SeaKERS – Inertial Energy Recovery System

Dialogare con la natura, alzare lo sguardo verso nuovi orizzonti, formulare un nuovo pensiero progettuale. Non sono solo frasi fatte, ma delle necessità con le quali designer e cantieri si misureranno nei prossimi anni. In questi ultimi tempi il design non solo in campo nautico è al centro di una profonda trasformazione. La crisi, come ben sappiamo, ha spazzato via tutte le certezze consegnandoci uno scenario che solo a prima vista poteva sembrare confuso. In situazioni come queste il pericolo maggiore è la mancanza di coordinate precise, di una rotta da seguire. Ma non è così. Gli indizi che qualcosa si sta muovendo verso una direzione nuova ci sono tutti. Elementi che ha una diversa lettura distratta e superficiale, sembrano vocaboli slegati tra loro, una volta messi sulla carta danno vita ad un linguaggio nuovo e lasciano intravedere la strada che questo settore ha già imboccato. L’innovazione resta la chiave di volta e lo strumento per progredire nella direzione di un design efficiente sotto tutti i punti di vista. A iniziare da quello ambientale. Deve passare il messaggio che la sostenibilità non è un’opportunità ma una necessità. E il progetto SeaKERS rappresenta l’esempio perfetto per consolidare e veicolare questo pensiero.

SeaKERS rappresenta una soluzione innovativa per la generazione di elettricità a bordo di natanti, mediante il recupero dell’energia inerziale derivante dal beccheggio, movimento longitudinale dell’imbarcazione generato dal moto ondoso. Di fatto questa soluzione rappresenta un vero e proprio Kinetic Energy Recovery System (KERS) dedicato al settore nautico, in grado di generare un surplus di energia pulita e gratuita per la ricarica delle batterie di bordo durante la navigazione. Si tratta, in assoluto, della prima tipologia di Kers studiata per yacht da diporto, ma il concetto di base, nato sulle monoposto da Formula Uno trova già da anni varie applicazioni in ambito automotive applicato ai sistemi frenanti delle autovetture.

A differenza di altri dispositivi di generazione di bordo, l’energia recuperata con SeaKERS è completamente gratuita ed ecofriendly, inoltre il suo funzionamento non compromette le performance dell’imbarcazione. L’utilizzo, da parte del sistema, della spinta verticale generata dalle onde non interferisce con l’energia originata dalla propulsione dell’armo o del motore e a differenza dei generatori convenzionali non produce sgradevoli rumori e non brucia alcun tipo di combustibile fossile.

Il progetto

La tecnologia che costituisce il cuore pulsante del progetto è in corso di sviluppo nell’ambito del Progetto di Ricerca e Sviluppo cofinanziato dalla Commissione Europea e gestito dalla Research Executive Agency (REA) con contratto n° 262591. L’iniziativa è stata promossa da un gruppo di lungimiranti aziende, già attive da tempo sulla tematica delle energie rinnovabili in campo  nautico, tra le quali le italiane  A.G.T. Srl , Cantieri Navali d’Este S.r.l. e Solbian Energie Alternative S.r.l.,e realizzata dai centri di ricerca dell’ Università di Roma Tor Vergata e Labor Srl. Il progetto ha visto la partecipazione anche di aziende e centri di ricerca provenienti da altri paesi come: Gran Bretagna, Romania e Norvegia. Inoltre, al fine di testare al meglio il Sistema Seakers  le aziende si sono affidate all’esperienza di due tra i più importanti velisti al mondo e pluricampioni di traversata atlantica: Giovanni Soldini e Matteo Miceli coinvolti come partner. Questo melting pot di competenze ha permesso di dar vita ad un’impresa davvero ambiziosa ed innovativa ma allo stesso tempo futuribile e coerente con le esigenze manifestate da tutto il comparto nautico.

