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Tecnica dellenergia. Filiera dellenergia Estrazione/Raccolta Collettazione Pretrattamento :produzione di vettori energetici Accumulo Trasporto Accumulo.

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Presentazione sul tema: "Tecnica dellenergia. Filiera dellenergia Estrazione/Raccolta Collettazione Pretrattamento :produzione di vettori energetici Accumulo Trasporto Accumulo."— Transcript della presentazione:

1 Tecnica dellenergia

2 Filiera dellenergia Estrazione/Raccolta Collettazione Pretrattamento :produzione di vettori energetici Accumulo Trasporto Accumulo Trasformazione (materia/forma dellenergia):produzione di vettori energetici Accumulo Utilizzo (trasformazione finale nella forma utile) Recupero/collocazione ambientale residui

3 imposto da: - la raccolta dalle strutture di produzione diffuse COLLETTAZIONE - la diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo TRASPORTO -lelevato frazionamento degli apparati duso finale DISTRIBUZIONE TRASFERIMENTO DELL ENERGIA

4 trasportando materia in cui lenergia è accumulata (ad es. combustibili) trasmettendo lenergia senza trasferimento di materia (ad es. alberi rotanti, linee elettriche) Il trasferimento dellenergia può essere effettuato:

5 energia contenuta nellunità di massa combustibili nucleari combustibili fossili accumulatori elettrochimici condensatori industriali kWh / kg H2H2

6 I principali trasferimenti di energia si effettuano: per ogni uso: trasportando combustibili –con mezzi discontinui (ad es navi) –con mezzi continui ( ad es. oleodotti) solo per usi elettrici: trasmettendo con elettrodotti

7 confronto tra: fonte rete elettrica trasporto combustibile trasmissione di energia elettrica

8 Raggio dazione Distanza massima cui è economicamente conveniente trasportare la merce. Dipende da: - modalità di trasporto - percorso possibile - efficienza della trasmissione

9 Alcuni esempi Combustibili solidi e liquidi ad alto potere calorifico non hanno limiti, in pratica si possono solo avere concorrenza in base alla struttura logistica presente o da realizzare. Combustibili gassosi : alcune migliaia di km se trasportati in gasdotti, come i combustibili liquidi se liquefatti. Energia elettrica : alcune migliaia di km. Energia meccanica : fino al centinaio di metri con alberi rotanti, fino ad alcuni km per le trasmissioni a fune e a nastro. Energia termica : alcune centinaia di m con acqua calda, alcuni km con vapore.

10 sistemi Isolati Interconnessi : con rete fisica con rete logistica Con accumulo Senza accumulo

11 CENTRALE RETE DI TRASMISSIONE E INTERCONNES. RETE DI DISTRIB.MT STAZIONE CABINAPRIMARIACABINA MT- BT RETE DI DISTRIB.BT CARICO RETE DI DISTRIB.PRIMARIA Struttura di un grande sistema

12 Schema di principio rete gas AP MPBP BBP s G

13 Infrastrutture per il trasporto dellenergia elettrica e del gas

14 Rete elettrica MT

15 Rete gas MP

16 conversioni Della forma dellenergia Del vettore

17 Accumulo

18 Classificazione funzionale degli accumuli Intrinseco : insito nei dispositivi di un processo. Gestionale : dispositivi addizionali inseriti per migliorare la gestione dei processi. Strategico : dispositivi che contengono il bene necessario al funzionamento del processo, se isolato, o al funzionamento in emergenza, se collegato ad una rete di alimentazione del bene.

19 a2a2 a3a3 a1a1 f CmCm C em Accumulo cinetico (esempio di accumulo intrinseco)

20 V E 0 m m r +j Equazione cinematica

21 J m mem = C - C J m m mem = 1 P - P EQUAZIONE ELETTROMECCANICA Nel sistema elettrico è laccumulo intrinseco (lenergia cinetica acculata nelle masse rotanti) che permette il mantenimento dellequilibrio fisico nei tempi brevi (minori di quelli di intervento dei regolatori) quando si ha una variazione del carico

