PhD in Mechanical Engineering
Research Title: Global mapping of wave energy resource to assess the performance of different wave
energy extraction technologies
Funded by DIMEAS
CTR. 913/2019 ENI
Supervisor
Prof. Giuliana Mattiazzo – Politecnico di Torino [email protected]
Prof. Giovanni Bracco – Politecnico di Torino [email protected]
Conta ct
http://www.dimeas.polito.it/en/research/research_groups/mechatronics_and_servosy stems/research_projects
Context of the research activity
To effectively plan the deployment of wave energy converters (WECs) it is important to estimate the wave energy resource potential, that mainly depends on the significant wave height and wave energy period, and the exploitable resource.
Those can be characterized trough a global mapping of the wave energy resource that will allow to apply the appropriate technology to extract the optimum amount of energy. The global maps will allow to analyze both the spatial and temporal variation of the wave energy resource.
However, for the nearshore areas where the wave properties vary rapidly with change in bathymetry higher spatial resolution of wave energy assessment is needed. Therefore, a wave model needs to be used to simulate the wave propagation with finer resolution to obtained accurate wave data in some selected sites of interest for detailed WEC design.
Even though previous studies have been already conducted to estimate the theoretical wave power resource potential at both global and regional level, this study will focus on the extractable resource by different WECs. In particular, the performance of two gyroscopic energy conversion devices (ISWEC and IOWEC) and of a point absorber, will be compared and the optimal deployment locations will be identified for each device. The accessible resource
and therefore the optimal development sites will be defined also taking into account environmental, economic, safety and planning considerations. The selected areas will be the ones that maximize the wave energy extraction and the capacity to produce electricity and minimize the deployment and maintenance costs. The final aim of this PhD topic is to define a framework for optimal deployment site identification according to power available and kind of WEC technology.
Per pianificare efficacemente l’installazione di dispositivi di conversione dell’energia ondosa (WEC) è importante stimare il potenziale della risorsa energetica delle onde, che dipende principalmente dall’altezza d’onda significativa e dal periodo energetica dell’onda, e la risorsa sfruttabile.
Questi possono essere caratterizzati attraverso una mappatura globale della risorsa energetica delle onde che consentirà di applicare la tecnologia appropriata per estrarre la quantità ottimale di energia.
Le mappe globali consentiranno di analizzare sia la variazione spaziale che temporale della risorsa energetica ondosa. Tuttavia, per le aree vicino alla costa dove le proprietà dell'onda variano rapidamente con il cambiamento della batimetria, è necessaria una maggiore risoluzione spaziale della stima dell'energia delle onde.
Pertanto, è necessario utilizzare un modello d'onda per simulare la propagazione delle onde con una risoluzione migliore per ottenere dati d'onda accurati nei siti di interesse selezionati per una progettazione più dettagliata di dispositivi WEC.
Anche se sono già stati condotti studi precedenti per stimare il potenziale teorico della risorsa energetica delle onde a livello sia globale sia regionale, questo studio si concentrerà sulla risorsa estraibile da diversi WEC. In particolare, verranno confrontate le prestazioni di due dispositivi giroscopici di conversione dell'energia (ISWEC e IOWEC) e di un point absorber e verranno identificate le aree ottimali per l’installazione di ciascun dispositivo. La risorsa accessibile e quindi i siti di sviluppo ottimali saranno definiti anche tenendo conto di considerazioni ambientali, economiche, di sicurezza e di pianificazione. Le aree selezionate saranno quelle che massimizzeranno l'estrazione dell'energia dalle onde e la capacità di produrre energia elettrica e minimizzeranno i costi di installazione e manutenzione. Lo scopo ultimo della presente tematica di ricerca è definire una metodologia per identificare siti di installazione tenendo in considerazione l’energia disponibile e il tipo di tecnologia.
Objectives
The main objectives of this PhD research are to:
1) Define a methodology for global wave energy resource mapping by evaluating the available wave power at a global scale using the European Centre for Medium‐Range Weather Forecasts (ECMWF) database ERA5. The wave spectra for the last 40 years (from 1979 onwards) will be retrieved with a resolution of 0.5°x 0.5° (around 56 km) and will be used to characterize the wave properties. Preliminary maps of global wave energy distribution will then be produced that will allow to study the spatial and temporal variability of wave energy and will provide indication on the theoretical extractable resource.
