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Sistemi per lenergia. Note lessicali in relazione al corso Dispositivo. Oggetto(materiale o immateriale) utilizzato per compiere una determinata funzione.

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1 Sistemi per lenergia

2 Note lessicali in relazione al corso Dispositivo. Oggetto(materiale o immateriale) utilizzato per compiere una determinata funzione. Sistema. Insieme di dispositivi connessi (nel rispetto della compatibilità fisica e funzionale) e coordinati (in ambito spazio-temporale) in grado di perseguire un dato obiettivo.

3 Note lessicali in relazione al corso Processo. Sequenza temporale di attività (denominate anche fasi) mediante le quali si persegue un dato obiettivo (normalmente produttivo). Particolare tipo di sistema. Struttura. Complesso degli elementi costitutivi di un sistema (considerati nei loro rapporti ed interdipendenza). Impianto. Insieme di dispostivi connessi, nel rispetto della compatibilità fisica e funzionale, strutturalmete in grado di produrre un bene (materiale o immateriale). Infrastruttura. Complesso degli impianti che cosentono e condizionano unattività.

4 La terra è un sistema a risorse finite Per raggiungere lobbiettivo di uno sviluppo sostenibile occorre minimizzare lo sfruttamento delle risorse di base : energia materie prime ambiente (inteso come territorio geograficamente, socialmente ed economicamente definito)

5 ENERGIA MATERIE PRIME (carbone, petrolio, ecc.) AMBIENTE (gas serra, residui, ecc.)

6 Sviluppo sostenibile Azioni (comportamento) nello spazio e nel tempo in grado di assicurare le necessarie risorse allumanità presente e futura.

7 Risorse naturali Sono i materiali esistenti in natura potenzialmente utili a produrre merci e soddisfare bisogni. Sono beni economici in quanto hanno le caratteristiche di : limitatezza, accessibilità e utilità. Laccessibilità e lutilità dipendono dal progresso tecnologico che ne rende possibile lestrazione e la trasformazione.

8 Variabilità delle risorse nel tempo Modifica delle necessità umane che portano a valutare diversamente le risorse. Sostituzione di una materia prima con unaltra per ottenere lo steso prodotto. Sintesi di nuovi materiali.

9 Definizioni date da UN e WEC Risorsa è la concentrazione naturale di materiali solidi, liquidi o gassosi nella o sulla crosta terrestre in forma tale che lestrazione da essa di materie prime sia potenzialmente ed effettivamente realizzabile. Possono essere : - Identificate (posizione, quantità e qualità note per evidenza fisica supportata da misurazioni strumentali); - Non ancora scoperte (ipotetiche o supposte) Si definisce riserva la quota di risorsa identificata dalla quale il materiale utile può essere economicamente estratto al momento della determinazione (condizioni economiche attuali e tecnologie disponibili)

10 riserve Non sfruttabili possibili probabili accertate Attuale sfruttamento sconosciute conosciute Esplorazioni favorevoli Aumento di concentrazione Classificazione risorse

11 Energia - Fonte Dato un sistema fisico esiste una funzione energia E = f(a i (t)) delle variabili di stato a i (t) osservabili che non dipende dal tempo. Più intuitivamente : un sistema fisico contiene energia se potenzialmente può compiere lavoro. Un sistema fisico contenente energia è una fonte se è possibile rendere, almeno in parte, lenergia, in esso contenuta, disponibile in quantità e con caratteristiche adatte allutilizzazione da parte delluomo. In altre parole se si controlla.

12 FONTI DI ENERGIA MECCANICA TERMICA RADIANTE CHIMICA NUCLEARE Sole Animali, vento, cadute dacqua Biomasse, combustibili fossili Calore endogeno Materie fissili

13 USI DELLENERGIA TERMICA ELETTRICA MECCANICA Riscaldamento Illuminazione Supporto allinformazione Tratta- mento della materia Trasporti RADIANTE

14 Il comportamento più naturale sarebbe quello di disporre di una fonte di energia e utilizzarla o convertirla direttamente nella forme dellenergia richiesta per luso finale. Nella maggior parte dei casi questo non si fa. Con le tecnologie oggi disponibili è preferibile effettuare una serie di trasformazioni che producono vettori energetici intermedi fino ad ottenere quello più adatto per luso finale. Lesempio più evidente è quello del vettore elettrico. Vettori energetici