22 Esempi di configurazioni EV e HEV (HEV=ICE+EV) EVs HEVs SHEV PHEV M Azionamento elettrico En. Potenz. chimica En. elettrica En. meccanica

23 Gestione Flussi energetici RUOTA MOTORE ELETTRICO SISTEMA DI ACCUMULO (BATTERIE) GENERATORE ELETTRICO Ibridizzazione di tipo serie Definizione: Veicoli ibridi sono veicoli con almeno due differenti sorgenti di energia per la propulsione di cui almeno una sia elettrica. Due sorgenti per la propulsione: Generatore elettrico (gruppo elettrogeno con motore a combustione interna e/o Fuel Cell) Accumulo elettrochimico Potenza fornita dal motore termico con la massima efficienza Potenza fornita alla propulsione propulsione Potenza scambiata dallazionamento Potenza fornita dalla propulsione propulsione tempo Energia fornita dalle batterie in accelerazione Energia generata in più per ricaricare le batterie Energia recuperata in frenatura con motore termico spento

24 Fase: Coasting Fase: accelerazione Fase: velocità costante Fase: Frenatura Profilo di missione elementare per lautomotrice ALn668

25 Fase: accelerazione Fase: velocità costante Fase: Coasting Sosta iniziale Fase: Frenatura Sosta finale Lenergia per il moto è fornita dallaccumulo intrinseco Lenergia è fornita dallaccumulo strategio Ptenza scambiata dallaccumulo geionale

26 Confronto dei consumi ed emissioni di una ALN668 ibrida e la stessa attualmente in esercizio su una tratta reale: Firenze – Borgo S.Lorenzo - Faenza ALN668 ibrido ALN668 attuale* NOx HC CO CO PM0.013non disponibile Emissioni [g/km] Consumo gasolio [kg/km] ALn668 ibridoALn668 attuale* Stato di carica batterie * stime per difetto in quanto non tengono conto dei transitori (accelerazione – decelerazione). Dal confronto dei due power train si evidenzia la convenienza dellibrido in termini di minori consumi ed emissioni di inquinanti.

27 Layout ALN668 ibrida diesel Tutto il POWER TRAIN è collocabile sottocassa, non impegna, quindi volume utile di trasporto.

28 Ibridizzazione ALN668 l Consumi di combustibile ridotti di almeno il 20% rispetto al veicolo attuale. l Elevata affidabilità del sistema; l Basso impatto ambientale relativamente ad emissioni inquinanti in atmosfera e acustiche: - Funzionamento in puro elettrico (max 30km) in prossimità di centri urbani (emissioni zero); - Funzionamento misto (emissioni di inquinanti notevolmente ridotte rispetto al veicolo attuale). Costo di trasformazione; Costi di esercizio (legati alla manutenzione e sostituzione di alcuni componenti durante larco di vita utile del veicolo). VantaggiSvantaggi

29 Attriti e servizi ausiliari di bordo Produzione Utilizzo En.cinetica En.potenziale Gestione combustione Minimo inquinamento Gestione moto Gestione potenza Minimo consumo Serbatoio Combustibile Accumulo Reversibile Convert.. Trasmiss. Frenatura controlloaccumuloconvers.dissipaz. Sistemi di propulsione ibridi strategico gestionaleintrinseco Stoccaggio

30 Consumo specifico medio di un veicolo in ambito urbano Il consumo medio del parco veicoli con motore a combustione interna in ambito urbano è stimabile in circa 8 l per 100 km, che riportato in termini di energia primaria è stimabile in 1kWh/km. Per un veicolo IBRIDO nelle stesse condizioni è stimabile, in termini di energia primaria, in 0,6 kWh/km

31 Stima del consumo di un veicolo ibrido plug-in in ambito urbano Il veicolo ibrido plug-in in ambito urbano è come un veicolo elettrico, per la trazione utilizza lenergia prelevata dalla rete elettrica e accumulata nelle batterie. Si può stimare un consumo di enegia elettrica di circa 0,15kWh/km Nellipotesi di produrre lenergia elettrica con il parco termoelettrico nazionale, considerando lefficienza media, si può stimare il consumo in termini di energia primaria in circa 0,4kWh/km

