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GESTIONE OPERATIVA Conduzione di un sistema.. GESTIONE PRODUZIONE UTILIZZAZIONE FLUSSO DI PRODOTTO FLUSSO DI INFORMAZIONE.

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1 GESTIONE OPERATIVA Conduzione di un sistema.

2 GESTIONE PRODUZIONE UTILIZZAZIONE FLUSSO DI PRODOTTO FLUSSO DI INFORMAZIONE

3 Mantenimento dellequilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema Per mantenere lequilibrio tra la produzione e lutilizzazione si possono adottare due principali obiettivi di gestione: - linseguimento della domanda - linseguimento della produzione

4 Mantenimento dellequilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema Sistemi con possibilità di accumulo del prodotto Sistemi senza possibilità di accumulo del prodotto

5 Mantenimento dellequilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema La gestione, comunque, comporta la disponibilità dellinformazione : - nei sistemi con accumulo può essere non in linea - nei sistemi senza accumulo deve essere in linea

6 IL SISTEMA ELETTRICO Un esempio di sistema gestito in linea, cioè senza accumulo di prodotto

7 ENERGIA ELETTRICA Lenergia elettrica è un bene immateriale la cui disponibilità ed utilizzazione si estrinseca nel vettore elettrico con cui è resa accessibile allutilizzatore.

8 Il vettore elettrico Terna simmetrica di tensioni variabili nel tempo sinusoidalmente a frequenza costante a modulo costante Modalità di distribuzione : in derivazione. Nei sistemi elettrici per lenergia è prevalentemente utilizzato un vettore definito come :

9 Obiettivo di un sistema elettrico di potenza Trasferire la potenza attiva dagli apparati produttori a quelli utilizzatori mantenendo lequilibrio e la qualità del vettore

10 Trasferimento della potenza

11 R R i E V Trasferimento della potenza da un generatore di tensione a una resistenza P = RI 2 = R(E/(R i + R)) 2 POTENZA MASSIMA P MAX quando R i = R EFFICIENZA DI TRASFERIMENTO = (RI 2 )/(EI) = 1/(1+R i /R)

12 Potenza trasferita alla resistenza R Efficienza di trasferimento Trasferimento della potenza da un generatore di tensione a una resistenza = V R i = 1 R [0,100]

13 R I I V Trasferimento della potenza da un generatore di corrente a una resistenza P = RI 2 La potenza trasferita è proporzionale alla resistenza

14 Trasferimento della potenza tra generatori di tensione R P = VI = (EV/R i ) – (V 2 /R i ) Con I = ( E-V)/R i E = V P E R i E V = E R P

15 Trasferimento della potenza da un generatore di corrente ad uno di tensione P = VI La potenza trasferita è proporzionale alla corrente: condizione ideale R I I V = E R P

16 Trasferimento della potenza in un sistema in c.a. trifase

17 GENERATORE TRIFASE

18 È un sistema a due porte di potenza : una meccanica e laltra elettrica. Può presentare una porta di controllo elettrica (eccitazione ) Schema di principio di un generatore elettromeccanico

19 CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFASE IN REGIME PERMANENTE jX s I I V E Ipotesi di comportamento lineare e non dissipativo della macchina E V I XsXs

20 CALCOLO DELLE POTENZE SCAMBIATE ALLA PORTA ELETTRICA N= 3VI = V-E jX = = 3 VV-VE -jX = -3 VEsin X +3j V-VEcos X * s ** s ss * 2

21 ESPRESSIONE DELLE POTENZE E DELLA COPPIA Potenza attiva: Potenza reattiva: Coppia: P= -3 VEsin X s Q= 3 V-VEcos X s 2 C=-3 VEsin X s

22 -33 0 Coppia angolo motore generatore Caratteristica Meccanica Per la macchina non dissipativa rappresenta anche la potenza attiva scambiata alle porte

23 Stato di un sistema Lo stato di un sistema è la condizione fisica in cui si trova ad un dato tempo ed è descrivibile mediante il valore assunto da un insieme di grandezze atte a definire il funzionamento del sistema stesso.

24 Stati di un sistema elettrico

25 Funzionamento a regime Il funzionamento a regime è un particolare stato del sistema elettrico la cui condizione fisica è statica e definibile attraverso il valore di alcune grandezze elettriche in grado di descrivere, mediante un opportuno sistema di equazioni algebriche, il bilanciamento delle potenze e lequilibrio elettrico circuitale del sistema stesso.

