Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014 Patrizio Massoli “Low Carbon DIITET – CNR C ONSIGLIO N AZIONALE DELLE R ICERCHE.

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1 Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014 Patrizio Massoli “Low Carbon Technologies” @ DIITET – CNR C ONSIGLIO N AZIONALE DELLE R ICERCHE 26 e 27 Maggio, 2014 Convegno del Dipartimento di Ingegneria, ICT e Tecnologie per l’Energia e i Traporti

2 World petroleum and other liquids consumption by region in three cases, 2012 and 2040 (million barrels per day) Trends in petroleum and other liquids markets are defined largely by the developing nations Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 International energy Annual Energy Outlook 2014 with Projections to 2040 DOE/EIA-0383 (2014) ██ Paesi fondatori ██ Altri Paesi membri OECD member states map

3 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 World production of nonpetroleum liquids by type in the Reference case, 2012 and 2040 (million barrels per day) World production of liquid fuels from biomass, coal, and natural gas increases Fonte: DOE/EIA-0383 (2014)

4 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 U.S. energy demand Primary energy use by fuel in the Reference case, 1980-2040 (quadrillion Btu) Renewables and natural gas lead rise in primary energy consumption Electricity generation by fuel in the Reference case, 1990-2040 (trillion kilowatthours) By 2035, natural gas surpasses coal as the largest source of U.S. electricity generation Fonte: DOE/EIA-0383 (2014)

5 EU Energy consumption Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 EU Energy, Transpost and GFH Emissions Trends to 2050 - REFERENCE SCENARIO 2013 FINAL ENERGY CONSUMPTION

6 EU - Power generation: Electricity Generation Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 EU Energy, Transpost and GFH Emissions Trends to 2050 - REFERENCE SCENARIO 2013

7 Power generation: Electricity Generation Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 EU Energy, Transpost and GFH Emissions Trends to 2050 - REFERENCE SCENARIO 2013

8 INDICATORS OF POWER GENERATION Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Power generation: Electricity Generation EU Energy, Transpost and GFH Emissions Trends to 2050 - REFERENCE SCENARIO 2013

9 Gli ambiziosi obiettivi di energia sicura, pulita ed efficiente di Horizon 2020: riduzione dei gas serra del 20% incremento delle energie rinnovabili al 20% della produzione totale di energia diminuzione del consumo di energia del 20% (grazie a migliore efficienza energetica) @ DIITET : ricerca fondamentale ed applicata Nel periodo di transizione verso una low ‑ carbon economy, sono prioritarie nel medio termine attività di ricerca su: processi avanzati di combustione ad alta efficienza e basso impatto ambientale; sviluppo di sistemi avanzati di cattura della CO2 (CCS) impiego di biomasse e biocombustibili per l’energia ed il trasporto Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

10 L’energia rinnovabile solare, eolica, energia del mare, è invece alla base dello sviluppo di low ‑ carbon technologies che richiedono attività di ricerca più a lungo termine: Solare fotovoltaico: riduzione costi processo di produzione aumento dell’efficienza delle celle fotovoltaiche Energia solare: generazione ed accumulo di energia solar cooling accoppiamento a combustione di biomasse e biofuels Celle a combustibile alimentate con idrogeno, gas naturale e biofuels Eolico: eolico off-shore Energia dal mare: energia dalle onde energia dalle correnti Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

11 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Progetto EU - Research Fund for Coal and Steel RFCS 2010-2013 - RFCR-CT-2010-00013: MODELLING AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF CALCIUM LOOPING CO2-CAPTURE PROCESS FOR NEAR-ZERO CO2 EMISSION POWER PLANTS - CAL-MOD.: Sviluppo della tecnologia di cattura e rilascio concentrato di CO2 derivante da processi di combustione, mediante processi di “calcium looping” in sistemi a letto fluidizzato interconnessi e con l’impiego di sorbenti calcarei. Le attività riguardano: i) proprietà dei sorbenti; ii) condizioni operative reattoristiche; iii) capacità di cattura/rilascio di CO2; iv) propensione dei materiali sorbenti a subire fenomeni di attrition; v) rigenerabilità dei sorbenti Il processo di calcium looping si compone di due reattori, uno di carbonatazione dove un sorbente a base di calcio cattura la CO2, ed uno di calcinazione dove il sorbente carbonatato è rigenerato ad una temperatura più alta. In questo modo è possibile sottrarre la CO2 dai fumi di combustione ed ottenere una corrente quasi pura di CO2