15 Vettore elettrico s s t t r r V Q Q I d P H E H = f( I,1/d) E = g(V,1/d) g

16 fonti trasformazioni usi fin. T M L E H 2H 2 FC elettricaelettrica te r m ic a m ec ca ni ca radiante fluido dinamica endogena nucleare chimica

17 Principali elementi caratterizzanti un sistema per lenergia Fonte : energia disponibile in natura che, mediante controllo, può essere resa disponibile nelle forme dellutilizzazione finale. Utilizzatore : sistema fisico che permette di ottenere il bene finale atto a soddisfare i bisogni. Vettore: sistema fisico che permette il trasferimento e la conversione della forma dellenergia. Accumulo : sistema fisico in grado di conservare e scambiare energia con un altro sistema.

18 Sistema energetico fonte utilizzazione Trasformazione della forma dellenergia Trasformazione del vettore Collettazione Trasporto Distribuzione Accumulo infrastruttura funzioni

19 Il bene energia Lenergia è un bene in grado di soddisfare un numero sempre crescente di bisogni. E, da tempo, talmente indispensabile da essere considerata una commodity. E talmente rilevante, per la nostra società, la disponibilità e laccesso a questa risorsa da assurgere ad elemento di pubblica utilità.

20 Il prodotto energia Se si considera il carbone, la benzina, il gasolio,lolio combustibile è, comunemente, immediato parlare di prodotti Per il metano è già un po meno immediato parlare di prodotto, anzi, per molti, è assimilabile più ad un servizio Lenergia elettrica per i più è un servizio e non un prodotto : questo aspetto è stato trattato dalla Comunità Europea che nel 1986 ha definito lenergia elettrica un prodotto Considerare lenergia un prodotto è fondamentale per definire e strutturare il mercato della stessa, in particolare il libero mercato che è diventato obiettivo prioritario in ambito Comunitario

21 Il servizio per lenergia E il rendere disponibile lenergia allutenza in maniera sicura e di adeguata qualità E il rende possibile allutenza laccesso alla risorsa Condizione necessaria per un libero mercato dellenergia e/o per espletare un servizio di pubblica utilità è laccesso non discriminatorio dei produttori e degli utenti, cioè i soggetti che interagiscono nel mercato, alle infrastrutture energetiche ( TPA)

22 Il contesto di policy europeo La decisione del Consiglio Europeo del 6 ottobre 2006 inerente gli Orientamenti strategici comunitari per la coesione economica, sociale e territoriale ( ), punta a realizzare una stretta sinergia tra le tre dimensioni: economica, sociale ed ambientale Lintegrazione tra crescita e tutela dellambiente viene confermata della nuova politica europea in materia energetica che mira a: 1. realizzare un vero mercato interno dellenergia agendo in particolare su due fattori: una maggiore indipendenza dei soggetti che gestiscono le reti da quelli che producono energia e lo sviluppo delle interconnessioni come fattore indispensabile per la creazione di un mercato comune; 2. accelerare il passaggio ad uneconomia a basse emissioni di carbonio, agendo sullo sviluppo delle fonti rinnovabili, sulla diversificazione del mix di fonti, sulla ricerca nel campo delle tecnologie energetiche in grado di abbattere le emissioni della produzione di energia; 3. dotarsi di un Piano per lefficienza energetica di impatto multisettoriale, con la proposta di un nuovo accordo internazionale per il raggiungimento di obiettivi quantitativi comuni entro il 2020.

23 Il contesto di policy nazionale Una forte incentivazione alla produzione di energia da fonti rinnovabili ( certificati verdi, conto energia). Un premio economico a chi sviluppa azioni di risparmio energetico attraverso un meccanismo di titoli negoziabili TEE (certificati bianchi) e attraverso sconti fiscali. Una progressiva apertura, liberalizzazione e regolazione dei mercati nel settore dellenergia

24 Decreto Bersani 79/99 Ha recepito la Direttiva Europea 96/92 CE Decreto Letta 164 / 2000 Ha recepito la Direttiva Europea 98/30/CE. La liberalizzazione dei mercati

25 Direttiva 2003/54/CE considerazioni Perché la concorrenza funzioni occorre che laccesso alla rete sia fornito senza discriminazioni, in modo trasparente e a prezzi ragionevoli. (riduzione delle barriere infrastrutturali) I clienti dellenergia elettrica dovrebbero poter scegliere liberamente il loro fornitore …….. essi dispongano di un diritto reale ed effettivo di scegliere il loro fornitore. (libertà) Gli stati membri possono designare un fornitore di ultima istanza. (tutela)

