Academic literature on the topic 'Energie Marine Rinnovabili'

Il Climate Change è il più grave problema ambientale che la società umana si sia mai trovata ad affrontare. La sua risoluzione dovrà passare inevitabilmente dalla decarbonizzazione dei sistemi antropici, primo fra tutti quello della produzione e del consumo dell’energia. È necessario un rapido e concreto cambio di paradigma che metta al centro e che sostenga economicamente e burocraticamente le Renewable Energy Sources (RES). L’Unione Europea crede molto in questa via e vede nelle Blue Energy (BE), le tecnologie che sfruttano l’energia di mari e oceani, una delle soluzioni strategiche e dal più elevato potenziale. Lo evidenzia nel Green Deal e riconosce come queste tecnologie potranno fare la differenza per la ripartenza dell’economia post pandemia da COVID-19. I potenziali dei mari sono enormi e già esistono numerose tecnologie per lo sfruttamento di onde, correnti marine e di marea, gradiente salino, gradiente termico e vento offshore. Con questo studio abbiamo voluto valutare la sostenibilità dell’implementazione di alcune di queste tecnologie contestualizzandole in località costiere dell’Area del Mediterraneo. Per fare questo abbiamo utilizzato tre metodologie tra loro complementari: Life Cycle Assessment (LCA), Emergy e Bilancio dei gas serra e sono stati valutati alcuni impianti per lo sfruttamento delle onde (Wave Energy Converter – WEC) e una turbina eolica offshore flottante, nuova frontiera dello sfruttamento del vento su fondali profondi come quelli del Mediterraneo. L’Analisi del ciclo di vita ci ha permesso di effettuare una valutazione preliminare su queste tecnologie riguardo le emissioni di gas serra derivanti dalla loro costruzione e implementazione e, mediante stime di produttività, valutarne la Carbon Intensity per confrontare le performance ambientali con la letteratura esistente in materia. L’Emergy ha permesso di valutare e quantificare l’impiego di risorse non rinnovabili connesse con l’investimento dovuto all’impiantistica necessaria allo sfruttamento delle Marine Renewable Energies in esame. Il Bilancio dei Gas Serra è stato invece utilizzato in una forma riadattata per il contesto urbano; questo framework è stato sperimentato e testato nel corso delle attività del progetto FP7 City-Zen. Questo ci ha permesso di ipotizzare l’implementazione di queste tecnologie in una situazione reale, teorizzando l’inserimento di alcuni dispositivi all’Isola del Giglio (GR), al fine di permettere a questa realtà insulare di divenire Carbon Neutral in un arco temporale 2030-2050. Questo studio ha evidenziato come le Blue Energy (BE) siano una soluzione importante, che potrà dare un contributo strategico per il raggiungimento degli obiettivi di carbon neutrality al 2050 fissati dall’Europa. Questo studio di tesi si è inserito all’interno delle attività di ricerca dei progetti Interreg-MED MAESTRALE e BLUE DEAL che mirano all’implementazione e all’inserimento di queste tecnologie nelle pianificazioni territoriali delle realtà costiere e insulari del Mediterraneo. Le BE hanno la potenzialità per divenire elemento caratterizzante le nostre città costiere, ma è necessario aumentare gli sforzi per favorirne lo sviluppo ed evitare che tecnologie spesso agli albori vengano spazzate via dalla crisi economica. Risulteranno fondamentali più fondi alla ricerca, una maggior condivisione delle conoscenze in materia e una fattiva semplificazione dell’apparato burocratico inerente alle BE e, più in generale le RES.