12 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Progetto FP7-Transport BEAUTY (Bio-Ethanol engine for Advanced Urban Transport by Light Commercial & Heavy-DutY Captive Fleets): valutazione “well to wheel” dell’impatto ambientale derivante dall’uso di bioetanolo in autotrazione. Gli obiettivi principali sono: rispetto dei limiti Euro 6 e miglioramento dell’efficienza del 10%, mantenendo buone doti di funzionamento almeno fino a -15°C. L’attività ha riguardato uno studio su motori AC alimentati con miscele benzina/etanolo fino all’85% (E85) di alcol.

13 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Biomasse/Co-gassificazione di carbone e biomassa EU RFCS: FLEXGAS - NEAR ZERO EMISSION ADVANCED FLUIDISED BED GASIFICATION. EU RFCS : FECUNDUS (2010-2013) Sviluppo di un processo di cogassificazione di carbone e biomassa in reattori a letto fluido per la produzione di un syngas da utilizzare per generazione di energia e integrazione di processi di co-gassificazione di carbone, biomasse e rifiuti con processi di separazione e cattura di CO2. Il processo è stato basato sull'impiego della tecnologia del letto fluido per la conversione chimica dei combustibili.

14 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Progetto FP7 STAGE-STE: SCIENTIFIC AND TECHNOLOGICAL ALLIANCE FOR GUARANTEEING THE EUROPEAN EXCELLENCE IN CONCENTRATING SOLAR THERMAL ENERGY Questo programma di ricerca integrato (IRP) impegna tutti i maggiori istituti di ricerca europei in una struttura di ricerca integrata per realizzare i seguenti obiettivi generali: a) convertire il consorzio in una istituzione di riferimento per la ricerca sull’energia solare a concentrazione in Europa; b) migliorare la cooperazione tra le istituzioni di ricerca dell'UE che partecipano al IRP; c) sincronizzare i vari programmi di ricerca nazionali al fine di evitare duplicazioni e per ottenere risultati migliori e più veloci ; d) accelerare il trasferimento di conoscenze all'industria, al fine di mantenere e rafforzare la leadership industriale europea nei sistemi CSP; e) promuovere attività congiunte tra i centri di ricerca.

15 Progetto EU FP7 - DURAMET – improved Durability and cost- effective Components for New Generation Solid Polymer Electrolyte Fuel Cells: sviluppo di materiali innovativi e a basso costo per fuel cells a metanolo diretto (DMFC) per la generazione portatile di energia ed in sistemi APU (auxiliary power unit) Progetto EU FCH JU (FP7) – ONSITE operation of a novel sofc- battery integrated hybrid system for telecommunication energy systems: sviluppo di un sistema proof-of-concept basato su una tecnologia ibrida SOFC/ZEBRA rivolto a soddisfare i requisiti del mercato dei sistemi di telecomunicazione Progetto EU FP7 - SOFC CCHP WITH POLY-FUEL: OPERATION AND MAINTENANCE – SOFCOM: realizzazione e gestione scientifica, tecnica ed economica di due stazioni di prova per sistemi di produzione di energia completi, basati su Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). Core-shell ordered Pt-Co catalysts for DMFCs Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

16 EU-FP7 MaRINET (Marine Renewables Infrastructure Network for emerging Energy Technologies) sviluppo di dispositivi per produrre energia da onde, correnti marine e vento Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