2) Map the expected energy production and the energy captured by crossing the power matrices of different WEC devices with the wave conditions. This performance assessment will allow to identify the optimal deployment areas specific for each kind of WEC. In particular, the performance of three different types of WECs will be evaluated: an inertial sea wave energy converter (ISWEC), an inertial ocean wave energy converter (IOWEC) and a point absorber.
3) Conduce a strategic analysis of the electricity generation industry to identify the sites of greater interest. The attractiveness of a site depends not only on the characteristics of the resource. In fact, other political, economic or technological aspects can influence the accessible resource.
4) The most promising areas identified by the first mapping will be further investigated with the third‐generation spectral wave model SWAN (Simulating WAves Nearshore). SWAN will allow to simulate the propagation of waves from offshore to the nearshore areas and to characterize the wave properties with a better grid resolution to implement a specific WEC design and planning. The model will be first validated with in‐situ data when available.
5) The final objective of the research will be to define and compare device‐specific hot spot areas best suited for wave energy extraction.
Gli obiettivi principali di questa ricerca di dottorato sono:
1) Definire una metodologia per la mappatura della risorsa energetica ondosa globale, valutando la potenza delle onde disponibile su scala globale utilizzando il database ERA5 del Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine
(ECMWF). Gli spettri d'onda degli ultimi 40 anni (dal 1979 in poi) con una risoluzione di 0,5 ° x 0,5 ° (circa 56 km) saranno utilizzati per caratterizzare le proprietà dell'onda. Verranno quindi prodotte mappe preliminari della distribuzione globale di energia delle onde che consentiranno di studiare la variabilità spaziale e temporale della risorsa ondosa e forniranno indicazioni sulla risorsa teorica estraibile.
2) Mappare la produzione di energia prevista e l'energia catturata combinando le matrici di potenza di diversi dispositivi WEC con gli stati d’onda. Questa valutazione delle prestazioni consentirà di identificare le aree ottimali per l’installazione di ciascun tipo di WEC.
In particolare, saranno valutate le prestazioni di tre diversi tipi di WEC: un convertitore di energia inerziale delle onde del mare (ISWEC), un convertitore di energia inerziale delle onde dell'oceano (IOWEC) e un point absorber.
3) Condurre un'analisi strategica del settore della generazione di elettricità per identificare i siti di maggiore interesse. L'attrattiva di un sito dipende non solo dalle caratteristiche della risorsa ma anche da altri aspetti politici, economici o tecnologici che possono influenzare la risorsa accessibile.
4) Le aree più promettenti identificate dalla prima mappatura saranno ulteriormente studiate con il modello spettrale di terza generazione SWAN (Simulating WAves Nearshore). SWAN consentirà di simulare la propagazione delle onde dal largo alle aree vicino alla costa e di caratterizzare le proprietà dell'onda con una migliore risoluzione per implementare una migliore progettazione e pianificazione WEC. Il modello verrà prima validato con i dati in situ, quando disponibili.
5) L'obiettivo finale della ricerca sarà quello di definire e confrontare delle aree ottimali per l'estrazione dell'energia delle onde per ogni tipo di dispositivo.
Skills and competencies for the development of the activity
To compete for the PhD the candidate should preferably have the following specific knowledges and abilities:
‐ ability to present a scientific work both in oral and written form;
‐ proactivity, independent and parallel thinking
‐ knowledge of a wave propagation model (preferably SWAN);
‐ familiarity with Matlab and Python environments.
Per concorrere all’assegnazione del dottorato il candidato deve preferibilmente possedere le seguenti conoscenze e abilità specifiche:
‐ capacità di presentare un lavoro scientifico in forma scritta e orale;
‐ capacità di lavorare in modo indipendente e multidisciplinare;
‐ conoscere e saper applicare un modello di propagazione del moto ondoso (preferibilmente SWAN);
‐ familiarità con codici Matlab e Phyton.