Climate Change is the most serious environmental problem that human society has ever faced. Its resolution will pass through the decarbonization of anthropogenic systems, first, energy production and consumption. A rapid and concrete change of paradigm is needed; Renewable Energy Sources (RES) need to be put at the centre and supported them economically and bureaucratically. The European Union strongly believes in this way and sees in Blue Energy (BE), technologies that exploit the energy of the seas and oceans, one of the strategic solutions with the highest potential. In the Green Deal, it is highlighted that BE could make a difference for the recovery of the post-pandemic COVID-19 economy. The potentials of the seas are enormous, and several technologies already exist for the exploitation of waves, sea and tidal currents, saline gradient, thermal gradient, and offshore wind. With this study, we evaluated the sustainability of the implementation of some of these technologies by contextualizing them in coastal locations in the Mediterranean area. We performed the study using three complementary methodologies: Life Cycle Assessment (LCA), Emergy, and Greenhouse Gas Balance. Four Wave Energy Converter (WEC) and a floating offshore wind turbine were evaluated. The Life Cycle Analysis allowed us to carry out a preliminary assessment of these technologies regarding the greenhouse gas emissions deriving from their construction and implementation and, through productivity estimates, to evaluate their Carbon Intensity. The Emergy allowed to evaluate and quantify the use of non-renewable resources connected with the investment due to the plant necessary for the exploitation of the Marine Renewable Energies under study. The Greenhouse Gas Balance was used within a specific framework tested during the activities of the FP7 City-Zen project for the study of an urban context. This allowed us to hypothesize the implementation of some devices in a real situation, the Giglio Island (Tuscany); the goal is to allow this insular reality to become Carbon Neutral in the time frame 2030-2050. This study has shown that Blue Energy (BE) is an important solution, which can make a strategic contribution to achieving the 2050 carbon neutrality goals set by Europe. This study is part of the research activities of the Interreg-MED MAESTRALE and BLUE DEAL projects, aimed at the implementation and inclusion of these technologies in the territorial planning of coastal and island realities of the Mediterranean. BEs have the potential to become a characterizing element of our coastal cities, but it is necessary to increase efforts to encourage their development and to avoid that these young technologies are swept away by the economic crisis. More funds for research, greater sharing of knowledge and an effective simplification of the bureaucratic system inherent to Blue Energies and, more generally, RES will be fundamental.

La presente tesi muove da un interesse dell'autore verso tematiche affrontate nel corso di Idrologia T e prende in esame la valutazione di un impianto micro-idroelettrico presso il Fosso di Canepa nella Repubblica di San Marino. Si è partiti da una raccolta di dati disponibili in territorio sammarinese per poi poter svolgere uno studio che partendo da essi arriva a mostrare la possibilità di sfruttare l'acqua della sorgente di Canepa non solo per l'acquedotto ma anche per la produzione di energia elettrica. Nell'elaborato il potenziale impianto valutato sarà inserito nel contesto energetico sammarinese e ne saranno svolte analisi economiche per mostrarne la fattibilità. Si è inoltre preso in esame il discorso delle energie rinnovabili in generale, delineando le potenzialità che la Repubblica di San Marino potrebbe avere in tale campo.

This doctoral study mainly considers the Wind Energy resource and focuses on the electromagnetic aspects of generators for direct drive solutions in this field. Despite the strong employing by many constructor of geared technology in Wind Turbines Generators, a transmission/gear box reduces both, eciency and reliability: the losses due to the transmission potentially compromise the sustainability of the electromechanical system. A better solution is the multipolar low speed direct drive train. Permanent magnet machines offer compactness and the absence of brushes with respect to traditional machines. Material in the armature can be saved using fractional slot windings. This type of machine exhibits many advantages such as short end windings, high slot fill factor, high efficiency and power density together with electrical redundancy, which allows the modularization of the active part and fault-tolerance capabilities. However, space harmonics of the magneto-motive force (MMF) in fractional slot windings lead to considerable rotor losses. The computation of these losses according to standard procedures (e.g. Steinmetz equation or models for massive body within homogeneous field) is not satisfactory. The MMF harmonics move asynchronously with respect to the rotor, inducing currents in any conductive rotor parts, e.g. the