17 Tema 1: Renewable electricity and heating and cooling technologies Ocean and Wind Energy Biomasse/Co-gassificazione di carbone e biomassa Biomasse/Sistemi solari a concentrazione (CSP) Biofuels Photovoltaics Celle a combustibile Solar cooling Tema 2: Providing the energy system with flexibility through enhanced energy storage technologies Energy Storage Tema 3: Sustainable biofuels and alternative fuels for the European transport fuel mix Biocombustibili liquidi Tema 4: Enabling the decarbonisation of the use of fossil fuels during transition to a low-carbon economy CO2 Capture and Storage Processi innovativi di combustione pulita Micro-cogenerazione Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Temi di ricerca svolti nel DIITET nell’ambito delle “LCT”

18 NEXT “ ENERGY “ Calls filter: energy; Date: May 5, 2014 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

19 1) ENERGY EFFICIENCY RESEARCH & INNOVATION – Main Pillar: Societal Challenge – EE-11-2014: New ICT-based solutions for energy efficiency – EE-13-2014: Technology for district heating and cooling – EE-12-2014: Socioeconomic research on energy efficiency 2) ENERGY EFFICIENCY - MARKET UPTAKE PDA – Main Pillar: Societal Challenges – EE-20-2014: Project development assistance for innovative bankable and aggregated sustainable energy investment schemes and projects 3) ENERGY EFFICIENCY - MARKET UPTAKE – Main Pillar: Societal Challenge – EE-04-2014: Construction skills – EE-05-2014: Increasing energy performance of existing buildings through process and organisation innovations and creating a market for deep renovation – EE-08-2014: Public procurement of innovative sustainable energy solutions – EE-10-2014: Consumer engagement for sustainable energy – EE-14-2014: Removing market barriers to the uptake of efficient heating and cooling solutions – EE-15-2014: Ensuring effective implementation of EU product efficiency legislation – EE-16-2014: Organisational innovation to increase energy efficiency in industry – EE-19-2014: Improving the financeability and attractiveness of sustainable energy investments – EE-21-2014: Development and market roll-out of innovative energy services and financial schemes for sustainable energy – EE-07-2014: Enhancing the capacity of public authorities to plan and implement sustainable energy policies and measures – EE-09-2014: Empowering stakeholders to assist public authorities in the definition and implementation of sustainable energy policies and measures Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

20 4) CALL FOR COMPETITIVE LOW-CARBON ENERGY – Main Pillar: Societal Challenge – LCE-02-2015: Developing the next generation technologies of renewable electricity and heating/cooling – LCE-11-2015: Developing next generation technologies for biofuels and sustainable alternative fuels – LCE-15-2015: Enabling decarbonisation of the fossil fuel-based power sector and energy intensive industry through CCS – LCE-17-2015: Highly flexible and efficient fossil fuel power plants 5) CALL FOR COMPETITIVE LOW-CARBON ENERGY – Main Pillar: Societal Challenges – LCE-03-2014: Demonstration of renewable electricity and heating/cooling technologies – LCE-12-2014: Demonstrating advanced biofuel technologies – LCE-19-2014: Supporting coordination of national R&D activities – LCE-20-2014: The human factor in the energy system 7) ENERGY EFFICIENCY - PPP EEB AND SPIRE TOPICS – Main Pillar: Societal Challenge – EE-02-2015: Buildings design for new highly energy performing buildings – EE-18-2015: New technologies for utilization of heat recovery in large industrial systems, considering the whole energy cycle from heat production to transformation, delivery and end use 6) CALL FOR ENERGY-EFFICIENT BUILDINGS – Main Pillar: Industrial Leadership – EeB-05-2015: Innovative design tools for refurbishing of buildings at district level – EeB-06-2015: Integrated solutions of thermal energy storage for building applications – EeB-08-2015: Integrated approach to retrofitting of residential buildings – EeB-07-2015: New tools and methodologies to reduce the gap between predicted and actual energy performances at the level of buildings and blocks of buildings Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

