Energia dalle onde, come funziona il sistema EDS ideato da Tecnomac

Abbiamo parlato ieri dell’idea di Tecnomac (leggi l’approfondimento) che con il sistema EDS intende massimizzare la produzione di energia ricavata dalle onde. EDS è una macchina per estrarre energia elettrica dall’energia del moto ondoso. L’energia delle onde è una delle forme di energia rinnovabile del mare, insieme a quella delle maree e quella termica. Una macchina di conversione dell’energia delle onde è capace di ricevere le sollecitazioni delle onde, trasformarle in energia meccanica e poi in energia elettrica. Tra questi sistemi, i “point absorber” (come il sistema EDS) sono dispositivi che hanno una dimensione piccola in confronto alla lunghezza d’onda delle onde.

La maggior parte degli studi circa lo sfruttamento dell’energia delle onde si sono concentrati su dispositivi posti in mare aperto, poiché lì è disponibile un maggiore quantitativo di energia rispetto alle zone costiere. Infatti le onde, propagandosi dal largo verso riva, dissipano energia attraverso attrito col fondo, rifrazione e frangimento d’onda. Comunque recenti studi hanno mostrato come anche le zone vicino alla costa siano adatte per lo sfruttamento dell’energia ondosa. In un lavoro di Folley e Whittaker sono analizzati due siti della costa scozzese nell’oceano Atlantico del Nord ed è mostrato come, mentre l’energia totale delle onde diminuisca sensibilmente avvicinandosi alla costa, la riduzione della parte di energia realmente sfruttabile, passando dal mare aperto ad una profondità di 10 m, si riduce solo del 7 e del 22%. Questo anche perché una parte significativa dell’energia totale in mare aperto si manifesta durante i maremoti e perciò non è sfruttabile. I vantaggi di un dispositivo posto vicino alla costa rispetto ad uno posto in mare aperto sono sicuramente un minore costo di installazione, manutenzione e controllo più semplici, e una maggiore durata del dispositivo. In più le onde in acque basse, sebbene abbiano un minor contenuto energetico, hanno una maggiore spinta orizzontale.

Il progetto EDS di Tecnomac è un sistema ibrido in grado di sfruttare simultaneamente la spinta orizzontale (surge) e verticale (heave) dell’onda. Esso è composto da un galleggiante ed una pala che lavorano in fase. Il galleggiante oscilla verticalmente sotto l’azione della forza di heave,  la pala posta dietro il galleggiante, riceve la spinta orizzontale dell’onda. Galleggiante e pala sono connessi attraverso leveraggi ad un sistema oleodinamico di conversione dell’energia.

SISTEMA DI TRASFORMAZIONE ENERGIA
Il progetto EDS prevede di catturare l’energia delle onde frangenti per mezzo di una leva che, opportunamente posizionata e strutturata, sia in grado di fungere da pompante per movimentare il fluido contenuto in un cilindro oleodinamico ad essa collegato, forzandolo a scorrere ad altissima pressione. Il cilindro oleodinamico pieno di fluido, sollecitato dal movimento della leva, agisce da pompa imprimendo al fluido in esso contenuto una pressione che varia in funzione del rapporto tra spinta ricevuta e sezione del cilindro stesso. Il fluido pompato, seguendo un circuito predisposto,viene iniettato in un motore oleodinamico collegato al generatore di corrente che quindi produce energia elettrica. Il fluido in uscita dal motore oleodinamico viene inviato ad un vaso di contenimento che provvede a mantenere sempre piena la parte pompante del cilindro, garantendo così la continuità del processo.

Per garantire continuità al processo è anche necessario acquisire con continuità la potenza presente nel moto ondoso catturando, in modo alternato, le spinte orizzontali e verticali dell’ acqua in movimento. E’ possibile catturare la spinta verticale dell’onda (leva orizzontale) utilizzando una leva inclinata di circa 30° gradi sull’orizzonte, incernierata a 3-4 metri sul livello del mare, e con il terminale basso appoggiato sulle onde per mezzo di un galleggiante. Il galleggiante, seguendo il movimento verticale dell’ onda, movimenta la leva che aziona il cilindro pompante attivando così il ciclo sopra  descritto. Il ciclo rimane attivo per il tempo in cui la fase montante della cresta dell’onda solleva il galleggiante poi, quando la cresta dell’ onda supera il galleggiante, il ciclo attivo si interrompe in attesa dell’ onda seguente.

Ora supponiamo di collegare nella parte bassa (verso il mare) della leva, posizionandolo dietro il galleggiante, un braccio mobile libero di oscillare, il cui terminale verso il mare sia una pala. Adeguando le dimensioni e le posizioni relative tra galleggiante e pala è possibile ottenere che la cresta dell’ onda, superato il galleggiante, nel suo procedere verso la costa si trovi a contatto con la pala e sia quindi costretta a spingerla in direzione del suo movimento. Frapponendo tra la leva e l’ appendice della pala un cilindro oleodinamico, questo è in grado di funzionare esattamente come il cilindro della leva attivato dal movimento del galleggiante. Il ciclo di pompaggio del cilindro collegato alla pala, analogamente al cilindro collegato al galleggiante, è attivo solamente per il periodo in cui la cresta dell’onda spinge contro la pala.

