L’idea rappresentata è un sistema per incrementare l’efficienza di estrazione di energia di un convertitore di energia da moto ondoso. Il sistema è composto da serbatoi d’acqua oscillante a forma di U, denominati U-Tanks, che consentono la sintonizzazione della frequenza di picco di risonanza del dispositivo con lo stato del mare in arrivo. La sincronizzazione della risonanza consentirà di apportare un notevole miglioramento nell’ estrazione di energia del dispositivo.

Stato del brevetto

CONCESSO

Numero di priorità

2017WO-IB57680

Data di priorità

21/06/2016

Licenza

INTERNAZIONALE

Mercato

Il mercato di riferimento è quello dei sistemi per la generazione di energia elettrica. La tecnologia si presta a servire una nicchia specifica: la generazione da moto ondoso. Si stima che in Europa al 2030 possano essere installati tra 1 e 3.5 GW di capacità di dispositivi di generazione da fonti oceaniche, e che ottimisticamente al 2050 si possa arrivare a 100 GW: il 10% del fabbisogno europeo. Si stima che nel periodo 2021-2030 questo mercato possa avere in Europa un valore da 6 650 a 114 625 mln €. Realisticamente, al 2030 solo una fetta minore potrà essere servita visti i tempi richiesti per lo sviluppo della tecnologia (circa altri 10 per TRL 9). Successivamente, il potenziale è alto per i vantaggi di costo del paradigma tecnologico.

Problema

Il brevetto rientra nel contesto dei sistemi tecnologici di conversione dell’energia marina. La trasformazione delle onde marine in energia rimane oggi una sfida tecnologica e ferma allo stadio prototipale a causa delle condizioni sfavorevoli dell’ambiente marino, della complessità delle logiche di controllo e delle basse efficienze di conversione. La bassa efficienza di conversione energetica di questi convertitori è spesso dovuta alla limitata banda di risposta in frequenza del sistema che ne limita quindi il range di azione. Durante l’anno le condizioni di mare in termini di altezza e periodo d’onda sono molto variabili rendendo ardua la standardizzazione della tecnologia e la sua ingegnerizzazione. Pertanto, con il brevetto proposto, ricavare energia dalle onde sarà più economico e aprirà la strada a un nuovo mercato nello sviluppo di tecnologie per le nuove fonti energetiche rinnovabili.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

La tecnologia dell’energia rinnovabile derivante  dallo sfruttamento dell’energia delle onde marine è ancora in uno stato prototipale e questo la rende meno competitiva con altre tecnologie e. Una delle maggiori sfide tecnologiche è la sincronizzazione della risonanza del dispositivo per aumentarne la produttività energetica. Negli anni sono stati proposti diverse invenzioni per risolvere questo problema. Le soluzioni più comuni sono quelle di variare la frequenza di risonanza del sistema attraverso un controllo attivo del generatore utilizzato per l’estrazione di energia elettrica. Altre invenzioni propongono invece di sintonizzare la risonanza del dispositivo variando le proprietà inerziali del sistema spostando masse di zavorra all’interno del dispositivo o modificando la geometria dello scafo. Lo svantaggio delle soluzioni sopracitate riguarda l’elevato dispendio energetico che richiede l’implementazione di queste azioni di controllo. Al contrario, l’invenzione proposta agisce indirettamente sulla dinamica dello scafo, agendo sulle caratteristiche dinamiche di serbatoi d’acqua oscillanti installati a bordo del convertitore di energia.

Killer Application

La prima applicazione dell’invenzione proposta è l’integrazione con la tecnologia ISWEC (Inertial Sea Wave Energy Converter). ISWEC è un convertitore di energia del moto ondoso basato sulla tecnologia giroscopica che presenta un Technology Readness Level (TRL) pari a 7. La sinergia delle due tecnologie consentirà di avere un dispositivo più efficiente, adatto a diversi siti di installazione consentendo una maggiore standardizzazione del prodotto. I primi dispositivi saranno inseriti in contesti marini come isole minori e piattaforme petrolifere e gas offshore per la loro decarbonizzazione.

Tecnologia e nostra soluzione

L’invenzione consiste in un innovativo sistema di conversione dell’energia marina che incorpora un meccanismo per la regolazione della frequenza di risonanza del sistema. Il sistema è costituito da uno scafo galleggiante ormeggiato, al cui interno si trova un apparato di conversione dell’energia e il dispositivo per la regolazione della frequenza di risonanza. Questo dispositivo, chiamato U-Tank, è costituito da due serbatoi contenenti acqua e collegati insieme da un condotto. Il flusso d’acqua all’interno del serbatoio a U è regolato tramite un sistema di valvole, che permettono la variazione del periodo di risonanza dell’impianto. Nello stato dell’arte è noto che l’efficienza dei convertitori di energia marina è fortemente correlata alla risposta in frequenza del sistema e quindi al suo periodo di risonanza. L’invenzione proposta consente la variazione del periodo di risonanza del dispositivo con conseguente aumento dell’energia prodotta regolando il flusso d’acqua dell’U-Tank mediante controllo attivo a basso dispendio energetico.

Vantaggi

L’invenzione proposta consente il miglioramento delle prestazioni di un convertitore di energia delle tramite regolazione del periodo di risonanza del sistema attraverso un sistema inerziale basato sul controllo di serbatoi d’acqua oscillanti. Il principale vantaggio, rispetto a soluzioni simili già presenti nello stato dell’arte, è l’adozione di un sistema inerziale dinamico per la variazione della frequenza di risonanza a differenza dei sistemi di spostamento di zavorre/masse all’interno dello scafo che richiederebbero un grande dispendio energetico, costanti di tempo elevate e quindi bassa reattività. La soluzione proposta ha come vantaggio quello di essere estremamente semplice in quanto la struttura dell’U-Tank, serbatoi e condotto centrale, è realizzata in carpenteria metallica, mentre l’intero sistema di controllo è realizzato con componenti presenti sul mercato e facilmente reperibili. Inoltre, la regolazione della risposta del dispositivo renderà il sistema più versatile per l’installazione in diversi siti raggiungendo cosi una standardizzazione tecnologia e vantaggi in termini di ingegnerizzazione e industrializzazione del prodotto.

Roadmap

La roadmap della soluzione prevede una fase di ottimizzazione e analisi del sistema e la progettazione di un prototipo in scala da testare in laboratorio entro il 2022. Successivamente, l’integrazione dell’invenzione col convertitore di energia ISWEC (Inertial Sea Wave Energy Converter ) è prevista nel 2025 con l’obiettivo di installarlo in mare ed eseguire tutti i relativi test sul dispositivo.

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