alta pressione che viene pompato da pistoni
idraulici grazie al movimento relativo dei i vari scompartimenti galleggianti.
Tali generatori generano energia con costanza, ma mostrano un ingombro
non indifferente.
Energia Oceanica Energia del moto Ondoso
Generatore Pelamis
Un altro esempio noto è quello dei generatori mareomotrici "Pelamis"
(sperimentate in Portogallo), costituiti da strutture tubolari galleggianti
ancorati al fondo marino. All'interno di queste strutture vi sono delle turbine
messe in moto da liquido ad alta pressione che viene pompato da pistoni
idraulici grazie al movimento relativo dei i vari scompartimenti galleggianti.
Tali generatori generano energia con costanza, ma mostrano un ingombro
non indifferente.
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Impianti prototipi: Portogallo e Scozia , 7
convertitori per una potenza complessiva di 5
MW , isola di Vancouver in Canada (2 MW).
Gli impianti commerciali dovrebbero avere
una potenza di 30 MW, una estensione di un
Km2 di mare
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Energia Oceanica Energia Talassotermica
La differenza di temperatura tra le acque superficiali del mare, riscaldate
dall'energia solare, e quella in profondità, rende possibile la produzione di
energia elettrica. Il principio è concettualmente simile a quello di una centrale
termoelettrica a vapore. Si utilizza un ciclo chiuso nel quale circola un fluido
(es: ammoniaca e fluoro) in grado di evaporare alla temperatura dell'acqua di
superficie (es: 25-28 °C); il vapore in pressione mette in moto una turbina e un
generatore di elettricità (alternatore), quindi passa in un condensatore e torna
allo stato liquido, raffreddato dall'acqua aspirata dal fondo (che può essere ad
esempio a 6-7 °C).
Energia Oceanica
Energia Talassotermica
Le aree più idonee per queste installazioni sono quelle tropicali,
in mari molto profondi e caldi, dove nello strato superficiale
(100 m circa) la temperatura varia tra i 25 e i 30 °C, e oltre i
400 metri di profondità giungono le acque provenienti dai poli, a
temperature di 0 – 4 °C. Un limite allo sviluppo di questi
impianti è invece, attualmente, il costo elevato.
Energia Oceanica Energia Talassotermica
La prima centrale di questo tipo è stata realizzata nel 1996
presso le isole Hawaii, a Tahiti e a Bali: la potenza installata è
di 250 kW, ma si ritiene sia possibile realizzare impianti di taglia
nell'ordine di alcuni MW.