Come Calcolare le Forze e i Carichi Aerodinamici e Idrodinamici in un Sistema Ibrido Eolico-Oceanico

L'analisi numerica dei sistemi ibridi che combinano energie eoliche e marine è un campo di ricerca emergente con applicazioni cruciali nell'ambito delle energie rinnovabili. Questi sistemi ibridi, che uniscono turbine eoliche flottanti e dispositivi per l'energia delle onde, devono affrontare una serie di complessi calcoli idrodinamici e aerodinamici per ottimizzare la loro efficienza e la loro capacità di resistenza alle forze naturali. Questo capitolo esplora il modello numerico e i parametri idrodinamici di un sistema integrato di piattaforma galleggiante e turbine eoliche, con un focus sui carichi idrodinamici e aerodinamici derivanti dal movimento delle onde e del vento.

Il sistema considerato comprende una piattaforma galleggiante a moonpool, dotata di boe oscillanti per la generazione di energia dalle onde. La piattaforma è progettata per supportare sia una turbina eolica da 5 MW che una serie di dispositivi per la cattura dell'energia ondosa. La comprensione del comportamento di queste piattaforme, incluse le forze che agiscono su di esse, è essenziale per il miglioramento delle prestazioni e la progettazione di dispositivi più efficienti.

In aggiunta ai carichi idrodinamici, i carichi aerodinamici sulla turbina eolica sono calcolati utilizzando il metodo degli Elementi del Disco di Momento (Momentum Method) e il metodo degli Elementi di Lama (Blade Element Method). Nel primo caso, si assume che la turbina eolica agisca come un disco impermeabile, con un flusso di vento che interagisce assialmente con le pale della turbina. Il momento torcenti e la spinta lungo l'asse della turbina sono calcolati utilizzando i fattori di induzione assiale $a$ e tangenziale $a'$, che dipendono dalle proprietà del flusso d'aria.

Nel metodo degli Elementi di Lama, la turbina viene suddivisa in segmenti, ciascuno dei quali contribuisce separatamente ai carichi totali. La spinta e il momento torcenti su ciascun anello di lama sono determinati in base alle velocità radiali e agli angoli di incidenza dell'aria, tenendo conto dei coefficienti di forza normale e tangenziale. La combinazione di questi metodi fornisce un modello preciso per il calcolo delle forze aerodinamiche sulla turbina eolica.

Il modello numerico dell'intero sistema viene poi sviluppato per simulare il comportamento della piattaforma galleggiante e dei dispositivi di cattura dell'energia dalle onde. I parametri idrodinamici, come la massa aggiunta e il damping radiativo, sono calcolati utilizzando il codice BEM (Blade Element Momentum) in frequenza. Successivamente, l'equazione di movimento in dominio del tempo per il sistema multibody viene risolta per ottenere le risposte dinamiche della piattaforma galleggiante e delle boe oscillanti.

Un elemento cruciale in questa analisi è il comportamento idrodinamico della piattaforma galleggiante e delle boe. La piattaforma galleggiante è progettata per avere una base stabile su cui sono montati la turbina eolica e le boe oscillanti. Le boe sono collegate alla piattaforma attraverso giunti che consentono loro di ruotare e generare energia meccanica, che viene poi convertita in elettricità tramite un sistema PTO (Power Take-Off). L'interazione tra le onde, la turbina eolica e le boe oscillanti influisce sulla stabilità e sull'efficienza complessiva del sistema.

L'accuratezza dei calcoli dipende fortemente dalla qualità dei modelli numerici impiegati, inclusi quelli per il calcolo delle forze aerodinamiche e idrodinamiche, e dalla validità delle assunzioni fatte nei metodi di calcolo. È quindi fondamentale che gli ingegneri e i ricercatori considerino non solo i singoli carichi aerodinamici o idrodinamici, ma anche le interazioni complesse tra le diverse forze che agiscono sul sistema, per ottimizzare la progettazione dei dispositivi e migliorare le prestazioni complessive.

La comprensione di questi concetti è cruciale per il futuro sviluppo di impianti eolici e oceanici integrati, che possano generare energia in modo più efficiente, riducendo al minimo i costi operativi e migliorando la sostenibilità delle risorse energetiche.

Come integrare piattaforme galleggianti per l'energia eolica e l'acquacoltura: sfide e innovazioni

Le piattaforme galleggianti per la produzione di energia rinnovabile, come quelle per l'energia eolica e le soluzioni acquacolturali, stanno diventando sempre più rilevanti nel contesto della Blue Economy. La combinazione di queste tecnologie in un unico sistema integrato è uno degli sviluppi più promettenti nel settore delle energie marine. In particolare, l'idea di piattaforme galleggianti che sfruttano simultaneamente l'energia eolica, quella delle onde e le potenzialità acquacolturali rappresenta un punto di convergenza tra le tecnologie rinnovabili e la sostenibilità ambientale.