26 GESTIONE Il mantenimento di un sistema elettrico per lenergia in condizioni di regime sicuro è oggetto della gestione tecnica che, per questo specifico fine, opera secondo il seguente obiettivo: mantenere istante per istante lequilibrio tra la potenza prodotta e quella utilizzata (comprensiva delle perdite nel trasporto e nella distribuzione) nel rispetto dei vincoli di qualità. In generale, in un sistema elettrico per lenergia, gli assetti produttivi e di rete in grado di soddisfare questo obiettivo della gestione tecnica sono plurimi : la scelta del migliore è oggetto della gestione economica del sistema stesso.

27 Lequilibrio della potenza attiva in un sistema elettrico in regime lentamente variabile

28 Ad esempio : se cè una variazione di potenza assorbita dallutenza non vi è più equilibrio tra coppia meccanica allasse dei generatori sincroni e coppia elettromagnetica sviluppata; per cui i rotori delle macchine sincrone accelerano o decelerano in funzione del decremento o incremento della potenza assorbita dai carichi.

29 a2a2 a3a3 a1a1 f CmCm C em

30 UNA VARIAZIONE DI POTENZA ASSORBITA DA UN CARICO PROVOCA : una variazione di velocità dei generatori e quindi una variazione di frequenza della rete da essi alimentata. la variazione di frequenza è quindi linformazione che non cè lequilibrio tra la potenza richiesta e quella prodotta.

31 LA VARIAZIONE DI POTENZA ASSORBITA DAI CARICHI PUO ESSERE: Lenta, per effetto delle usuali variazioni del diagramma di carico nellarco della giornata; Molto rapida (in tempi dellordine di qualche decina di millisecondi); ciò avviene quando si verifica un guasto nella rete.

32 VARIAZIONE LENTA DI POTENZA ASSORBITA DAI CARICHI Dovrà essere compensata dallintervento del sistema di regolazione della potenza meccanica col compito di riequilibrarla al fine di mantenere costante la velocità del rotore e quindi la frequenza.

33 VARIAZIONE RAPIDA DELLA POTENZA ASSORBITA DAI CARICHI E in genere dovuta a guasti come si è già detto; in tal caso non vi è possibilità di intervento da parte del sistema di regolazione della potenza meccanica proprio per la rapidità della variazione di potenza. Il fenomeno è molto severo e può provocare la perdita del passo (sincronismo) dei generatori sincroni con conseguente perdita della potenza da essi generata.

34 Sistema elettrico in c.a. in regime lentamente variabile La frequenza si può ritenere costante in tutto il sistema e costituisce linformazione sullo stato di equilibrio disponibile in ogni punto del sistema; Si può utilizzare per lo studio il modello bus bar, cioè un sistema costituito da una sbarra a frequenza costante cui vengono collegati generatori, carichi e lequivalente delle perdite di rete.

35 MODELLO BUS BAR generatori carichi ed equivalente delle perdite di rete

36 La potenza assorbita da un carico aggregato (utenza, domanda) è indipendente dalla frequenza per la maggior parte dei carichi resistivi (illuminazione a incandescenza, riscaldatori a resistenza), per i dispositivi con stadio di ingresso raddrizzatore, è fortemente dipendente dalla frequenza per i carichi motore poiché cresce con la velocità (talvolta addirittura con il cubo della velocità), è dipendente dalla frequenza la potenza delle perdite (specialmente quelle nel ferro)

37 CARATTERISTICA FREQUENZA - POTENZA DI UN CARICO AGGREGATO f (Hz) P valore nominale del carico P= K p V f

38 Si consideri una variazione del carico da C 1 a C 2 (alla frequenza di riferimento) senza variare la potenza generata : f (Hz) P C2C2 C 1 = P g Frequenza di riferimento Equilibrio in condizioni di non regolazione della potenza generata il sistema raggiunge un punto di equilibrio ad una frequenza diversa da quella di riferimento. Sistema autoregolante Caratteristica del generatore

39 CARATTERISTICA FREQUENZA POTENZA SEMPLIFICATA DI UN CARICO fnfn f P CnCn Linearizzazione della caratteristica del carico in un intorno piccolo della frequenza di riferimento

40 ENERGIA REGOLANTE DEL CARICO La costante K c ha le dimensioni di una energia e viene chiamata energia regolante del carico. Essa definisce la pendenza della caratteristica potenza frequenza del carico.