32 Benefici nellesercizio del sistema elettrico Ipotizzando di avere cumulato una sostituzione di veicoli con plug-in e di effettuare la ricarica in circa 4 ore di notte con una potenza impegnata di 1kW, aggiungeremmo un carico alla rete elettrica di 500MW. Questo permetterebbe di caricare di più i gruppi marginali che funzionano al minimo tecnico con consistenti benefici in termini di rendimento: nellipotesi del parco nazionale i 500MW permetterebbero di migliorare di circa il 7% il rendimento di tre grandi gruppi termici in funzione al minimo tecnico ( 1/3 della potenza nominale). Ia perdita di energia per la trasmissione dalle centrali alle prese è, in condizioni di alto carico, circa 8-9%, durante la notte, al minimo carico, è circa il 5-6%. In queste condizioni il consumo di energia primaria imputabile al plug-in sarebbe di 0,3kWh/km.

33 Benefici nellesercizio del sistema elettrico Spostamento del punto di lavoro con miglioramento del rendimento energetico dei gruppi marginali e maggiore utilizzazione degli impianti esistenti. Maggiore utilizzazione dellenergia da fonti rinnovabili aleatorie, in specie quella eolica Maggiore utilizzazione delle reti esistenti con la carica notturna.

34 Inserzione di un accumulo gestionale Sincronizzare sistemi di produzione e utilizzazione temporalmente asincroni. Le potenze in ingresso e in uscita possono essere di valore diverso: si conserva lenergia. Conseguenze del punto precedente: - è possibile effettuare il down size della produzione - è possibile scegliere il miglior punto di lavoro della produzione - è possibile migliorare lutilizzazione di una struttura - è possibile effettuare il «livellamento dei prezzi»

35 TENOLOGIE

36 Accumulo di energia meccanica Pompaggio di acqua Accumulo di aria compressa Volani (flywheels) Pompaggio di acqua Accumulo di aria compressa Volani (flywheels)

37 Pompaggio di acqua: esempi

38 VANTAGGI Alto rendimento Relativamente bassi costi unitari di impianto Tecnologia consolidata SVANTAGGI Difficoltà di localizzare siti adatti Tempi lunghi di realizzazione Possibile impatto ambientale

39 CAES (compressed air energy storage) Laria è compressa a pressioni molto alte (35-85 bar) in caverne sotterranee a basso costo e viene successivamente utilizzata per produrre potenza di picco, facendo espandere laria accumulata in una turbina.

40 CAES (compressed air energy storage) The first commercial CAES was a 290 MW unit built in Hundorf, Germany in The second commercial CAES was a 110 MW unit built in McIntosh, Alabama in The construction took 30 months and cost $65M (about $591/kW). This unit comes on line within 14 minutes. The third commercial CAES, the largest ever, is a 2700 MW plant that is planned for construction in Norton, Ohio. This 9- unit plant will compress air to 1500 psi in an existing limestone mine some 2200 feet under ground.

41 VANTAGGI Buon rendimento Relativamente bassi costi unitari di impianto Tempi rapidi di costruzione SVANTAGGI Difficoltà di localizzare siti adatti Necessità di utilizzare combustibile pregiato Incerta competitività con altri sistemi di accumulo

42 Lenergia accumulata è data da: dove w è la velocità rotazionale (rad/sec), I il momento di inerzia della massa rotante, m è la massa rotante e v è la velocità lineare. Volani (flywheels): Volani di alta potenza sono sviluppati ed impiegati in UPS e nello spazio, mentre uno sforzo è rivolto allo sviluppo di volani commerciali per lunghe durata (fino ad alcune Sistemi da 2kW / 6kWh sono usati nelle telecomunicazioni. Megawatts per minuti o ore possono essere accumulati in flywheel farm kW / 25 kWh volani possono accumulare 1MW per 1 ora efficientemente, occupando poco spazio.