21 Progetto UE COST: “EERABIO” Identification of R&D needs for sustainable development of bioenergy in Europe Call oc-2014-1 (deadline: April 11, 2014 ) The scope of the project WP will comprise the following: - Review of the present state of the different more significant biomass/bioenergy value chains. - Identification of the present technical barriers for bioenergy sustainable development, particularly related to biomass production issues. - Definition of multi-feedstock value chains to assure continuous supply of raw materials and minimize logistic costs and storage time, to provide a sufficient bioenergy production scale, to compensate the lifecycle differences in feedstock maturation and harvesting periods and to protect biodiversity will be analysed. -Definition of a R&D agenda specific for each biomass/bioenergy type production and conversion. The Action will be focused on the assessment of different non food biomasses sustainable production and supply, including forest, agricultural (including energy crops), and algae biomasses, and the advanced technologies and the value chains of reference will be those seven of EIBI already mentioned, plus two additional ones, which are in line with some of the research priorities identified by the RHC-Platform, viz.: Intelligent micro and small-scale biomass cogeneration of heat, power and cooling(CHPC) Industrial and municipal combined heat, power and cooling (CHPC) Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

22 Progetto UE COST: “BIOHABIT” Biomass exploitation to hydrogen and butanol for sustainable fuels and green transportation Call oc-2014-1 (deadline: April 11, 2014 ) Global energy demand, dwindling fossil fuel reserves, the need to restrain emissions (i.e. greenhouse gases, air pollutants) and geopolitical instability in oil supplier regions are the most important reasons for fuel production using low environmental impact technologies and greener methodologies, but with efficiencies comparable to those currently available. Networking has the potential to promote research and development with optimum use of infrastructure and personnel, mainly through synergies of different groups, each with specific expertise in different fields. Sustainable hydrogen and butanol production from biomass, and their use with high efficiency and minimum environmental impact, will be addressed in an integrated manner by benefiting from the network that will be created. The interconnection between the different involved centres will overcome the bottlenecks of current approaches to biomass exploitation, management and use, and it will build a strong bridge between research industry and policy. Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

23 LOW-CARBON ENERGY _ H2020-LCE-2015-1 (deadline 2014-09-03) Topic: Developing next generation technologies for biofuels and sustainable alternative fuels Advanced Biohydrogen Production for Sustainable and Efficient Energy Conversion _ BIO- PSICO Within the context of ever increasing demand for energy and the need for reducing overall environmental impact, biohydrogen features several advantages compared to other biofuels, as well as specific challenges. Therefore, innovation is required for improving energy efficiency and reducing the environmental impact of biohydrogen, from production to its use and for optimizing related processes. The main objectives of the proposal are to: 1) improve the processes of biohydrogen production from biomass, 2) increase energy efficiency, 3) minimize costs associated with biohydrogen production within the biorefinery concept 4) reduce environmental impact of this alternative fuel through an integrated approach covering the entire supply-production-use chain. Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

24 Buoyant Energy - Balancing Wind Power and Other Renewables in Europe' Oceans Call identifier: H2020-LCE-2014-3 Topic: LCE-10-2014: Next generation technologies for energy storage La mancanza di tecniche efficienti ed economiche di accumulo (storage) dell'energia prodotta viene considerata come una delle barriere che ostacolano lo sviluppo delle fonti di energia rinnovabile dal mare. Il progetto propone una soluzione di accumulo innovativa derivata da tecniche ampiamente consolidate nel campo della produzione di energia idroelettrica nei bacini montani. Le fonti energetiche considerate sono onde e vento. Il contributo CNR e' affidato all'INSEAN che propone attivita' di modellazione computazionale di sistemi di generazione dell'energia dalle onde ed attivita' sperimentale per caratterizzare il funzionamento dei sistemi in condizioni rappresentative di quelle operative reali. Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

25 Energi a H2H2 CH 4 Energia alla rete Fonte rinnovabile Micro turbina a gas Elettrolizzatore O2O2 Calore recuperabile Da stoccare e riutilizzare Perdite Pannelli solari HRSG Energia alla rete Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

