Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ως εναλλακτικές μορφές ενέργειας προσελκύουν όλο και περισσότερο το παγκόσμιο ενδιαφέρον εξαιτίας της ανεξάντλητης φύσης τους, μειώνοντας τις επιπτώσεις στο φυσικό περιβάλλον. Η κυματική και η παλιρροιακή ενέργεια έχουν τις υψηλότερες ενεργειακές πυκνότητες μεταξύ των άλλων ΑΠΕ. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από θαλάσσιες τεχνολογίες (δηλαδή, κυματική και παλιρροιακή) αυξήθηκε κατά 33% από το 2019 έως το 2020 [1], οι τεχνολογίες μετατροπής ενέργειας από τη θάλασσα βρίσκονται σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, παραμένοντας πολύ μακριά από το να ευθυγραμμιστούν με το Βιώσιμο Αναπτυξιακό Σενάριο [2] που απαιτεί ετήσια ανάπτυξη 23% έως το 2030.

Για την αντιστροφή της υπάρχουσας κατάστασης και της ανάπτυξης του τομέα της ενέργειας των ωκεανών, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή δημιούργησε στρατηγικό σχέδιο [3] για την αξιοποίηση του δυναμικού της υπεράκτιας θαλάσσιας ενέργειας. Η στρατηγική στοχεύει στην αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων από υπεράκτιες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, θέτοντας ένα πλαίσιο για την ανάπτυξη και την απορρόφηση των τεχνολογιών ενέργειας των ωκεανών, προκειμένου να συνεισφέρουν περίπου το 10% της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας της ΕΕ έως το 2050.

Το κύριο εμπόδιο στην απόληψη της κυματικής ισχύος είναι το υψηλό ενεργειακό κόστος. Ειδικά, για τις υπεράκτιες τοποθεσίες σε βαθιά ύδατα, στις οποίες το δυναμικό της κυματικής ενέργειας είναι πολύ υψηλότερο από αυτό σε ακτογραμμές και τις εγγύτερες παράκτιες τοποθεσίες, το υψηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης, λόγω των απαιτητικών ωκεάνιων περιβαλλοντικών συνθηκών, των υπεράκτιων κυματικών συσκευών αποτελούν τροχοπέδη στις αναπτυξιακές τους προσπάθειες.

Το έργο ETHOS στοχεύει στην ανάπτυξη, βελτιστοποίηση και αξιολόγηση των κύριων χαρακτηριστικών μιας νέου τύπου συσκευής ταλαντευόμενης στήλης νερού (OWC) για την εκμετάλλευση της υπεράκτιας κυματικής ενέργειας, μέσω πολλαπλών θαλάμων ταλάντωσης της εσωτερικής υδάτινης στήλης. Η προτεινόμενη μελέτη ETHOS αντιπροσωπεύει μια απόκλιση από τα κλασικά σχέδια που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα για την υπεράκτια απόληψη της κυματικής ενέργειας, αξιοποιώντας την αύξηση της ισχύος μέσω της ταλαντωτικής κίνησης του ρευστού σε πολλαπλούς θαλάμους εντός της συσκευής. Στα πλαίσια του έργου πραγματοποιείται συζευγμένη υδρο-αερο-δυναμική ανάλυση που λαμβάνει υπόψη της τη γεωμετρία του πλωτήρα, τα χαρακτηριστικά της(των) αεροτουρμπίνας(ων) που τοποθετούνται στους θαλάμους ταλάντωσης, μαζί με τα χαρακτηριστικά των γραμμών αγκύρωσης, στοχεύοντας στη μέγιστη απορρόφηση της κυματικής ενέργειας.

Στα πλαίσια του έργου ETHOS πραγματοποιούνται τα ακόλουθα βήματα:

• Εξέταση μιας αντιπροσωπευτικής τοποθεσίας εγκατάστασης στο Αιγαίο Πέλαγος που συνδυάζει υψηλό κυματικό δυναμικό με την ύπαρξη κατάλληλης υποδομής για την υποστήριξη του έργου ETHOS .
• Ανάπτυξη ενός καινοτόμου σχεδίου συσκευής ταλαντευόμενης υδάτινης στήλης αποτελούμενης από ομοαξονικούς θαλάμους ταλάντωσης. Η δράση του κύματος δημιουργεί την ταλαντωτική συμπεριφορά του ρευστού μέσα στους πολλαπλούς θαλάμους ενεργοποιώντας την κίνηση ενός αεροστροβίλου στην κορυφή θαλάμου, μετατρέποντας την ισχύ του κύματος σε ηλεκτρική.
• Βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών του συστήματος αγκύρωσης για μεγιστοποίηση της απορροφούμενης κυματικής ενέργειας.
• Κατασκευή υπό κλίμακας μοντέλου ETHOS (ενδεικτική κλίμακα 1:20-1:30) και διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών σε φυσικό μοντέλο στην πειραματική δεξαμενή κύματος της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ.
• Διάδοση και διάχυση των αποτελεσμάτων του ETHOS στην επιστημονική κοινότητα και στο ευρύ κοινό.