26 Intensità energetica i = w/q dove : W energia necessaria per produrre la quantità q. La quantità q può essere un dato prodotto, un servizio o il PIL di una data area. Il dato è abbastanza stabile sul brve-medio termine. Da cui : w = i q dove q è la quantità prodotta con lintensità i. Questa formula può essere utilizzata per la previsione dei consumi energetici sul medio termine. Mentre : q = W/i può essere utilizzata per le previsioni economiche a breve termine

27 Intensità energetica E dipendente : - dalle tecnologie utilizzate per la produzione di beni e servizi - dallefficienza delle trasformazioni energetiche dalle fonti primarie alla forma utile per la produzione di beni e servizi

28 Breve storia dellenergia

29 Uomo Sole M T L fonti usi finali Caratteristica delle fonti : - Sole : periodica (periodicità dovuta al moto degli astri,quindi non controllabile), con una componente aleatoria dovuta alla nuvolosità, sono grossolanamente controllabili gli usi finali mediante schermi. - Uomo : controllabile.

30 Uomo Sole M T L Combustibile fonti usi finali fuoco prometeo

31 Caratteristiche della fonte: - controllabile nel tempo, nello spazio - accumulabile - trasportabile

32 Uomo Sole M T L E Combustibile Animali Calore endogeno fonti usi finali Cadute dacqua Vento

33 fonti usi finali Uomo Sole M T L Combustibile Animali Vento Cadute dacqua Calore endogeno T macchina a vapore WATT 1745

34 Innovazioni Introduzione di un vettore energetico intermedio (vettore termico) : luso finale non è direttamente collegato alla fonte (energia sotto forma meccanica) Si ottiene energia meccanica da un combustibile La trasformazione energetica può avvenire in località diversa da quella della fonte ( la fonte ha energia accumulabile) Si possono costruire macchine di potenza sempre più grande ( aumento della produttività)

35 Correlazione tra produttività e potenza Produttività p = q/t Dove: q quantità prodotta nel tempo t Potenza P = W/t Dove : W energia utilizzata nel tempo t per la produzione Considerando che q = W/i ( i intensità energetica) si ottiene p = (1/i) P Nota : è immediato che per aumentare la produttività occorre incrementare la potenza e diminuire lintensità energetica ( miglioramento del processo e delle trasformazioni energetiche)

36 Uomo Sole M T L Combustibile (en. pot. chimica ) Animali Calore endogeno fonti usi finali T E pila Volta 1800 Vento Cadute dacqua

37 1800 Volta presenta la pila a Napoleone

38 Illuminamento Lilluminamento artificiale è una costante richiesta dellumanità ed è iniziato con il fuoco Tanto più lumanità si aggrega e si trasferisce in spazi più strutturati ( città), tanto più la vita sociale chiede illuminamento, prima per gli interni e quindi per gli spazi esterni ( strade, piazze, …) La richiesta di energia sottoforma radiante nel visibile costituisce elemento motore per lo sviluppo dellindustria dellenergia ( petrolio, gas, energia elettrica)

39 Uomo Sole M T L E Combustibile Animali Calore endogeno fonti usi finali T E M lampadina Edison 1882 Vento Cadute dacqua

40 Edison Un completo sistema di distribuzione dell'elettricità deve essere sviluppato, e poiché io debbo competere col gas esso deve essere commercialmente efficiente ed economico, e la rete dei conduttori deve essere capace di alimentazioni da vari punti. Io debbo immaginare un sistema per misurare l'elettricità, come si misura il gas, in modo che io possa misurare la quantità di elettricità usata da ciascun consumatore. Questi misuratori... debbono essere economici da costruire, di facile lettura e manutenzione. Mezzi e metodi debbono essere escogitati per mantenere un uguale voltaggio in ogni punto del sistema. Le lampade vicine alle dinamo debbono ricevere la medesima corrente delle lampade più lontane. Il bruciamento e la rottura di lampade non deve influire su quelle che rimangono efficienti nel circuito, e mezzi debbono essere impiegati per impedire violente fluttuazioni di corrente.