La tecnologia

SeaKERS è basato su un oscillatore lineare, posto a bordo del natante in appositi gavoni o vani tecnici posti a poppa e in estrema prua. Al suo interno una massa inerziale oscilla verticalmente su una guida spinta dalle forze generate dalle oscillazioni dello scafo dovute ai movimenti di rollio e beccheggio, nonché al moto verticale di tutto il corpo barca durante la navigazione in presenza d’onda. La massa inerziale guadagna in questo modo energia cinetica, che viene convertita in energia elettrica mediante un innovativo generatore magnetico lineare denominato “MFSPM” (Magnetic Flux Permanent Magnet Machine) in grado di recuperare l’energia cinetica in un ampio spettro di oscillazioni forzanti.

Prototipo del MFSPM

 

Il moto relativo che si viene a creare tra lo statore e l’elemento oscillante porta ad una deformazione della geometria del circuito magnetico, il quale è attraversato dal flusso magnetico prodotto dai magneti permanenti posti sulla massa oscillante.  Questo comportamento causa una modifica della riluttanza delle diverse parti del circuito, provocando una variazione del percorso del flusso magnetico e la generazione di energia elettrica negli avvolgimenti metallici posti sul corpo mobile.
Il generatore lineare SeaKERS grazie alla sua particolare tecnologia è in grado di fornire un’ elevata efficienza di conversione in un ampio intervallo di potenze e di velocità di traslazione. A lato pratico questa peculiarità del sistema consente di produrre energia elettrica non solo durante la navigazione o in presenza di mare formato ma anche durante le soste in rada.
Inoltre, i vantaggi appena descritti, hanno portato anche allo studio di una sua applicazione come point absorber, cioè come dispositivo fisso, ancorato sul fondo del mare, che converte l’energia del moto ondoso di superficie per mezzo di una boa.
L’adozione di un appliance come questo consentirebbe di dotare i vari marina di una fonte di energia pulita e low cost consentendo addirittura ai diportisti di ricaricare le batterie della propria unità senza entrare in porto, attraverso una semplice sosta in rada.

 

 

 

Simulazione

Data la natura innovativa del sistema, al fine di verificare il corretto funzionamento del sistema elettrico-meccanico sopra descritto è stata eseguita un’esauriente fase preliminare di simulazione numerica, che ha riguardato tre aspetti principali:

  • Individuazione dell’energia inerziale disponibile in diversi punti dello scafo in navigazione, valutando le diverse andature, velocità e condizioni di moto ondoso; Quest’attività ha consentito di quantificare le energie in gioco e guidare la scelta del migliore posizionamento del dispositivo.
  • Simulazione dinamica del sistema oscillante eccitato attraverso la creazione artificiale di forze corrispondenti a quelle che si generano in condizioni tipiche di moto ondoso.
  • Simulazione elettromagnetica del generatore lineare attraverso l’adozione di diverse tecnologie ed architetture, utilizzando come forza di riferimento l’energia cinetica derivata dalle precedenti simulazioni.

I vari test hanno permesso di individuare le linee guida per la scelta dell’architettura da utilizzare in fase di realizzazione consentendo un approccio più mirato alle fasi di definizione del sistema.

 

Schema impianto sistema

Architettura del sistema

I dati raccolti durante le simulazioni hanno evidenziato la necessità di adottare soluzioni originali per quanto riguarda la sospensione della massa oscillante ed il suo controllo al fine di ottenere il massimo accoppiamento con la forza del moto ondoso, solitamente caratterizzata da una frequenza media molto bassa.
La soluzione ottimale per ottenere tale condizione è quella di utilizzare un sistema di sospensione elastico a bassissima rigidezza che però risulta di fatto difficilmente applicabile a bordo di un’imbarcazione da diporto per via della sua incompatibilità con i volumi disponibili all’interno dei vani tecnici di uno yacht di medie dimensioni. Inoltre l’esigenza di poter variare lo smorzamento della massa oscillante al fine di ottenere massime prestazioni ha portato i tecnici SeaKERS all’adozione di un’architettura inedita altamente performante. Per rispondere a queste particolari esigenze, si è scelto di affidare allo stadio di conversione di potenza successivo al generatore la funzione di smorzatore variabile, a seconda della variazione di potenza da esso trasferita al carico.

