[INSEAN] Istituto nazionale per studi ed esperienze di architettura navale

RIFERIMENTI

Emilio Fortunato Campana (emiliofortunato.campana.cnr.it)

Francesco Salvatore (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

PRINCIPALI ATTIVITA’ NEL SETTORE ENERGIA

Sul tema delle fonti di energia pulita e rinnovabile, il CNR-INSEAN (http://www.insean.cnr.it/) conduce attività di ricerca e sviluppo sui sistemi per la produzione di energia dal mare. Gli studi riguardano in particolare la generazione di energia dalle onde, dalle correnti e dal vento.

L'obiettivo è contribuire alla crescita delle conoscenze in questo settore tecnologico relativamente nuovo mediante la comprensione dei meccanismi di conversione dell'energia, l’analisi e la messa a punto dei dispositivi di generazione e lo sviluppo di tecniche e strumenti progettuali.  Le attività comprendono anche lo studio delle implicazioni che queste tecnologie possono avere sull'ambiente e sulle altre attività umane connesse ai mari (pesca, trasporti, turismo).

Al CNR-INSEAN i sistemi per estrarre energia da onde, correnti e dal vento in mare (eolico offshore) sono studiati utilizzando sia tecniche sperimentali  che strumenti di modellistica matematica e computazionale.

Le attività sperimentali si avvalgono di impianti di rilevanza mondiale sia per le dimensioni che per la  strumentazione impiegata nelle prove.  Alcuni di questi impianti come il bacino rettilineo di acqua calma, lungo 470 metri, largo 13,5 e profondo 6,5 , il bacino lungo 220 metri con generatore di onde in grado di produrre diversi spettri d'onda e simulare fino a stati di mare 6-7, ed il canale di circolazione, con una sezione di prova dal volume di oltre 4 milioni di litri, sono oggi tra le infrastrutture più grandi al mondo per lo studio dell’energia dal mare.

Gli impianti forniscono un ambiente di prova per modelli in scala con condizioni rigorosamente controllate e ripetibili ma allo stesso tempo rappresentative delle reali condizioni in cui i dispositivi di generazione operano in mare.   http://www.insean.cnr.it/en/content/overview-test-facilities

  
   
Il bacino rettilineo lungo 470 metri per prove in acqua calma. Sezione di prova del canale di circolazione depressurizzabile.

Complementari agli studi sperimentali, sono le attività di simulazione mediante modelli matematici e strumenti computazionali. In questo campo il CNR-INSEAN ha una lunga tradizione di sviluppo e continuo aggiornamento di modelli con varie applicazioni tra cui:

  • previsione delle prestazioni mediante fluidodinamica computazionale (CFD)
  • interazione fluido-struttura
  • risposta delle strutture galleggianti ed immerse ai carichi idrodinamici generati dai moti marini
  • aero/idro-elasticità delle turbine
  • aero/idro-acustica delle turbine
  • ottimizzazione dei parametri geometrici ed operativi per la massima efficienza produttiva

Esempi di studi condotti con approccio sperimentale.

  • Campagne sperimentali in collaborazione con ENEA e Politecnico di Torino sui dispositivi per generazione di energia da onde denominati ISWEC (Inertial Sea Wave Energy Converter) e PEWEC (Pendulum Wave Energy Converter) su modelli in scala  1:45 e 1:12 con prove in condizioni di mare regolare ed irregolare. Attività nell'ambito dello sviluppo del sistema in corso di sperimentazione in mare all'isola di Pantelleria.
  • Misure sperimentali dei moti e dei carichi indotti su un modello di turbina eolica galleggiante combinata con un generatore da onde (sistema STC, Spar-Torus Combination). Attività condotta nell’ambito del progetto Europeo FP7 MaRINETin collaborazione con CeSOS/NTNU (Norvegia, ideatore del sistema) con una intensa campagna sperimentale, in onda regolare e irregolare, con e senza vento, in condizioni operative ed estreme.

 

 

 
Modello per generazione da onde (ISWEC, Politecnico Torino/Wave for Energy Srl, Italia) Allestimento per prova di un sistema ibrido onde/vento (sistema STC, CeSOS/NTNU, Norvegia)
  • Studio delle prestazioni di turbine ad asse orizzontale e verticale che convertono l'energia delle correnti di marea in energia elettrica. Modelli di turbina di dimensioni variabili tra 50 cm e 150 cm (diametro rotore) sono provati nei bacini rettilinei ed al canale di circolazione per determinare i carichi idrodinamici, la potenza generata al variare delle condizioni operative ed analizzare il campo di velocità nella scia dei rotori con tecnica LDV (Laser Doppler Velocimetry) e PIV (Particle Image Velocimetry) stereoscopica.
  • Di particolare rilievo alcuni studi svolti di recente nell’ambito del progetto Europeo FP7 MaRINET:
  1. effetto sulle prestazioni di un rotore dell'impatto con la scia di un altro rotore (simulazione del funzionamento in array, collaborazione con società francese SABELLA SAS, nell'ambito dello sviluppo del rotore D10, il primo ad essere stato installato in mare e collegato alla rete elettrica nazionale in Francia
  2. effetto sulle prestazioni dell'interazione tra onde e correnti e determinazione dei carichi a fatica sulle pale (collaborazione con Università di Cardiff e Strathclyde, Regno Unito)
  3. confronto tra misure di prestazioni in bacino ed in mare aperto in condizioni reali di corrente di marea impiegando il più grande modello di turbina (1.5 m di diametro) mai provato in bacino di rimorchio, sviluppato da Queen's University of Belfast, Regno Unito.
     
