Per dirla con le parole di Victor Hugo:
“Riflettete al movimento delle onde, al flusso e riflusso, all’andirivieni delle maree. Che cos’è l’oceano? Una enorme forza perduta. Come è stupida la terra a non valersi dell’oceano!” (da: Novantatré, 1874).
Ancora oggi, a distanza di quasi centocinquant’anni, condividiamo lo stesso cruccio; intuendo l’enorme quantità di energia intrappolata tra le onde del mare, che è cinque volte più concentrata di quella del vento e dieci volte più di quella del sole, tuttora ci chiediamo: perché non siamo in grado di sfruttare questo potenziale per produrre grandi quantità di elettricità, di cui la nostra società ha sempre più bisogno?
Sebbene i primi tentativi di utilizzare l’energia del moto ondoso risalgano alla fine del millesettecento, nessun dispositivo è ancora riuscito ad imporsi su larga scala, perché le tecnologie per estrarla non hanno ancora raggiunto una maturità tecnica sufficiente, nonostante una grande varietà di concetti proposti.
Le sfide non sono dovute solo all’ambiente marino, che è indubbiamente ostile e mette a dura prova strutture e materiali, ma anche alla criticità specifica di alcuni componenti, necessari per convertire l’energia cinetica dell’onda in energia elettrica.
Uno di questi è il cosiddetto Power Take-Off che è un po’ il cuore di ciascun dispositivo, perché si occupa della conversione elettromeccanica e deve essere il più possibile efficiente ed affidabile. Tuttavia, troppo spesso esso è stato progettato senza una prospettiva d’insieme, che tenesse conto sistematicamente delle sue interazioni con gli altri componenti, nonché di tutte le assai variabili condizioni di funzionamento.
Il progetto “Blue for Green”, sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Trento, si propone di investigare proprio un tipo di Power Take-Off particolarmente promettente, in quanto completamente elettrico, tale cioè da garantire minori perdite e maggiore affidabilità perché privo di stadi intermedi di tipo idraulico o pneumatico. Si tratta di un sistema estremamente flessibile perché basato su una struttura modulare e che si può pertanto adattare a svariati dispositivi primari e alle più diverse condizioni del mare.
In particolare, il progetto si concentra su tre aspetti fondamentali e strettamente correlati, ovvero aumentare efficienza, affidabilità e scalabilità del Power Take-Off.
“Blue for Green” partirà dallo sviluppo di un modello di simulazione avanzato che offra una replica sufficientemente fedele dell’intera catena di conversione della potenza, dall’onda fino all’energia elettrica. Questo “gemello digitale” permetterà di studiare correttamente tutte le interazioni tra le varie parti, anche in scenari critici, ma limitando la complessità computazionale e quindi i tempi di calcolo.
Tale modello sarà la base per sviluppare soluzioni di controllo ottimizzate per il Power Take-Off, che sono necessarie per poter sfruttare il vantaggio della sua struttura modulare; è infatti necessario “istruire” ciascuno dei moduli a lavorare in sinergia con gli altri, in modo che, qualunque sia la condizione del mare, il “gioco di squadra” permetta di estrarre dalle onde la massima potenza, ma evitando sovraccarichi o possibili danni ai singoli componenti.
La modularità del Power Take-Off è inoltre un prezioso alleato nella gestione di eventuali guasti e permetterà di definire un approccio strutturato alla gestione degli stessi, che consenta, ove possibile, di continuare la produzione di energia ed evitare tempi di fermo-macchina, anche in presenza di contingenze che normalmente porterebbero allo stop completo.
Gli obiettivi finali sono l’aumento della resa energetica e una più prolungata disponibilità della potenza elettrica, entrambi fattori attualmente critici per rendere l’energia delle onde competitiva rispetto ad altre rinnovabili.