43 Volani (flywheels):

44 Accumulo di energia termica: classificazione Accumulo di energia termica Calore sensibile LIquidi Acqua Solidi Rocce, cemento Calore latente di transizione di fase Solido-solido Composti inorganici Sali idrati Solido-liquido Composti organici Paraffine e acidi grassi Termochimico Dissoluzione termica Reazioni chimiche

45 Accumulo di energia termica CALORE SENSIBILE x Unità di massa CALORE LATENTE x Unità di massa

46 Accumulo di energia termica: campi di applicazione Campi di applicazione Livello di temperatura Processi industriali>100 °C Calore per riscaldamento ed acqua calda sanitaria °C Riscaldamento ad aria30-60 °C Riscaldamento in accoppiamento con pompe di calore °C Aria condizionata (accumulo del freddo) <10 °C

47 Accumulo del freddo Laccumulo di energia forse più antica è quella associata allutilizzazione del ghiaccio proveniente da laghi e fiumi, che veniva accumulata in ambiente ben isolati per poter essere utilizzato per tutto lanno per le applicazioni tipiche di conservazione del cibo e condizionamento. Per esempio. Il Palazzo del Parlamento ungherese a Budapest è ancora condizionato con il ghiaccio proveniente dal Lago Balaton in inverno.

48 Accumulo del freddo: varie applicazioni industriali Acqua fredda Ghiaccio Ice-on-Coil Ice Maker Sistemi a glicole Ice balls Ghiaccio incapsulato Sali eutettici

49 Esempi di applicazioni industriali

50 VANTAGGI Aumento di rendimento degli impianti solari Flessibilità di sistema Uso di fonti rinnovabili SVANTAGGI Nuovi materiali Materiali di contenimento Scambiatori di calore e convertitori

51 Accumulo di energia elettrica e/o magnetica Magneti superconduttori Supercondensatori elettrochimici Magneti superconduttori Supercondensatori elettrochimici

52 SMES (superconducting magnets energy storage)

53 Supercondensatori elettrochimici a doppio strato (EDLC) Un dispositivo elettrochimico, concettualmente simile ad una batteria, ma anche ad un condensatore convenzionale, che accumula energia sotto forma di carica elettrostatica, in uno strato polarizzato al confine o nellinterfaccia tra lelettrodo e lelettrolita. Pseudocondensatori In alcuni casi alla carica elettrostastica del doppio strato si aggiungono reazioni faradiche tra elettrolita e materiali elettrodici che aggiungono ulteriore trasferimento di carica (ed una pseudo-capacità che dipende dalla tensione di lavoro), come nei processi di: –Adsorbimento superficiale di ioni dallelettrolita – Reazioni redox in ossidi metallici (di rutenio o di iridio) –Drogaggio p- o n- di materiali polimerici conduttori Energia in un SC:

54 Schema di un supercondensatore a doppio strato

55 Accumulo di energia chimica Accumulatori elettrochimici (batterie) Il caso dellidrogeno Accumulatori elettrochimici (batterie) Il caso dellidrogeno

56 Caratteristiche fondamentali delle batterie 1.Capacità 2.Energia Specifica 3.Densità di energia 4.Potenza specifica 5.Densità di potenza 6.Tempo ed efficienza di ricarica 7.Vita ciclica 8.Costo e disponibilità dei materiali

57 I sistemi di accumulo elettrochimico Accumulatori elettrochimici commerciali Piombo-acido Nichel-cadmio Nichel-idruri metallici Accumulatori elettrochimici avanzati Litio-ione Litio metallo Zebra

58 Batterie SODIO - ZOLFO PIOMBO ACIDO VANADIO REDOX FLOW

59 Stato dellarte dei sistemi di accumulo in batterie

60 Accumulatori o supercondensatori? W/kg Wh/kg Batterie PbBatterie NiMhBatterie Litio Supercondensatori Potenza specifica Energia specifica

61 Confronto per applicazioni

62 Confronto per contenuto energetico

63 Confronto in termini di efficienza

64 Confronto economico

65 Confronto economico per ciclo

66 Laccumulo dellidrogeno

67 Il punto di partenza Lidrogeno ha il più alto contenuto di energia per unità di peso di qualsiasi combustibile: 120 MJ/kg (pci) MJ/kg (pcs) Lidrogeno ha il più alto contenuto di energia per unità di peso di qualsiasi combustibile: 120 MJ/kg (pci) MJ/kg (pcs) Putroppo a 300 K e 1 atm, 1 Litro di idrogeno contiene soltanto: 10,7 kJ (3 ordini di grandezza meno di quanto servirebbe) Putroppo a 300 K e 1 atm, 1 Litro di idrogeno contiene soltanto: 10,7 kJ (3 ordini di grandezza meno di quanto servirebbe)