41 OSSERVAZIONE Le variazioni di frequenza che si hanno quando il carico nominale cambia in assenza di altri tipi di regolazione, sono inaccettabili. E necessario quindi ricorrere ad una regolazione della potenza generata.

42 REGOLAZIONE PRIMARIA Il regolatore della potenza del generatore deve: incrementare o decrementare la potenza meccanica quando diminuisce o aumenta la velocità del generatore.

43 Condotta forzata spina Turbina (Pelton) Regolatore di Watt

44 STRUTTURA DEL REGOLATORE rif m contr. attuat. inerzia C PgPg rete

45 STRUTTURA GENERALE DEL REGOLATORE DI FREQUENZA C P g rete f f rif =0 1/JsC(s) In condizioni di regime vale: P = -C(0)f g

46 LEGAME FREQUENZA-POTENZA IN CONDIZIONI DI REGIME PnPn P f f0f0 fnfn Caratteristica esterna del generatore

47 ENERGIA REGOLANTE DEL GENERATORE La costante C(0) che chiameremo K g ha le dimensioni di una energia e viene chiamata energia regolante del generatore in assonanza a quanto già definito per un carico. Essa definisce la pendenza della caratteristica potenza frequenza del generatore.

48 STATISMO La pendenza della caratteristica frequenza potenza del generatore viene data anche attraverso lo statismo definito come: la variazione relativa di frequenza tra il funzionamento a vuoto ed il funzionamento alla potenza nominale.

49 ESEMPIO Sistema isolato costituito da un generatore ed un carico

50 VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA AD UNA VARIAZIONE DI CARICO PgPg P f fnfn f CnCn C n =P g,n Caratteristica del generatore non regolato Equilibrio del sistema non regolato

51 C n K c f f K g f = P g Contributi alla regolazione Contributo del carico Conrtibuto del generatore

52 ENERGIA REGOLANTE DELLA RETE La somma delle energie regolanti del carico K c e del generatore K g viene indicata con K r e viene chiamataenergia regolante della rete che può essere definita come la variazione di carico nominale dovuta alla variazione unitaria di frequenza della rete.

53 OSSERVAZIONE La variazione di frequenza risulta quindi inversamente proporzionale allenergia regolante della rete.

54 OSSERVAZIONE Per diminuire la variazione di frequenza dovuta ad una variazione di carico sarebbe quindi opportuno aumentare lenergia regolante della rete : poichè lenergia regolante del carico non è facilmente modificabile, si preferisce incrementare lenergia regolante del generatore. Ciò tuttavia può dar luogo a problemi di stabilità del sistema o almeno a risposte dinamiche inaccettabili.

55 SISTEMA CON PIU GENERATORI OGNUNO DEI QUALI E DOTATO DI SOLA REGOLAZIONE PRIMARIA

56 REGOLATORI DI FREQUENZA C 2 P 2g rete + f 2 f 2rif =0 1/J 2 s C 2 (s) C 1 (s)1/J 1 s C 1 f 1rif =0 P 1g f

57 VARIAZIONI DEI VALORI DELLE GRANDEZZE f e P ALLEQUILIBRIO IN CONDIZIONI DI REGIME f = f = f 12 P = C(0)f P = C f 1g1 2g2 P = P + P = = C(0)+ C f g1g2g 12 Frequenza unica nel sistema a regime Ripartizione delle potenze di regolazione Potenza regolante

58 CARETTERISTICA EQUIVALENTE f-P DI UN GRUPPO DI GENERATORI f P tg P fnfn P 2g P 1g N.B. per costruire la caratteristica si sommano le potenze a pari frequenza Equivalente gruppo

59 LA REGOLAZIONE SECONDARIA

60 EFFETTO DI UN SEGNALE DI RIFERIMENTO NON NULLO DI REGOLAZIONE SECONDARIA C P g rete f f rif 0 1/JsC(s) In condizioni di regime vale:

61 EFFETTO DI UN SEGNALE DI RIFERIMENTO NON NULLO DI REGOLAZIONE SECONDARIA f P K g f rif f rif 0

62 EFFETTO DELA VARIAZIONE DEL SEGNALE DI RIFERIMENTO DEL REGOLATORE DI FREQUENZA IN UN SISTEMA ISOLATO P f fnfn K g f rif ( f rif negativo)

63 LA VARIAZIONE DELLA FREQUENZA DI RIFERIMENTO PRODUCE SOLO UNA VARIAZIONE DELLA POTENZA GENERATA E NON DELLA FREQUENZA P f fnfn Generatore chiuso su rete prevalente (potenza infinita, frequenza costante, energia regolante del carico infinita)

64 SI HA SOLO UNA VARIAZIONE DELLA FREQUENZA E NON DELLA POTENZA GENERATA P f fnfn Generatore chiuso su carico indipendente dalla frequenza (energia regolante del carico nulla).

65 LA REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA IN UNA RETE CON PIU GENERATORI E affidata ad un regolatore centrale che sulla base di una misura della frequenza di rete ripartisce la potenza da generare tra le diverse centrali secondo criteri predeterminati (ad esempio un criterio di ottimo economico).

66 P 2el P 2m rete + f 2 f 2rif 1/J 2 s C 2 (s) C 1 (s) 1/J 1 s P 1el f 1rif P 1m f f 1 controll. centrale sistema locale C

67 IL REGOLATORE CENTRALE PROVVEDE: alla ripartizione del carico tra i diversi generatori mediante segnali da inviare ai regolatori locali; allaggiustamento della frequenza al valore nominale di esercizio mediante una azione integrale che incrementa (o decrementa) i segnali da inviare ai regolatori locali fino a che lerrore di frequenza non diventa nullo.

68 STRUTTURA DEL SISTEMA DI REGOLAZIONE DELLA POTENZA ATTIVA controllore di rete aree centrali di generazione segnale errore di frequenza

69 duck country mouse country cat country REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA ATTIVA TRA PIU AREE DI GENERAZIONE E CARICO TRA LORO INTERCONNESSE

70 mouse country duck country cat country regolatore unico di rete segnale errore di frequenza LA REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA IN TUTTE LE AREE INTERCONNESSE PUO ESSERE EFFETTUATA ATTRAVERSO UN UNICO REGOLATORE DI RETE AL MASSIMO LIVELLO GERARCHICO A QUESTO TIPO DI SOLUZIONE SI OPPONGONO SPESSO RAGIONI CHE NON SONO DI ORDINE TECNICO MA DI AUTONOMIA DELLE AZIENDE PRODUTTRICI DELLE SINGOLE AREE.

71 REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA ATTIVA TRA PIU AREE DI GENERAZIONE E CARICO TRA LORO INTERCONNESSE Si preferisce procedere attraverso regolatori di area tra loro indipendenti ciascuno dei quali agisce con lobiettivo: generazione e carico, nella propria area, siano in equilibrio, a meno di assorbimenti (o erogazioni) da (o verso) altre aree previsti da norme contrattuali. Occorre la conoscenza della potenza scambiata con le altre aree ( P s ) Una valutazione dellulteriore potenza necessaria ad equilibrare il carico dellarea interessata se la frequenza è diversa da quella nominale

72 CALCOLO DELLA POTENZA DA GENERARE IN UNA DETERMINATA AREA PER IL RIEQUILIBRIO POTENZA GENERATA-CARICO Assunta positiva la potenza P s se entrante e proveniente da altre aree, la produzione aggiuntiva di potenza dovrà essere: deve essere ripartita secondo i criteri prestabiliti dal regolatore centrale tra i diversi generatori prestabiliti (mediante criteri economici di mercato o criteri tecnici di capability) in regolazione secondaria; il regolatore centrale quindi invierà i segnali di regolazione secondaria alle diverse centrali.

73 Produzione da generazione distribuita Per generazione distribuita si intende linsieme di generatori (generalmente di potenza inferiore ai 20 MW) di norma collegati alle reti di distribuzione a media e bassa tensione che possono essere parte dei sistemi di utenza ( autoproduzione) o dedicati alla rete. Su una rete di grandi dimensioni questa produzione non partecipa alla regolazione ed è considerata alla stregua di carico negativo, cioè è accettata in rete ( per motivi energetici) ma il resto della produzione del sistema deve regolare per mantenere lequilibrio.