Questo contribuirà non solo agli obiettivi delineati dal Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza, che si propone esplicitamente di sostenere la realizzazione di sistemi di generazione da moto ondoso, ma ancor più agli ambiziosi traguardi europei che prevedono di raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, ma che senza l’energia degli oceani saranno difficilmente raggiungibili.
Il progetto Blue for Green sarà sviluppato al Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Trento con il coordinamento dell’ingegnera Elisabetta Tedeschi. UniTrento, con il sostegno di Dolomiti Energia, destina quest’anno la propria campagna del 5 per mille alla ricerca sulla produzione di energia pulita dalle onde del mare. Per maggiori informazioni: 5X1000 UniTrento 2021.
Electricity from the oceans
Transforming the waves' kinetic energy into electricity. The 5x1000 campaign of UniTrento for 2021 supports the Blue for Green project
by Elisabetta Tedeschi
Coordinator of the Blue for Green project, Professor at the Department of Industrial Engineering of the University of Trento and at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU).
To quote Victor Hugo:
"Think of the movement of the waves, the ebb and flow, the coming and going of the tides. What is the ocean? A huge lost force. How stupid the earth is, not to use the ocean!" (from Novantatré, 1874)
These words are still true today, 150 years after they were written; we know that the amount of energy trapped in the oceans is five times denser than that provided by the wind and ten times denser than the energy provided by the sun, yet we continue to ask ourselves: why can't we harness this potential to produce the power that our society demands?
The first attempts to generate electricity from sea waves date back to the end of the 18th century, but no device succeeded so far to be used on a large scale. The technologies we have to generate that power are not enough advanced, despite the different concepts developed.
The marine environment is hostile and poses a lot of challenges for structures and materials, but there are also other problems to be solved, regarding the components required to convert the waves' kinetic energy into electrical power.
One of these components is the Power Take-Off, the heart of each device, because it is responsible for the electro-mechanical conversion of energy and must be as efficient and reliable as possible. This particular component, however, has often been designed without considering, in a systemic perspective, the interactions with the other components, and all the variable conditions of operation.
Blue for Green, the project developed at the Department of Industrial Engineering of the University of Trento, aims to focus on a very promising type of Power Take-Off, an all-electric device with a smooth functioning that is more reliable because it does not have to run any hydraulic or pneumatic systems. This device is very flexible because it uses a modular structure that can be adapted to different prime movers in a variety of sea conditions.
Specifically, the project's focus is on three fundamental and interrelated aspects: how to increase the efficiency, reliability and scalability of the Power Take-Off.
To start, Blue for Green will develop an advanced simulation model replicating the entire power generation process, from “wave-to-wire”. With this digital model, the researchers will be able to examine all the interactions between the various components, including in critical conditions, but limiting the computational complexity and therefore the time required to perform the calculations.
This model will provide the basis to develop optimized control solutions for the Power Take-Off, which are essential to take advantage of its modular structure. Each module must in fact be trained to work in synergy with the others so that they all work together to generate the maximum power from waves, with no overloads and without causing any damage to individual components, under any sea condition.
The modularity of the Power Take-Off can be very useful when you have to deal with faults, and will lead to the definition of a structured approach to fault management: in this way, the system will be able to continue to generate energy, even under conditions that would normally require a turn off.
Overall, the objectives of the project are to increase energy yield and extend the availability of electrical power, two factors that are fundamental to make wave energy competitive compared with other renewables.
This will contribute not only to the objectives of the National Recovery and Resilience Plan, which explicitly proposes to support the construction of wave generation systems, but even more to the ambitious European goals which plan to achieve climate neutrality by 2050, a goal which however, without the energy of the oceans, will be difficult to reach.
[Translation by Paola Bonadiman]
The Blue for Green project will be developed at the Department of Industrial Engineering of the University of Trento and will be coordinated by Engineer Elisabetta Tedeschi. This year the University of Trento, with support from Dolomiti Energia, launched a 5x1000 campaign to fund research on the production of clean energy from sea waves. For more information: 5X1000 UniTrento 2021.