68 Principali sistemi di accumulo dellidrogeno Sistemi di accumulo convenzionali Idrogeno compresso Serbatoi criogenici (dewar) Combustibili liquidi (metanolo, etanolo, benzina, ecc.) con reformer Sistemi di accumulo innovativi Idruri e composti chimici (reversibili ed irreversibili) Nanostrutture di carbonio Nanotubi Grafite Fullerene

69 Volume e massa del sistema per accumulare 7 kg di H 2 (circa 550 km autonomia)

70 obiettivi ObiettivoFreedomCAR Alanati(futuro) Materiali a base di C (2002) H 2 compresso (2002) bar Obiettivo ProgrammaDoE Idruri metallici H 2 compresso Materiali a base di C H 2 liquido Benzina Diesel Idruri chimici /Slurryorganici 0, ObiettivoFreedomCAR Alanati(futuro) Materiali a base di C (2002) H 2 compresso (2002) bar Obiettivo ProgrammaDoE kg H 2 /m 3 % peso H 2

71 Gestione energetica dellaccumulo

72 Funzioni gestionali ( esempio nel sistema elettrico)

73 Accumulo elettrostatico Processo classico di carica di un condensatore La carica avviene attraverso un generatore di tensione; allistante t=0 linterruttore viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo infinito, quando la tensione del condensatore è pari a quella del generatore (V=E). W g = C V 2 Lenergia erogata dal generatore per la carica: Lenergia immagazzinata nel condensatore: W c = ½ C V 2 Lefficienza di carica del condensatore: = W c / W g = ½

74 Accumulo elettrostatico Carica di un condensatore con generatore di corrente La carica avviene attraverso un generatore di corrente; allistante t=0 linterruttore S1 viene aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo quando: Q = I = C V da cui = C V / I Da cui: Lefficienza di carica del condensatore è: W i = ½ C V 2 dove: e Se R i I molto maggiore di V il rendimento è prossimo ad 1

75 Accumulo elettrochimico Carica di un accumulatore con generatore di tensione La carica avviene attraverso un generatore di tensione costante, laccumulatore è modellato da una f.e.m. costante ed una resistenza interna. W g = E g I Lenergia erogata dal generatore per la carica: Lenergia immagazzinata nellaccumulatore: W b = Q E b = I E b Lefficienza di carica dellaccumulatore: c = W b / W g = E b / E g I b = I = (E g -E b )/(R g +R b )

76 Accumulo elettrochimico Scarica di un accumulatore su un carico Lenergia immagazzinata precedentemente nella carica non può essere fornita completamente ad un carico. W b = E b I Lenergia erogata dallaccumulatore: Lenergia assorbita dal carico: W c = R u I 2 Lefficienza di scarica dellaccumulatore: Lefficienza complessiva di carica- scarica dellaccumulatore: = c s

77 Accumulo elettrochimico Carica di un accumulatore con generatore di corrente La carica avviene attraverso un generatore di corrente; allistante t=0 linterruttore S1 viene aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo. W g = W b + R b I 2 Lenergia erogata dal generatore per la carica: Lenergia immagazzinata nel accumulatore: W b = E b I Lefficienza di carica dellaccumulatore: Lefficienza di scarica invece non cambia.

78 Potenza erogata [W]Energia erogata [Wh] 2254,25 30,8 12,738,1 Andamento della energia erogata in scariche a potenza costante per un accumulatore al Piombo-Acido

79 Requisiti fondamentali del sistema di accumulo

80 Interconnessione

81 Interconnessione di reti energetiche

82 82 Smart Grids

83 Interconnessione di reti per lenergia Maggiore capacità di gestione della domanda della risorsa Riduzione delle riserve Maggiore sicurezza della disponibilità della risorsa per lutilizzatore finale Ridondanze impiantistiche Complessità Vantaggi Svantaggi


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