metallic iron yoke which supports the magnetic poles and the rare earth permanent magnets (PMs), acting on their working temperature which is strictly related to the performance of PMs. The reduction of the residual ux density causes a decrease both in the back electromotive force (EMF) and in the electromagnetic torque. The reduction of the magnetic eld increases the risk of an irreversible demagnetization of the PMs. The MMF space harmonic amplitude and frequency depend on the particular combination of number of slots and poles. The amount of such losses increases dramatically with the size of the machine becoming a crucial aspect in the design of a large diameter (v 2 - 3m) multipolar direct drive generators with PMs. A proper selection of the winding of the machine,fixing the number of slot and poles represents an improvement in the sustainability of the electromechanical conversion process: losses are limited and a higher eciency is achieved. If efficiency is better even less active material is wasted. This part of the doctoral study has been accomplished at the Electric Drives Laboratory at the Department of Industrial Engineering of the University of Padova during a partnership with Leitwind A.G.(in Sterzing, Italy), which operates in the Wind Energy Market. The aim is to design a large diameter generator (v 4m), which will be employed in the prototype of a 3 MW wind turbine. The will of Leitwind to implement a method to predict rotor losses in large machines with permanent magnet and fractional slot windings is the key basic point to be solved. The existing LW15C generator for LTW77 (1.5 MW rated power) wind turbine is analyzed by means of analytical relations and finite elements: it represents the starting point of this study. A method to calculate rotor losses due to the high harmonic contents of the fractional slot winding is applied. Such estimated losses are then compared with the results of experimental test benches with "full-scale" prototypes. The same study is then repeated on SFA motor (500 kW rated), employed in ropeways transport in Leitner A.G. plants. Both Leitner and Leitwind belong to the Leitner Technologies Group. Test bench results are finally compared with the values from the analysis. Starting from both the experience on LW15C generator and SFA motor the design of LW30A prototype generator for Leitwind 3MW wind turbine is chosen. Dierent topologies of PM machines with fractional slot winding are then investigated and compared with the switching ux configuration (SFPM), both with rare earths and ferrite PMs. The possibility to integrate a huge magnet quantity in the armature of the SFPM machine and the ux concentration principle can lead to a cost eective solution which must be carefully evaluated without considering the performance of the machine only. The structure of the rotor is robust and simple, like in classical reluctance machines. The robustness against PMs demagnetization is a crucial point to investigate. To extend the scenario of renewable energy, the wave energy resource is brie y overviewed and some topologies for linear direct drive generator in this field are investigated. In order to increase the thrust density the possibility of employing a double-sided structure is analyzed. The employing of ferrite PMs is also considered: despite their low energy with respect to rare earth magnets they have a lower impact on environment and human health. The extraction process of ferrite is similar to the iron one, while rare earths must be separated from radio elements. Main contributions of the thesis To the knowledge of the author, the contributions of this thesis for the upcoming researchers in electrical machines for renewable energy eld are: • The application of straight lined model and of the current sheet method to calculate rotor losses in large direct drive permanent magnet machines. The results of the test bench activity on real machines are then described and compared with the prediction. • Selection of number of slots and poles for fractional winding direct drive large generators. • Comparison of the switching ux machine with other well known machine topologies, including demagnetization behavior and ferrite PMs, more sustainable than rare earth ones. • Investigation on dierent linear modules topologies for wave energy, including double side switching ux topology. Outline of the thesis Chapter 1 provides an overview on renewable energy conversion field and presents the company Leitwind A.G. Chapter 2 describes the analysis and modeling of the LW15C generator for 1.5 MW wind turbine. Then a similar study has been performed for the SFA motor for ropeways applications. Both analytical and finite elements model have been developed/implemented and are compared to the results of experimental test bench activities. The same models are applied to the analysis of the new LW30A generator. Chapter 3 faces the topic of rotor losses in order to model them with the straight lined model and the current sheet method. The rotor losses computation is considered and described. Predicted values are compared with the test bench ones. Chapter 4 establishes a scaling law for rotor losses in fractional slot PM machines. Chapter 5 provides the selection of the number of slots and poles to design the new LW30A generator for 3.0 MW wind turbine. The validity of the Index of Rotor Losses obtained from the straight lined model is investigated and applied. Chapter 6 describes the comparison of fractional winding machine with a small switching ux permanent magnet machine, both with rare earth and ferrite PMs. The demagnetization behavior of the different machine topologies is analyzed. Chapter 7 considers linear drives for Wave energy conversion with different topologies, including the double side switching flux machine