41 Edison Uno dei maggiori problemi era di costruire dinamo più efficienti e più grandi di quanto fosse stato fatto. Molti avevano stabilito che la resistenza interna dell'armatura dovesse essere uguale alla resistenza esterna; ma io mi misi in mente che avevo bisogno di vendere tutta la elettricità che producevo e non dovevo perderne nelle macchine: e perciò feci la resistenza interna piccola, ed ebbi disponibile per la vendita il 90% della energia prodotta. Oltre tutti questi molti altri elementi dovevano essere inventati o perfezionati, come artifici per impedire correnti eccessive, interruttori, sostegni di lampade, candelabri, e tutti i dettagli indispensabili per realizzare un sistema completo di illuminazione elettrica, che potesse competere con successo col sistema a gas. Tale era il lavoro da compiere nella prima parte del Il compito era enorme, ma noi mettemmo i nostri soldati alla ruota, ed in un anno e mezzo avemmo un sistema di illuminazione elettrica che fu un successo.

42 Edison Una questione che si riferisce a questo sistema è stata spesso fatta. Perché fissai 11 0 volt come tensione normale per la lampada a filamento di carbone? La risposta è che io basai il mio avviso sul meglio che potessi per ridurre il costo del rame, e le difficoltà che si incontravano per costruire lampade a voltaggio elevato. Pensai che 110 volt fossero sufficienti per assicurare lo sviluppo commerciale del sistema; e 110 volt è ancora il voltaggio normale ….

43 Thomas Alva Edison was born in Milan, Ohio in The picture is from Edison, nellarco della sua vita, presentò più di 1600 brevetti

44 TEM L Combustibile PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO per PRATICITA DUSO

45 Altre fonti M T L E Combustibile Calore endogeno fonti usi finali T M E Cadute dacqua Stato della tecnologia a metà del 900

46 Altre fonti T L E Combustibile Calore endogeno fonti usi finali T M E Materie fissili T fissione nucleare Fermi 1942 M Cadute dacqua

47 Enrico Fermi works with an electronic control for a neutron chopper during his Argonne days.

48 TEM T PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO per UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE Materie fissili

49 solare fonti usi finali L E Combustibile Eolico,cadute dacqua, ….. Calore endogeno T M E materie fissili T M T Stato attuale

50 Tecnica dellenergia

51 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

52 imposto da: –la diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo TRASPORTO -lelevato frazionamento degli apparati di uso finale DISTRIBUZIONE TRASFERIMENTO DELL ENERGIA

53 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:

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

55 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

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

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

58 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.

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

60 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

61 Schema di principio rete gas AP MPBP BBP s G

62 Infrastrutture per il trasporto dellenergia elettrica e del gas

63 Rete elettrica MT

64 Rete gas MP

65 conversioni Della forma dellenergia Del vettore

66 Accumulo

67 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.

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

69 V E 0 m m r +j Equazione cinematica

70 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

71 CONSIDERAZIONI ENERGETICHE (integrale primo dellenergia) J d =C-C d mem J-J = C-C d 0 2 mem 0 lavoro eseguito dalle coppie meccaniche variazione di energia cinetica

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

73 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

74 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

75 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

76 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.

77 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.

78 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

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

80 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

81 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.

82 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

83 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.

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

85 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

86 TENOLOGIE

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

88 Pompaggio di acqua: esempi

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

90 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.

91 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.

92 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

93 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.

94 Volani (flywheels):

95 Accumulo di energia termica: classificazione

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

97 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

98 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.

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

100 Esempi di applicazioni industriali

101 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

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

103 SMES (superconducting magnets energy storage)

104 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:

105 Schema di un supercondensatore a doppio strato

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

107 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

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

109 Batterie SODIO - ZOLFO PIOMBO ACIDO VANADIO REDOX FLOW

110 Stato dellarte dei sistemi di accumulo in batterie

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

112 Stato della tecnologia

113 Confronto per applicazioni

114 Confronto per contenuto energetico

115 Confronto in termini di efficienza

116 Confronto economico

117 Confronto economico per ciclo

118 Laccumulo dellidrogeno

119 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)

120 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

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

122 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

123 Gestione energetica dellaccumulo

124 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

125 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

126 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 )

127 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

128 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.

129 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

130 Requisiti fondamentali del sistema di accumulo

131 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

132 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

133 Stato dellarte dei sistemi di accumulo per veicoli

134 Interconnessione

135 Interconnessione di reti energetiche

136 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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