26  Sviluppo di un contro-elettrodo a basso costo alternativo al Platino  Caratterizzazione chimico-fisica ed elettrochimica di materiali per DSSC (TiO 2, liquidi ionici, coloranti, etc.) Celle solari terza generazione: Produzione di energia elettrica da energia solare a basso costo Foto-elettrolisi: Produzione di energia chimica (idrogeno e ossigeno) da energia solare  Sviluppo di celle di foto-elettrolisi a base di TiO 2 Riduzione del costo rispetto ai pannelli al silicio da 2 a 1 Euro/Wp Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

27 80-90°C 28-35°C 7-12°C/18- 20°C S OLAR C OOLING Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

28 Overall dimensions: 3.5 m (W) x 2.5 m (L) x 2.5 m (H), Estimated avg. Cooling load: 2.5 kW. Overall dimensions: 3.5 m (W) x 2.5 m (L) x 2.5 m (H), Estimated avg. Cooling load: 2.5 kW. S OLAR C OOLING Chilled water temp: 18/22 °C Outstanding comfort level Noiseless 0 m/s inside air speed Automatic management High accuracy sensors Heating/cooling operational mode Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

29 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Laboratorio Renewable Sources (RES): -Generatori eolici con macchina asincrona; -Generatori eolici con macchina sincrona; -Generatori PV; -Generatori dalle maree; -Celle a combustibile PEM; - Emulatori di turbine e campi PV. Progetti Finanziati: - MIUR 211; - MEZZOGIORNO; - RITMARE; -TESEO. Attività di Ricerca: - Progettazione di sistemi di generazione eolica, PV e dalle maree; -Tecniche di forecasting dell’energia producibile da RES. - Sistemi di Energy Management (EMS) di sistemi di generazione integrata; - Tecniche di controllo di generatori eolici e PV con inseguimento della massima potenza (incluso partial shading) e minimizzazione delle perdite; · Brevetto industriale RM2013A000272: Metodo e Relativo Sistema per la Conversione di Energia Meccanica, Proveniente da un Generatore Comandato da una Turbina, in Energia Elettrica; In fase di trasferimento tecnologico ad un consorzio di aziende in territorio Siciliano

30 Nuovi materiali magnetici per alta efficienza energetica TRL:1-4 TRL:1-5 Ottimizzazione delle caratteristiche del materiale magnetico per specifiche applicazioni Sviluppo di materiali alternativi con minore impatto strategico e ambientale Composti ad elevata anisotropia per magneti permanenti Effetto magnetocalorico Calls H2020 correlate EE, LCE, MM.MP, MM.DE, MC.LI Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 Leghe Intermetalliche per Refrigerazione Magnetica alternativa alla refrigerazione con gas

31 Analogie fra il ciclo di refrigerazione tradizionale (compressione di gas) e quello basato sull’effetto magnetocalorico. Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

32 Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014 ANTONI VANNI IGIvanni.antoni@igi.cnr.it CALABRIA RAFFAELAIMr.calabria@im.cnr.it CIAJOLO ANNAIRCa.ciajolo@irc.cnr.it DE JULIAN F. CESARIMEMcesar.dejulian@imem.cnr.it FRENI ANGELO ITAEangelo.freni@itae.cnr.it MASSOLI PATRIZIOIM p.massoli@im.cnr.it MAZZER MASSIMOIMEMmassimo.mazzer@cnr.it MIGLIARDINI FORTUNATOIMf.migliardini@im.cnr.it MUSCARI ROBERTOINSEANRoberto.Muscari@cnr.it PUCCI MARCELLOISSIApucci@pa.issia.cnr.it RAGUCCI RAFFAELEIRCraffaele.ragucci@cnr.it SALVATORE FRANCESCOINSEANfrancesco.salvatore@cnr.it SENNECA OSVALDAIRC senneca@irc.cnr.it VASSALLO ESPEDITOIFPvassallo@ifp.cnr.it Il gruppo di lavoro “Low Carbon Technologies”