Questo lavoro di dottorato considera principalmente la Risorsa Eolica e si focalizza sulle caratteristiche elettromagnetiche dei generatori a presa diretta per questa applicazione. Malgrado molti Costruttori di turbine eoliche usino congurazioni comprendenti il moltiplicatore di giri, la presenza di quest'organo di trasmissione causa una perdita di ecienza del sistema elettromeccanico che va a comprometterne la sostenibilità. Una soluzione multipolare a bassa velocita di rotazione e presa diretta tra generatore e pale della turbina e quindi adottata. Si sceglie l'utilizzo del magnete permanente grazie alla sua compattezza e all'assenza di spazzole in paragone alle soluzioni di macchina sincrona tradizionale. L'avvolgimento frazionario e adottato per risparmiare materiale nell'avvolgimento di armatura della macchina. Questo tipo di congurazione presenta evidenti vantaggi come la lunghezza ridotta delle testate, il buon fattore di riempimento delle cave, elevati rendimento e fattore di potenza. Essa si presta inoltre a soluzioni circuitalmente ridondanti che consentono una struttura modulare della parte attiva, con la capacita di tollerare i guasti. D'altro canto, le armoniche spaziali della forza magneto motrice (MMF) dovuta all'avvolgimento frazionario causano perdite nel rotore di entita notevole. I metodi tradizionali di calcolo delle perdite (formula di Steinmetz o modelli di corpi solidi in campo magnetico uniforme) non forniscono risultati soddisfacenti per queste perdite. La forza magneto motrice risulta non sincrona con il rotore della macchina, con conseguente indursi di correnti parassite in ogni parte conduttrice del rotore, come nel giogo metallico che sorregge i poli magnetici e nei magneti stessi (terre rare). Le perdite nei magneti ne causano il riscaldamento, con conseguente calo delle prestazioni della macchina. La riduzione del campo dei magneti dovuta all'aumento di temperatura aumenta il rischio di smagnetizzazione irreversibile. L'ampiezza delle armoniche spaziali di forza magneto motrice e la loro frequenza vista dal rotore dipendono dalla particolare combinazione cave{poli dell'avvolgimento scelto. L'entita di queste perdite cresce notevolmente con l'aumentare delle dimensioni della macchina, divenendo un aspetto cruciale nella progettazione di macchine multipolari a presa diretta di grande diametro (. 2m) con magnete permanente. Una scelta adeguata del rapporto cave{poli dell'avvolgimento, signica un notevole miglioramento della sostenibilita del processo di conversione elettromeccanica: le perdite vengono ridotte e il rendimento migliora. Se il rendimento migliora, signica che meno materiale e stato sprecato. Questa parte del lavoro di tesi si e svolta presso il Laboratorio di Azionamenti Elettrici nel Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universita di Padova nell'ambito di un contratto di ricerca voluto da Leitwind SpA (VIpiteno, Italia). Leitwind e un costruttore di turbine eoliche. Lo scopo e progettare un generatore di grande diametro (v 4m) per il prototipo di turbina eolica da 3 MW. Compresa l'importanza del fenomeno delle perdite rotoriche, la volonta di Leitwind e svilupparne calcolo per scegliere l'avvolgimento della nuova macchina. Il generatore Leitwind esitente, denominato LW15C, per la turbina LTW77 (potenza nominale 1.5 MW) e analizzato sia con modelli analitici che con gli elementi niti. Questo generatore e la base di partenza di questo studio. Viene applicato un metodo per il calcolo delle perdite rotoriche indotte dall'elevato contenuto armonico dell'avvolgimento frazionario. Le perdite cos ottenute sono confrontate con i risultati dell'attivita del banco prova su macchine reali. Con lo stesso approccio si studia e si modella il motore diretto per trazione funiviaria SFA (500 kW di potenza nominale) negli impianti Leitner. Leitner e Leitwind appartengono al Gruppo Leitner Technologies. I risultati del banco prova sono confrontati con i valori calcolati. La progettazione del nuovo generatore LW30A e sviluppata a partire dai modelli creati per il generatore LW15C e il motore diretto SFA. Vengono poi studiate dierenti topologie di macchina a magnete permanente con avvolgimento frazionario per confrontarle con la congurazione switching ux (SFPM). Lo studio prende in considerazione sia magneti di terre rare, che di ferrite. La possibilità di integrare una notevole quantita di magnete nella parte di