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SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA
Gianmario L. Arnulfi (Università di Udine) Si presenta una panoramica sui dispositivi di accumulo di energia, partendo dall'opportunità e dalla fattibilità del processo. Si segue un percorso che ha come guida le cinque classiche domande del giornalista “Chi? Dove? Quando? Come? Perché?”, sia pure in altro ordine di apparizione, più due caratteristiche dell’ingegnere “È fattibile? Conviene?” La trattazione sull’accumulo è preceduta da una breve premessa sulla generazione (per meglio dire conversione) di energia. Segue un elenco di tipologie di processi di accumulo e relativi dispositivi. Sono trattate con maggior dettaglio le due tipologie di impianto che permettono l’accumulo di grandi quantità di energia: quella, consolidata e abbastanza diffusa, del pompaggio d’acqua e quella, rarissima ma provata da decenni di funzionamento senza inconvenienti, della compressione d’aria. Concludono la trattazione alcune considerazioni sulla eventuale convenienza della pratica dell’accumulo da diversi punti di vista: economico, energetico, ambientale, politico, anche in considerazione dell’alternativa all’accumulo stesso. Segue un’appendice sull’unità di misura. L’autore ha svolto attività scientifica sui dispositivi contrassegnati da una stellina accanto al numero di pagina. Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA Gianmario L
SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA Gianmario L. Arnulfi - Università di Udine Perché? Quando? È possibile? Come? Dove? Conviene? Chi? Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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COME SI “PRODUCE” L’ENERGIA
Quasi tutta l’energia elettrica è prodotta da gruppi turbina-alternatore. Il fluido (acqua, aria, vapore o gas) entra a contenuto energetico alto ed esce a basso. Parte dell’energia sottratta al fluido è convertita dalla turbina in lavoro all’albero. Parte del lavoro è a sua volta convertito dall’alternatore in energia elettrica. La doppia conversione è necessaria per il trasporto a grandi distanze. Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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PERCHÉ E QUANDO ACCUMULARE
La domanda varia in modo abbastanza prevedibile. L’offerta è modulabile: centrali di base e di punta. L’opportunità di accumulo è da valutare. Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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PROSPETTIVE Generazione distribuita reti sistemi isolati
impianti “accoppiati” Fonti rinnovabili stocastiche eolico solare Impianti non-stop carbone uranio Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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DISPOSITIVI DI ACCUMULO
Chimico elettrolisi batteria “estrazione”+ossidazione idrogeno Elettrico magneti superconduttori Termico caldo geotermia, matrici porose freddo aria ingresso turbina Meccanico cinetico volano gravitazionale pompaggio elastico gas compresso Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb 2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E
ACCUMULO CHIMICO Batteria al piombo Batteria alcalina Aeromotore isolato PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb 2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E 2 Ni(OH)2 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe(OH)2 2 Ni(OH)3 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe + E Energia 1 GJ Potenza MW Rendimento 90 % Periodo 10 h Costo 30 k€ Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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“ACCUMULO” A IDROGENO L’idrogeno è diffuso in natura.