E’ quindi possibile, congegnando e sincronizzando bene il modulo combinato così ottenuto, raggiungere la funzionalità continua del sistema in modo da pompare al motore oleodinamico il fluido contenuto nei due cilindri oleodinamici, ottenendo che il periodo inattivo di uno sia coperto dal periodo attivo dell’ altro.

Ciclo e movimenti galleggiante e pala
L’onda, raggiunto il galleggiante, lo solleva per tutta l’altezza dell’onda stessa (fase attiva di pompaggio verticale). In questa fase il movimento del galleggiante induce il movimento della leva che aziona il cilindro ad essa collegato. Il fluido, pompato ad alta pressione, percorre il circuito e aziona il motore oleodinamico collegato al generatore di corrente che quindi produce energia elettrica. Cessata la fase attiva del galleggiante, il fluido in pressione viene a mancare e quindi il generatore di corrente cessa di produrre energia elettrica. In tutta questa fase di movimento della leva, la pala posta posteriormente al galleggiante non ha mai sfiorato l’acqua ed è quindi stata ininfluente. Cessata l’azione di spinta attiva dell’onda sul galleggiante la leva, seguendo il galleggiante, scende seguendo l’andamento della stessa. La fase discendente della leva inserisce la pala nell’onda e la tiene immersa fino a quando il galleggiante inizia a risalire. Durante tutta questa fase la pala è inserita nell’onda e ne subisce l’influenza spingendo sul cilindro oleodinamico che, sollecitato, pompa  fluido al motore oleodinamico. In funzione della sezione del cilindro oleodinamico il fluido viene pompato nel circuito alla stessa pressione del fluido pompato dal cilindro collegato alla leva, mantenendo quindi costante e continua la rotazione del generatore e la potenza elettrica prodotta. E’ quindi possibile, bilanciando adeguatamente l’impianto e le fasi attive del galleggiante e della pala, produrre costantemente e continuativamente la potenza elettrica. Il modulo combinato consente, quindi, di estrarre il massimo possibile dell’energia cinetica posseduta dalle onde sottocosta trasformandola in energia elettrica con la sola perdita dovuta al normale calo di rendimento di ogni ciclo di trasformazione.

Osservazioni tecniche e scelte progettuali EDS
La potenza disponibile nel moto ondoso è soggetta alle variazioni di forza, frequenza e altezza delle onde è quindi necessaria una approfondita analisi di queste variabili e di come influiscono sui terminali della leva (pala e galleggiante) per ottimizzare il rendimento della macchina. La forza agisce direttamente sulla leva, l‘altezza dell’onda determina l’ampiezza del movimento, mentre la frequenza determina il numero dei movimenti nel tempo. In pratica, nel sistema oleodinamico adottato, la forza sfruttata si traduce direttamente in pressione impressa al fluido, mentre l’altezza dell’onda e la frequenza  agiscono sulla portata del fluido stesso. La frequenza è un dato invariabile mentre, lavorando sul rapporto di leva, è possibile variare la forza che agisce sul cilindro e l’ampiezza del movimento della leva che però sono inversamente proporzionali fra di loro.

Particolarmente importante nella scelta progettuale è stata l’ adozione di due accorgimenti:

– Il primo relativo all’ utilizzo di un cilindro oleodinamico moltiplicatore di pressione, progettato per fornire al fluido pompato il massimo di pressione possibile garantendo ovviamente i requisiti minimi per queste apparecchiature in pressione.
– Il secondo riguarda la leva sulla quale è stato collocato un contrappeso mobile che, movimentato opportunamente e automaticamente, permette di utilizzare la macchina adeguandola alle diverse condizioni del mare, con l’obbiettivo di massimizzarne il rendimento.

Il mare è una risorsa energetica da sfruttare, nel giusto modo e con il corretto approccio (impatto ambientale), come hanno dimostrato le “pale eoliche sottomarine” sperimentate e in funzione in Scozia (leggi l’approfondimento). Il sistema EDS è davvero interessante, e grazie alle sue ridotte dimensioni potrebbe avere anche un minimo impatto ambientale, ed essere sfruttato inseerendolo in adeguate strutture costiere, come nell’esempio sotto riportato. Per maggiori informazioni potete visitare il sito web diTtecnomac  all’indirizzo http://www.tecnomac.it/it/

Collaborano al progetto EDS di Tecnomac:
Prof. Luigi Solazzi, responsabile del dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale dell’ Università degli Studi di Brescia, responsabile delle problematiche connesse con la cinematica, la dinamica e gli elementi strutturali.  Progettista di tutti i componenti dedicati alla trasmissione dell’energia del moto ondoso al sistema idraulico.
Prof. Stefano Malavasi,  Ricercatore del Dipartimento di Ingegneria Idraulica del Politecnico di Milano, responsabile di tutte le attività riguardanti la fluidodinamica e del dimensionamento e conformazione degli organi a contatto con l’onda.

3 Commenti

  1. stefano 15 settembre 2013 at 19:59 - Reply

    L idea. E molto interessante e funzionale .

  2. Massimiliano Zanetti 9 maggio 2016 at 09:27 - Reply

    L’idea mi piace; ci sono problemi particolari per mettere in atto questo sistema oppure non è ritenuto sufficientemente produttivo?

    • Stefano Caproni 11 maggio 2016 at 18:01 - Reply

      Ciao Massimiliano
      Non ne ho idea, ho solo pubblicatol’articolo a titolo informativo.
      Prova a contattare l’azienda

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