armatura della macchina SFPM e il principio di concentrazione di usso portano ad una soluzione con un buon rapporto costi prestazioni, che pero deve essere valutata non solo da un punto di vista di prestazioni. La struttura del rotore di questa macchina e semplice e robusta, come per le macchine a riluttanza. Il comportamento della topologia SFPM a smagnetizzazione dei magneti permanenti risulta un punto cruciale da indagare. Per allargare lo studio ad un'altra Fonte Rinnovabile, l'energia da moto ondoso e brevemente descritta e vengono confrontate alcune topologie di generatori lineari per questa applicazione. Uno struttura a doppio statore viene studiata con l'intento di massimizzare la spinta sulla parte mobile. Si considera inoltre l'utilizzo dei magneti in ferrite: malgrado il loro basso prodotto di energia rispetto ai magneti in terre rare, essi risultano meni nocivi per l'ambiente e la salute dell'uomo: il processo di estrazione delle terre rare coinvolge infatti elementi radioattivi, mentre l'estrazione della ferrite e in tutto simile a quella del ferro. Contributi principali della tesi I principali contributi di questo lavoro di tesi alla ricerca futura nell'ambito delle energie rinnovabili si possono cos sintetizzare: • L'applicazione del modello a strati e del metodo dei punti corrente nel calcolo delle perdite rotoriche di macchine elettriche a presa diretta di grande diametro, con magneti permanenti. I risultati dell'attivita sperimentale su banco prova di grosse macchine reali sono confrontati con i valori calcolati. • La scelta del numero di poli e di cave nella progettazione di macchine a presa diretta di grande diametro, con avvolgimento frazionario. • Confronto della macchina switching ux con topologie di macchina note, comprendendo la smagnetizzazione del magnete e l'utilizzo della ferrite, materiale più sostenibile delle terre rare. • Studio di diverse topologie di generatore lineare per generazione da moto ondoso, includendo la topologia switching ux a doppio statore. Struttura della tesi Capitolo 1 : presenta una breve panoramica sull'energia rinnovabile eolica e da moto ondoso e descrive l'azienda Leitwind SpA. Capitolo 2 : descrive la modellazione e l'analisi delle macchine studiate, sia con metodi analitici che con gli elementi niti: sono inclusi i risultati dell'attivita sul banco prova. I modelli, sviluppati sul generatore LW15 e sul motore SFA sono poi applicati al nuovo generatore LW30A. Capitolo 3 : aronta la tematica del calcolo delle perdite rotoriche, sviluppando il modello a strati e il metodo dei punti corrente. Viene descritto il calcolo delle perdite rotoriche. Si aronta la validazione dei metodi di calcolo al banco prova. Capitolo 4 : ricava una legge di scala per le perdite rotoriche per macchine a magnete permanente ad avvolgimento frazionario. Capitolo 5 : presenta la scelta del rapporto cave{poli nel progetto del nuovo generatore LW30A per la turbina da 3.0 MW LTW 101. Viene investigata la possibilità di applicare l'Indice delle Perdite Rotoriche, ricavato dal modello a strati. Capitolo 6 : confronta diverse topologie di macchine ad avvolgimento frazionario con la congurazione switching ux, sia con terre rare che con ferrite. Si aronta il fenomeno della smagnetizzazione sulle diverse topologie di macchina. Capitolo 7 : prende in considerazione topologie di macchina lineare per conversione da moto ondoso. Include la congurazione switchng ux a doppio statore

L’infissione nel fondale marino di pali in acciaio di grandi dimensioni costituenti la sottostruttura delle turbine eoliche provoca la nascita e la propagazione di un campo di vibrazioni inquinanti. Tali vibrazioni, le quali possono raggiungere elevate distanze, se al di sopra di particolari soglie di intensità, possono causare danni temporanei o permanenti, di natura fisiologica o comportamentale, alle forme di vita acquatiche circostanti il sito di collocamento dell’elemento strutturale. Tuttavia, diverse soluzioni sono state ideate per ridurne gli effetti nocivi: una di queste è il sistema air-bubble curtain. Tramite questo elaborato, si procede, in un primo momento, allo studio ed all’approfondimento delle equazioni governanti il problema vibro-acustico unitamente all’interazione con il sistema di dissipazione. Successivamente, si sfrutta il software di calcolo COMSOL Multiphysics per la creazione dei modelli necessari allo studio delle caratteristiche del sistema dissipativo. L’indagine ha interessato i parametri di distanza dal palo di fondazione, spessore della cortina di bolle, frazione di volume d’aria nella miscela, numero degli strati attorno al palo e forma di modellazione. Si è così riscontrato che il fattore che incide maggiormente sull’attenuazione del segnale è la frazione di volume d’aria nella miscela acqua-aria (poco influiscono spessore ed il numero di strati). Tuttavia, un’adeguata distanza tra dispositivo e sorgente sonora garantisce un’efficace azione smorzante unitamente ad uno spazio di lavoro modesto. L’assunzione di una forma più prossima a quella reale lascia comunque dei dubbi relativamente ad una maggiore efficacia.