Sulla terra esiste in natura solo “combinato” (H2O, CH4…) La sua “estrazione” è costosa economicamente energeticamente H + sole/vento = 100% ecologico Carica (ore vuote) = estrazione idrocarburi (reforming) acqua (elettrolisi) Immagazzinamento gas (4-20 MPa, 288 K) liquido (100 kPa, 20 K) Trasporto bombole gasdotto Scarica (ore piene) combustione pulita conversione diretta (celle a combustibile) Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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Supercoducting Magnetic Energy Storage
ACCUMULO ELETTRICO Induttori e Condensatori Magneti superconduttivi Minime perdite Ni Ti He liquido T < 4 K Supercoducting Magnetic Energy Storage Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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ACCUMULO TERMICO Sali eutettici Sfere criogene Sonde geotermiche
Pompe di calore geotermiche Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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ACCUMULO TERMICO – CRIOGENICO
Energia 30 GJ Potenza 1 MW Rendimento 103 % Periodo giorno Costo 200 k€ Ritorno economico scarso rapido Thermal Energy Storage gas Turbine Inlet Air Cooling Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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ACCUMULO CINETICO Volani di “regolarizzazione” cuscinetti a sfere
periodo = 1 s alte perdite d’energia Volani di “accumulo” resine epossidiche + vetro sospensione magnetica vuoto criogenico (1 mPa) basse perdite d’energia tecnologia non matura Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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ACCUMULATORI A VOLANO Attualmente esistono solo prototipi (es. gruppo di continuità). Esiste uno studio per un volano ∅ 6 m. Energia 36 MJ Potenza 3 kW Rendimento 99 % Periodo 10 min Costo ? Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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ACCUMULO GRAVITAZIONALE
Maglio a gravità (berta) Impianti idraulici di pompaggio Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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IMPIANTI DI POMPAGGIO Una centrale idroelettrica a bacino “modificata”. Attualmente è l’unica tecnologia significativa per l’accumulo di grandi quantità d’energia. Energia 10 GJ Potenza 250 MW Rendimento 70 % Periodo 1 giorno anno Costo M€ Italia 7,6 GW 20 PJ/anno Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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TIPOLOGIE DI POMPAGGIO
Configurazioni quaternario ternario (rendimento, inversione) binario (costo) Classificazione gronda (2 bacini inferiori) puro misto (reintegro > 5%) Esempi Fadalto (BL) ternario misto Presenzano (CS) binario puro Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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POMPAGGIO A BASSO SALTO
Costi molto minori Impianti ex novo “Densità energetica” bassa Impatto ambientale alto Maree artificiali (accumulo): nessun impianto oggi Maree naturali: Rance (F) Energia 5 GJ Potenza 240 MW Rendimento 66 % Periodo 1 giorno Costo ? Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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ACCUMULO ELASTICO Aria compressa Molla metallica Molla pneumatica
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ACCUMULO AD ARIA COMPRESSA
Carica: un compressore insuffla aria in un “serbatoio”. Scarica: il gas* espande in turbina verso l’atmosfera. “Serbatoio” caverna rocciosa giacimento esaurito HC miniera esaurita NaCl caverna porosa falda Bisogna riscaldare l’aria prima di espanderla, es. mediante combustione interna (gas*). Compressed Air Energy Storage Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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IMPIANTI DI ACCUMULO AD ARIA
Huntorf (Sassonia D) 1978 McIntosh (Alabama USA) 1992 D USA Energia 2 10 TJ Potenza (carica) 60 MW Potenza (scarica) 290 110 Rendimento 66 78? % Periodo 1 giorno Costo 200 ? ? M€ Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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IMPANTI A PRESSIONE COMPENSATA
Le turbomacchine lavorano male in condizioni fuori-progetto. Mettere in comunicazione il ”serbatoio” con un “lago” limita le oscillazioni di pressione. Il “serbatoio” deve essere molto profondo. Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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USO DELLE FALDE ACQUIFERE
Accumulo di gas (CH4) in falda: tecnologia matura ma con periodo 1 anno. Roccia sollecitata a fatica con periodo 1 giorno: da studiare. Attacco e sottrazione dell’ossigeno: da valutare. Effetto Champagne. Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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CONVENIENZA Economica impianti molto costosi
differenza prezzo energia ore piene-vuote pareggio “lontano” Energetica perdite A / R maggiori rendimenti dei restanti impianti Ambientale rilevante impatto sul sito nulli o quasi i gas tossici e gas serra Politica economica diversificazione fonti import\export energetico Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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ALTERNATIVA ALL’ACCUMULO
Base + Accumulo = Punta Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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CHI Accumulo idraulico ritorno a lungo termine rischio economico
Accumulo ad aria tecnologia non matura rischio tecnico Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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CONCLUSIONI Accumulare grandi quantità di energia è possibile.
La scelta del sito è imposta, ma la disponibilità sembra vasta. L’impatto ambientale è forte, nel bene e nel male. L’accumulo può portare a un uso più razionale delle fonti. La convenienza economica è da valutare. Attualmente sembra esserci un rinnovato interesse. Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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UNITÀ DI MISURA 1 J = 1 W s = 1/3600 W h 1 TEP = 10 000 000 kcal
1 kcal = 4187 J 1 J = 1/4187 kcal 1 J = 0, W h 1 J = 0, kcal 1 J = 0, TEP k 1 000 M G T P Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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FORMULE Gemona del Friuli, 27 marzo Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
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