Το έργο ETHOS έχει συνολική διάρκεια 18 μήνες και αποτελείται από δύο κύριες φάσεις. Η συνολική μεθοδολογία περιλαμβάνει αριθμητικές προσομοιώσεις, πειραματικές δοκιμές και διοικητικές εργασίες, συμπεριλαμβανομένης της διαχείρισης και του συντονισμού του έργου. Το χρονοδιάγραμμα είναι κατάλληλα δομημένο για να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του έργου, λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση των πακέτων εργασίας και τον προγραμματισμό των πειραματικών δοκιμών, ώστε η ολοκλήρωσή τους να πραγματοποιείται σε κατάλληλο χρονικό διάστημα (4 μήνες) πριν από τη λήξη του έργου. Πιο συγκεκριμένα η πρόταση περιλαμβάνει:

• Βελτιωμένη σχεδίαση ενός νέου τύπου συσκευής OWC και του συστήματος αγκύρωσής της.
• Προηγμένους αριθμητικούς υπολογισμούς για την προσομοίωση της απόδοσης ισχύος της συσκευής OWC υπό συνθήκες κυματικής φόρτισης
• Κατασκευή υπό κλίμακα φυσικού μοντέλου που θα δοκιμαστεί σε κατάλληλη πειραματική δεξαμενή, προσομοιώνοντας τη δυναμική συμπεριφορά της συσκευής σε λειτουργικές και ακραίες συνθήκες θαλάσσιας φόρτισης.
• Δραστηριότητες διάδοσης και επικοινωνίας των αποτελεσμάτων του έργου.

ETHOS will advance the OWC hydrodynamic modelling using analytical and numerical methodologies to capture the wave-body interaction phenomena. The applied modelling will also allow a reliable estimation of the alternate pressure head inside the chambers, which in extreme environments, may lead to slackening conditions for a TLP mooring system configuration [4]. As a result, the definition of proper mooring characteristics shall be taken into account at the earliest phases of the design process.

Coupled hydro-aero-dynamic analysis of the complete OWC system (moored device with the PTO air turbine) will be conducted. The equations of motion of the system will be solved in the frequency domain to predict responses and rotations of the device, the air volume flow in the device, and the loads on the mooring lines. The effect of the OWC characteristics (e.g., pressure head in the chambers) on the motions of the moored system and on the dynamics of the mooring lines, which may affect the seaworthiness of the ETHOS structure will be carefully evaluated.

In the foreseen methodology the following computational tools will be applied:

Computational Tool – HAMVAB: HAMVAB (Hydrodynamic Analysis of Multiple Vertical Axisymmetric Bodies) is a potential flow solver primarily developed at National Technical University of Athens (see Ref. [5]-[8]) that tackles the linearized and quasi-static second-order hydrodynamic interaction problem between waves and vertical axisymmetric bodies of arbitrary shape being either free-floating or moored and encompassing OWC chambers in their interior. Analytical representations of the diffraction-, motion- and pressure- depended radiation-velocity-potentials around each body are established in form of Fourier-Bessel series, offering fast solutions of the associated hydrodynamic problems. The first-order loads, hydrodynamic parameters, inner air pressure, air flow rate inside the OWC, motions and mean drift-loads on the devices are calculated in monochromatic and irregular seas.

Computational Tool – MIKE 21 MA: MIKE 21 MA commercial software, powered by DHI [9], allows to perform highly precise moored vessel response assessment for single and multi-vessel systems. The software will be used to check and validate the analytical results of the mooring configuration for the OWC device.

Computational Tool – DESCABLE:  DESCABLE is a dynamic analysis solver for the design of multi-leg mooring systems with submerged attached buoys and combination of materials. The software evaluates the required mooring line length, diameter, and weight per length for given external forces and water depths. DESCABLE, which is developed at National Technical University of Athens, has been extensively used in numerous research projects over the last years, whereas its predictions in offshore applications have been verified successfully with other commercial tools [10, 11].

For the experimental tests in the wave basin, foreseen in ETHOS, the following instrumentation will be used:

• Two standard wave probes of wire type, one located near the wave maker while the other located in front of the OWC device will be used to measure the amplitudes of the waves generated by the wave maker;
• For the measurement of the water free surface, inside the OWC device, wave probes will be used, located at the top of the chamber. The elevation of the internal surface will be obtained on the basis of these elevation measurements;
• The pressures inside the OWC domes will be measured by differential pressure gauges, using a circular end-tube averaging the air pressures of four equally spaced points located at the perimeter of the OWC dome;
• The motions of the floating OWC system will be captured by tracking the positions of eight point-targets through the Qualysis Motion Capture optical recording system. The latter metric system has been successfully applied in a variety of research projects (i.e., [12] to name a few) with great measuring accuracy.