Modello di turbina per correnti marine di diametro rotore 1,5 m sviluppato alla Queen’s Univ. Belfast Studio dell’interazione tra due rotori per correnti di marea (collaborazione con SABELLA SAS) Velocità a valle di turbina per correnti marine misurata con tecnica PIV (Particle Image Velocimetry)
  • Analisi della risposta dinamica di tralicci per il supporto di generatori eolici in mare (offshore wind) soggetto a moti ondosi di varia tipologia con onde regolari ed irregolari. Prove di sopravvivenza delle strutture mediante la determinazione delle sollecitazioni in presenza di onde che simulano stati di mare tipici di eventi estremi.
  • Sviluppo sperimentale di un sistema innovativo per la generazione di energia dal vento basato su piastra flessibile dotata di strati di materiale piezoelettrico per la conversione delle deformazioni meccaniche in energia elettrica, in collaborazione con CNR-ISTEC per la tecnologia dei piezoelettrici.
  
Schema di funzionamento e realizzazione sperimentale di sistema a piastra flessibile con strati di materiale piezoelettrico

Attività recenti basate sull’impiego di strumenti teorico/computazionali.

  • Modellazione con tecniche CFD di vario tipo (RANSE, DES, LES, BEM, ibrido RANSE/BEM) per lo studio delle prestazioni di turbine eoliche e turbine per correnti marine. Il modello ibrido RANSE/BEM viene anche impiegato per simulare l'interazione tra più rotori in batteria (array) e per lo studio di condotti acceleranti il flusso in ingresso ai rotori. Modelli prestazionali basati su tecnica BEM sono stati accoppiati con modelli della componentistica elettrica sviluppati dal CNR-ISSIA per il controllo della potenza erogata in condizioni operative reali.
  • Modellazione aeroelastica per rotori di turbine ad asse orizzontale con accoppiamento di solutori aerodinamici con solutori FEM per la modellazione strutturale della pala.
  • Previsione dell'impatto ambientale di rotori di turbine ad asse orizzontale mediante modellazione aero/idro-acustica con accoppiamento di solutori CFD e modelli acustici di derivazione aeronautica (Ffowc-Williams e Hawkings).
 
Simulazione con modello Navier-Stokes (DES) della scia di una turbina eolica  Analisi con modello ibrido RANSE/BEM dell’interazione tra due turbine per correnti marine Progetto di turbina per correnti marine realizzato al CNR-INSEAN
  • Modellazione con tecnica ibrida RANSE/BEM della risposta al moto ondoso di piattaforme per sistemi di generazione di energia dalle onde di varia tipologia.
  • Applicazione di modelli di tipo Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) per lo studio dell'interazione di dispositivi del tipo a profilo oscillante con onde incidenti nel caso di eventi estremi.
  
Modello ibrido RANSE/BEM per la previsione dei moti del sistema ISWEC sviluppato dal Politecnico di Torino per generazione di energia da onde
 
Simulazione con tecnica “Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)” dell’impatto di onda su profilo oscillante per generazione energia da onde (in collaborazione con ECN, Francia)
  • Studio dell’effetto dei carichi ondosi nonlineari (ad es. impatto indotti da onde frangenti) e fenomeni aero-idroelastici indotti. Strategia del tipo domain decomposition per la stima dei carichi ondosi nonlineari che agiscono sulla parte immersa e galleggiante di un sistema ibrido offshore wind/wave (ad es. STC, in collaborazione con CeSOS/NTNU), nonché per la stima dei carichi impulsivi di slamming e di acqua su piattaforma nel caso di sistemi di estrazione di energia dalle onde.
  • Modellazione del carico aero-idroelastico su una turbina eolica offshore fissata sul fondo marino attraverso una strategia del tipo domain decomposition. Il metodo, sviluppato in collaborazione con l’Università di Firenze (DICEA), accoppia un modello HOBEM per la propagazione nonlineare di onde di superficie libera con modelli aeroleastici open-source.
  