Le molle sospensive sono state ridotte alla sola funzione di fine corsa, mentre la funzione della sospensione elastica è stata affidata ad uno speciale accorgimento: il generatore può funzionare per brevi istanti da motore, rifasando il moto della massa inerziale con quello della forzante consentendo quindi al sistema di adattarsi alle varie andature e di poter funzionare anche con un moto ondoso lieve come accade a barca ferma.

Progettazione

Sulla base degli esiti della simulazione elettromagnetica è stata effettuata la progettazione esecutiva, che ha portato alla concezione di un generatore formato da due elementi affacciati che traslano reciprocamente. Per via della natura di KERS, è stato scelto di tenere fissa, solidale alla barca, la parte centrale, di forma cilindrica e realizzata in acciaio, e di consentire il movimento alla parte anulare, che risulta di maggior peso dato che include i magneti, le spire metalliche, l’elettronica di potenza e le batterie tampone.

Dettaglio del traslatore verticale

Questa soluzione oltre ad una più facile equilibratura delle masse anche maggiori tolleranze dimensionali nell’accoppiamento. L’energia elettrica prodotta del generatore lineare risulta necessariamente variabile. Per condizionarla in modo da ottenere una corrente stabilizzata a 13,8 VDC nominali, è stato progettato uno speciale stadio di potenza da 300 W, che accetta tensioni in ingresso comprese tra 3 VDC e 60 VDC, con un’efficienza superiore al 90%. Esso integra anche un’unità compatta in grado di alimentare all’occorrenza il generatore e farlo funzionare come un motore lineare, allo scopo di riportare l’oscillatore in condizioni ottimali di accoppiamento con la frequenza oscillante. Il sistema è controllato da un’unità logica basata su CPU Cortex A8 a 720 MHz con sistema operativo Linux Real Time che sovrintende tutte le funzioni del sistema, comprese quelle di sicurezza.

 

Test bed

Per consentire lo sviluppo del sistema è stato realizzato uno speciale sistema di test che consiste in un portale alto 4,4 m entro il quale trasla una slitta in grado di alloggiare un prototipo SeaKERS alto fino ad 1 m, consentendone una traslazione verticale massima di 2,6 m. Il sistema di movimentazione consente di applicare una frequenza variabile tra 0,2 e 0,5 Hz con una velocità massima di 3,35 m/s ed una accelerazione massima di 10,33 m/s2 così da simulare la reale spinta del moto ondoso. Il sistema di test, strumentato con celle di carico, ha permesso ai tecnici di misurare l’esatta energia trasmessa al SeaKERS durante le prove ed un’interfaccia di controllo ha raccolto i principali parametri di funzionamento effettuando varie simulazioni con differenti condizioni di navigazione.

 

Prototipo

Il prototipo SeaKERS, realizzato nel corso del secondo semestre 2012 è stato sottoposto a test di sviluppo e caratterizzazione che continueranno con ulteriori prove durante tutta la prima metà del 2013 sino all’installazione di un primo prototipo su un’imbarcazione di serie  per la realizzazione delle prove in mare, consentendo di quantificare con precisione le potenzialità della tecnologia e tracciare una strada per il suo sfruttamento commerciale.

Prototipi di statore e cursore

Nonostante le innumerevoli innovazioni apportate sulle unità da diporto varate negli ultimi anni e alla vasta gamma di strumenti dedicati alla generazione di energia elettrica da sorgenti rinnovabili oggi presenti sul mercato, SeaKERS sembrerebbe proprio rappresentare un fulmine a ciel sereno in un settore difficile come quello della nautica da diporto. La sua notevole efficienza, la perfetta integrazione con i volumi dello yacht e la piena compatibilità con qualsiasi sistema di propulsione rappresentano gli assi nella manica per permetteranno a questo sistema di essere digerito, a poco a poco, anche dagli armatori più tradizionalisti e magari adottato come strumento di serie nella cantieristica del nostro Bel Paese. Come recita un antico detto: – Anche un Elefante deve essere mangiato a piccoli bocconi.

Diego Amadei

 

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