Il concetto di una piattaforma galleggiante multiuso, che combina un generatore di energia eolica, un sistema di estrazione dell'energia dalle onde (OWC) e una struttura per l'acquacoltura, si fonda su un approccio innovativo che promette di ridurre i costi e migliorare l'efficienza operativa. Alcuni studi recenti, come quelli condotti da Fenu et al. (2023), hanno messo in evidenza le potenzialità di piattaforme galleggianti integrate che combinano turbine eoliche e dispositivi per la produzione di energia dalle onde, mentre altre ricerche hanno esplorato l’integrazione dell’acquacoltura, con l’obiettivo di ottimizzare l’utilizzo dello spazio marino.

Un altro aspetto fondamentale di queste piattaforme è la loro capacità di adattarsi a condizioni marine variabili, come il vento, le onde e le correnti, che ne influenzano direttamente le prestazioni. La combinazione di turbine eoliche galleggianti con sistemi di estrazione di energia dalle onde offre vantaggi significativi in termini di efficienza energetica e stabilità. Tuttavia, le sfide tecniche rimangono, soprattutto per quanto riguarda la progettazione dei sistemi di ancoraggio, la resistenza ai carichi dinamici e l'interazione tra i vari componenti della piattaforma.

I sistemi di estrazione dell'energia dalle onde, come gli oscillatori a colonna d'acqua (OWC), sono progettati per convertire l'energia cinetica delle onde in energia elettrica, ma il loro funzionamento dipende dalla progettazione della piattaforma galleggiante. Alcuni studi, come quello di Gao et al. (2016), hanno esaminato diversi tipi di configurazioni di OWC integrate con turbine eoliche, rivelando la possibilità di ottenere una produzione energetica continua e ad alta efficienza.

L'integrazione dell'acquacoltura, inoltre, è un aspetto che merita attenzione. Le piattaforme galleggianti, infatti, offrono una soluzione innovativa per la creazione di impianti acquacolturali in mare aperto, riducendo l’impatto ambientale rispetto alle tradizionali strutture costiere. La combinazione di pesca e produzione energetica su una stessa piattaforma potrebbe non solo migliorare l’efficienza economica, ma anche promuovere la sostenibilità, riducendo la competizione per l'uso dello spazio marino e contribuendo alla conservazione degli ecosistemi costieri.

I vantaggi di queste piattaforme vanno ben oltre la mera produzione di energia: l'uso combinato delle risorse marine per più scopi contemporaneamente consente di massimizzare l'uso dello spazio e delle risorse, riducendo al contempo le emissioni di carbonio e l'inquinamento. Tuttavia, la progettazione e l'implementazione di tali sistemi sono complesse, e richiedono una gestione accurata delle interazioni tra la tecnologia e l'ambiente marino. L'esperienza maturata nei progetti pilota e nei test in mare gioca un ruolo cruciale nel determinare la fattibilità di questi sistemi.

Inoltre, l'affrontare i problemi legati alla stabilità strutturale, alla resistenza agli agenti atmosferici e alle condizioni marine estremamente variabili è essenziale per garantire la durata e l'affidabilità di tali piattaforme. Le ricerche sui modelli matematici e sulle simulazioni numeriche per analizzare la risposta dinamica delle piattaforme galleggianti, come quelle condotte da Hallak e Soares (2024), sono fondamentali per ottimizzare la progettazione e minimizzare i rischi associati alle sollecitazioni meccaniche e ai movimenti delle piattaforme.

Un altro tema cruciale riguarda la gestione e l’ottimizzazione della produzione energetica. In molti progetti, come quello di Li et al. (2020), si esaminano le configurazioni ottimali di sistemi ibridi che combinano energia eolica, energia delle onde e energia delle maree. L’integrazione efficiente di queste risorse, garantendo al contempo una costante produzione di energia, è un passo fondamentale verso il raggiungimento di obiettivi ambiziosi di sostenibilità energetica.

L’adozione di tecnologie avanzate di monitoraggio e controllo, che permettono di gestire in tempo reale le prestazioni delle piattaforme galleggianti, è essenziale per rispondere rapidamente a eventuali malfunzionamenti o a variazioni nelle condizioni ambientali. La continua evoluzione dei sistemi di raccolta dei dati e delle tecniche di analisi contribuirà a migliorare la progettazione e l'implementazione di tali piattaforme.