74 Equilibrio dei sistemi in presenza con accumulo

75 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.

76 ESEMPIO DI SITEMA CON ACCUMULO IL VEICOLO IBRIDO

77 Esempi di configurazioni EV e HEV (HEV=ICE+EV) EVs HEVs SHEV PHEV M Azionamento elettrico

78 Attriti 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

79 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

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

81 Fase: accelerazione Fase: velocità costante Fase: Coasting Sosta iniziale Fase: Frenatura Sosta finale Il moto è alimentato dallaccumulo intrinseco

82 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.

83 Veicoli interessati alla trasformazione Automotrice Leggera Nafta ALN668 Trasporto regionale 1. Ibridizzazione con motore termico (ICE) 2. Ibridizzazione con ICE e Fuel Cell (FC) Locomotore di Manovra D141 Operazione smistamento Ibridizzazione con generatore a Fuel Cell

84 Automotrice ALN668 ibrida con motore termico a ciclo diesel POWER TRAIN OTTIMIZZATO oggetto della fattibilità Gruppo elettrogeno con motore termico IVECO 260kW; Accumulo elettrochimico Na-NiCl 2 (ZEBRA) 285 kWh (sostituzione del pacco ogni due anni circa); Azionamenti elettrici con motore asincrono a velocità variabile da 160kW ciascuno.

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

86 Automotrice ALN668 ibrida con motore termico a ciclo diesel e generatore a Fuel Cell POWER TRAIN Fuel Cell system 60kW; Serbatoio di idrogeno bombole a 350bar; Autonomia 300km; Gruppo elettrogeno con motore termico IVECO 180kW; Accumulo elettrochimico Na-NiCl 2 (ZEBRA) 285kW; Azionamenti elettrici con motore asincrono a velocità variabile da 160kW ciascuno. Emissioni[g/km] NOx6.8 HC0.01 CO0.17 CO2930 PM0.01 Consumi[kg/km] gasolio0.30 idrogeno0.06 Consumi ed emissioni

87 Layout ALN668 ibrida diesel – fuel cell Tutto il POWER TRAIN è collocabile sottocassa, non impegna, quindi volume utile di trasporto. Le bombole di idrogeno sono situate sullimperiale.

88 Locomotore di Manovra D141 ibrido a Fuel Cell POWER TRAIN Fuel Cell system 240kW; Serbatoio di idrogeno bombole a 350bar; Autonomia di almeno 10 ore giornaliere; Accumulo elettrochimico Pb (Fiamm) 350kWh; Convertitore Azionamento: Chopper. Consumo[kg/h] idrogeno15

89 Layout D141 ibrida fuel cell Tutto il POWER TRAIN è collocabile nel sottocassa, nel cofano anteriore e in quello posteriore. Il reostato di frenatura è collocato sul tetto di cabina comando.

90 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

91 TENOLOGIE PER LACCUMULO DI ENERGIA

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

93 Pompaggio di acqua: esempi

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

95 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.

96 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.

97 VANTAGGI Alto 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

98 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.

99 Volani (flywheels):

100 Accumulo di energia termica: classificazione

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

102 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

103 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.

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

105 Esempi di applicazioni industriali

106 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

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

108 SMES (superconducting magnets energy storage)

109 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:

110 Schema di un supercondensatore a doppio strato

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

112 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

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

114 Batterie SODIO - ZOLFO PIOMBO ACIDO VANADIO REDOX FLOW

115 Stato dellarte dei sistemi di accumulo in batterie

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

117 Stato della tecnologia

118 Confronto per applicazioni

119 Confronto per contenuto energetico

120 Confronto in termini di efficienza

121 Confronto economico

122 Confronto economico per ciclo

123 Laccumulo dellidrogeno

124 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)

125 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

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

127 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

128 Gestione energetica dellaccumulo

129 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

130 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

131 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 )

132 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

133 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.

134 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

135 Requisiti fondamentali del sistema di accumulo

136 I sistemi di accumulo di energia maggiormente candidati per veicoli elettrici stradali Accumulatori elettrochimici commerciali Piombo-acido Nichel-cadmio Nichel-idruri metallici Accumulatori elettrochimici avanzati Litio-ione Litio metallo Zebra Supercondensatori Volani

137 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

138 Stato dellarte dei sistemi di accumulo per veicoli


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