Dottorato di ricerca in Scienza, tecnologia e società, XXIII ciclo. A.a. 2010-2011
Il lavoro di ricerca condotto ha riguardato l’analisi dell’attivazione dei processi di accettazione sociale che caratterizzano i momenti di accoglimento e diffusione delle tecnologie energetiche innovative. La nostra attenzione è ricaduta nell’ambito delle “ocean energies”, ed in linea con le attività di ricerca e sviluppo, particolare accento è stato dato al ruolo assunto dall’energia delle correnti marine e di marea, che è una delle fonti più interessanti ed inesplorate tra le fonti di energia rinnovabili. La cornice teorica entro cui l’analisi è stata condotta si avvale delle teorie costruttiviste di Bijker, con focus sul ruolo dei gruppi sociali rilevanti e sul quadro tecnologico, coadiuvate dalla recente teoria delle 3T di Florida e dal triangolo di Wustenhagen che offrono gli strumenti più appropriati per analizzare come un artefatto e il suo significato non è circoscritto e intrappolato nella tecnologia di appartenenza, ma come in realtà sia parte delle interazioni sociali. L’innovazione, in questo lavoro, è considerata come un insieme di pratiche radicate nella storia, nei modus operandi e nelle identità degli individui e istituzioni sociali. La premessa all’ipotesi che ha guidato il presente lavoro è che a caratterizzare la relazione tra tecnologia e società non è il tipo o il livello della tecnologia, ma l’apertura della struttura sociale. Da ciò ne consegue una doppia estrinsecazione dell’ipotesi che ha guidato il lavoro di ricerca che si traduce nei due seguenti punti: a) che i processi di innovazione tecnologica sono resi possibili da innovazione sociale sostenuta da processi e dinamiche di accettazione e inclusione sociale, b) che l’innovazione tecnologia è soggetta a scelte di natura politica. I casi di studi sottoposti ad analisi tendono alla “rivalutazione del rinnovabile” come scelta e alternativa al modello energetico fossile e sono rappresentati dal Progetto BREIS (Building Renewable Energy Innovation Systems) attraverso cui si esamina l’esperienza del centro di RD&D EMEC (The European Marine Energy Centre) in Scozia e quella della nascente stazione sperimentale permanente (SSP) localizzata in località Punta Pezzo del comune di Villa San Giovanni in provincia di RC in Calabria che rientra nel Progetto Crescita (Conoscenza Ricerca E Sviluppo per l’avvio in Calabria di Imprese a Tecnologia Avanzata) promosso dal Consorzio SINTENERGY e 8 attuato da Il Parco Scientifico e Tecnologico della Calabria (Calpark). Il lavoro di indagine si è basato sull’uso di interviste semistrutturate a testimoni privilegiati seguendo la tecnica suggerita da Bijker della palla di neve. Inoltre la partecipazione a due focus groups ha consentito di approfondire meglio alcuni aspetti dei processi entro i quali la tecnologia oggetto di studio era interpretata e costruita. I casi di studio presentano livelli di attuazione diversi. Il progetto scozzese si colloca in una fase matura e viva, mentre quello italiano è nella sua più fervida fase di attuazione. La struttura espositiva dell’analisi empirica evidenzia come i processi di accettazione sociale caratterizzano le modalità attraverso cui i due casi di studio si inseriscono in un’ottica di transizione energetica in un modo innovativo e controverso di (riprogettare) l’energia. Le conclusioni a cui si giunge sono rappresentate dal fatto che le correnti marine pur detenendo un potenziale comparabile ad altre energie rinnovabili non sono l’energia del futuro, ma una delle fonti sostenibili di energia che assume un ruolo essenziale nell’affrontare il cambiamento climatico e nella promozione della transizione energetica. L'utilizzo dell'energia alternativa e l'uso delle tecnologie appropriate hanno il compito di promuovere il futuro sostenibile ed una eventuale democrazia tecnologica.