Molte di queste attività sono condotte nell'ambito di grandi progetti di ricerca nazionali  (Progetto Bandiera RITMARE, http://www.ritmare.it/) ed europei (in particolare, progetto EU-FP7 MaRINET, http://www.fp7-marinet.eu/), e nell'ambito di attività di commessa, dove i ricercatori del CNR-INSEAN lavorano a stretto contatto con gli sviluppatori di tecnologie per validarle e mettere a punto nuove soluzioni.  Collaborazioni sono in corso con aziende impegnate nello sviluppo di sistemi per produrre energia dalla correnti (SABELLA SaS,  Francia, Schottel Hydro, Germania, Safrema Energy LLC, USA) e per l’energia dalle onde (l’italiana WaveForEnergy Srl, spin-off del Politecnico di Torino). Inoltre, il CNR-INSEAN collabora con ENEL Green Power nell’ambito dell’accordo quadro tra ENEL e CNR.

http://www.cnrweb.tv/insean-dal-mare-energia-pulita-e-rinnovabile

Il CNR-INSEAN partecipa attivamente alle attività di comitati ed organismi internazionali nel settore dell’energia quali l’International Towing Tank Conference (ITTC), l’International Ship & Offshore Structures Conference (ISSC), European Energy Research Alliance (EERA, Joint programmes Wind and Ocean), Ocean Energy Europe (OEE), Ocean Energy Forum e la piattaforma tecnologica Europea su energia dal Mare (TP-Ocean) e le piattaforme europee dedicate in vario  modo alla Blue Growth: WATERBORNE e JPI Oceans. A queste si aggiungono collaborazioni a livello nazionale (GSE, ENEA) ed internazionale (IEA-OES).

http://www.cnr.it/sitocnr/video_view.html?id_video=3388

INFRASTRUTTURE E STRUMENTAZIONE

Le attività di ricerca e sviluppo tecnologico svolte dal CNR-INSEAN nel campo della produzione di energia pulita e rinnovabile dal mare si avvalgono di infrastrutture di prim’ordine a livello internazionale.

Tra i principali impianti si segnalano:

  • bacino di rimorchio per prove in acqua calma: dimensioni 470x13,5x6,5 m, equipaggiato con un carro per il traino dei modelli con velocità fino a 12 m/s. Impianto idoneo per prove di turbine eoliche o per correnti marine (singole o array), con modelli di grandi dimensioni.
  • bacino di rimorchio per prove in onde: dimensioni 220x9,0x3,5 m, equipaggiato con un carro per il traino dei modelli con velocità fino a 10 m/s, una piattaforma mobile per installazioni speciali. Il bacino dispone di un generatore d’onda (regolari ed irregolari) con altezza massima di 50 cm, ed un generatore di vento fino a 5 m/s. Impianto idoneo per prove di sistemi di generazione da onde, correnti e dal vento (anche sistemi ibridi).
  • canale di circolazione depressurizzabile: sezione di prova 10x3.6x2.25 m, velocità del flusso tra 0,3 e 5.0 m/s. Impianto a pressione regolabile tra 3 e 101 kPa per studi sulla cavitazione. Impianto adatto per prove di turbine eoliche e per correnti marine (singole o array).

Per le prove viene impiegata strumentazione all’avanguardia per la misura delle forze idrodinamiche (dinamometri), dell’elevazione d’onda, del campo di velocità (sistemi LDV, PIV, Stereo-PIV), del campo acustico e per la visualizzazione mediante telecamere veloci. 

Gli impianti e la strumentazione consentono attività di prova su modelli con molteplici obiettivi:

  • analisi delle prestazioni dei dispositivi al variare delle condizioni operative
  • messa a punto dei sistemi di conversione in energia elettrica (Power Take Off, PTO)
  • effetto sulle prestazioni dell’interazione onde-correnti, onde/vento
  • interazione tra dispositivi nel caso di installazione in batteria (arrays)
  • prova di sistemi di ormeggio e fondazione, piattaforme galleggianti
  • studi sull’affidabilità sul lungo periodo e sopravvivenza ad eventi estremi (reliability, survivability)
  • analisi dell’impatto ambientale
  • Operazioni di installazione e rimozione (commissioning, decommissioning)

Le attività sperimentali sono supportate da laboratori per la costruzione dei modelli da provare e per lo sviluppo di strumenti ed apparati di misura. Su impianti e laboratori opera personale esperto e qualificato.

Maggiori dettagli su tutti gli impianti e laboratori: http://www.insean.cnr.it/en/content/overview-test-facilities

Inoltre, i modelli computazionali disponibili al CNR-INSEAN forniscono strumenti efficienti ed ampiamente validati per l’analisi ed il supporto alla progettazione dei sistemi di conversione dell’energia marina nelle sue varie forme. Si tratta in larga parte di modelli sviluppati in sede dai ricercatori dell’Istituto e largamente validati nel corso degli anni. Questi modelli consentono, tra l’altro, di fornire risposte per quei problemi dove le prove in laboratorio su modelli fisici non sono una soluzione percorribile, come ad esempio nel caso di:

  • device upscaling: previsione delle prestazioni al crescere delle dimensioni del dispositivo, utile per procedere al dimensionamento ottimale delle macchine da installare in mare;

array planning: previsione della produzione complessiva di una batteria (array) con un numero elevato di dispositivi disposti in base alle caratteristiche del sito identificato per lo sfruttamento della risorsa energetica.

TEMATICHE/SETTORI DI INTERVENTO

-        Produzione di energia da fonti rinnovabili

-        Efficienza energetica

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