Tecnica dell’energia

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

TRASFERIMENTO DELL’ ENERGIA imposto da: - la raccolta dalle strutture di produzione diffuse COLLETTAZIONE - la diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo TRASPORTO l’elevato frazionamento degli apparati d’uso finale DISTRIBUZIONE

Il trasferimento dell’energia può essere effettuato: trasportando materia in cui l’energia è accumulata (ad es. combustibili) trasmettendo l’energia senza trasferimento di materia (ad es. alberi rotanti, linee elettriche)

energia contenuta nell’unità di massa H2 10 6 1 kWh / kg 10-6 combustibili nucleari combustibili fossili H2 accumulatori elettrochimici condensatori industriali 10 6 1 kWh / kg 10-6

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

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

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

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.

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

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

Schema di principio rete gas MP BP BBP AP s G

Infrastrutture per il trasporto dell’energia elettrica e del gas

Rete elettrica MT

Rete gas MP

conversioni Della forma dell’energia Del vettore

Accumulo

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.

Accumulo cinetico (esempio di accumulo intrinseco) f Cm Cem

Equazione cinematica V E’ q w0 wm r +j

( ) J × W = 1 P - J × W = C - · m em · m em EQUAZIONE ELETTROMECCANICA Nel sistema elettrico è l’accumulo intrinseco (l’energia cinetica acculata nelle masse rotanti) che permette il mantenimento dell’equilibrio fisico nei tempi brevi (minori di quelli di intervento dei regolatori) quando si ha una variazione del carico

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

Gestione Flussi energetici 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 Gestione Flussi energetici RUOTA MOTORE ELETTRICO SISTEMA DI ACCUMULO (BATTERIE) GENERATORE ELETTRICO Potenza fornita dal motore termico con la massima efficienza Potenza fornita alla propulsione Potenza scambiata dall’azionamento Potenza fornita dalla tempo Energia fornita dalle batterie in accelerazione Energia generata in più per ricaricare le batterie Energia recuperata in frenatura con motore termico spento

Fase: velocità costante Fase: Coasting Fase: Frenatura Fase: accelerazione Profilo di missione elementare per l’automotrice ALn668

Fase: Coasting Fase: velocità costante Fase: Frenatura Fase: accelerazione Sosta iniziale Sosta finale L’energia è fornita dall’accumulo strategio Ptenza scambiata dall’accumulo geionale L’energia per il moto è fornita dall’accumulo intrinseco

Stato di carica batterie Confronto dei consumi ed emissioni di una ALN668 ibrida e la stessa attualmente in esercizio su una tratta reale: Firenze – Borgo S.Lorenzo - Faenza Emissioni [g/km] ALN668 ibrido ALN668 attuale* NOx 8.3 22.5 HC 0.02 1.5 CO 0.22 5.7 CO2 1230 1480 PM 0.013 non disponibile Stato di carica batterie Consumo gasolio [kg/km] ALn668 ibrido ALn668 attuale* 0.39 0.48 *stime per difetto in quanto non tengono conto dei transitori (accelerazione – decelerazione). Dal confronto dei due power train si evidenzia la convenienza dell’ibrido in termini di minori consumi ed emissioni di inquinanti.

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

Ibridizzazione ALN668 Vantaggi Svantaggi Consumi di combustibile ridotti di almeno il 20% rispetto al veicolo attuale. Elevata affidabilità del sistema; 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 l’arco di vita utile del veicolo).

Sistemi di propulsione ibridi gestionale intrinseco strategico Gestione combustione Minimo inquinamento Produzione Serbatoio Convert . Combustibile Stoccaggio S Gestione potenza Minimo consumo Accumulo Convert . Reversibile Trasmiss . Attriti e servizi ausiliari di bordo S Gestione En. cinetica moto En. potenziale Frenatura Utilizzo controllo accumulo convers . dissipaz .

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

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 l’energia prelevata dalla rete elettrica e accumulata nelle batterie. Si può stimare un consumo di enegia elettrica di circa 0,15kWh/km Nell’ipotesi di produrre l’energia elettrica con il parco termoelettrico nazionale, considerando l’efficienza media, si può stimare il consumo in termini di energia primaria in circa 0,4kWh/km

Benefici nell’esercizio del sistema elettrico Ipotizzando di avere cumulato una sostituzione di 500.000 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: nell’ipotesi 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.

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

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 l’energia. 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 l’utilizzazione di una struttura - è possibile effettuare il «livellamento dei prezzi»

TENOLOGIE

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

Pompaggio di acqua: esempi

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

CAES (compressed air energy storage) L’aria 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 l’aria accumulata in una turbina.

CAES (compressed air energy storage) The first commercial CAES was a 290 MW unit built in Hundorf, Germany in 1978. The second commercial CAES was a 110 MW unit built in McIntosh, Alabama in 1991. 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.

VANTAGGI SVANTAGGI 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

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. 40 25kW / 25 kWh volani possono accumulare 1MW per 1 ora efficientemente, occupando poco spazio. L’energia 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):

Accumulo di energia termica: classificazione

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

Accumulo di energia termica: campi di applicazione Livello di temperatura Processi industriali >100 °C Calore per riscaldamento ed acqua calda sanitaria 45-90 °C Riscaldamento ad aria 30-60 °C Riscaldamento in accoppiamento con pompe di calore 10-30 °C Aria condizionata (accumulo del freddo) <10 °C

Accumulo del freddo L’accumulo di energia forse più antica è quella associata all’utilizzazione del ghiaccio proveniente da laghi e fiumi, che veniva accumulata in ambiente ben isolati per poter essere utilizzato per tutto l’anno 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.

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

Esempi di applicazioni industriali

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

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

SMES (superconducting magnets energy storage)

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 nell’interfaccia tra l’elettrodo e l’elettrolita. 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 dall’elettrolita Reazioni redox in ossidi metallici (di rutenio o di iridio) Drogaggio p- o n- di materiali polimerici conduttori Energia in un SC:

Schema di un supercondensatore a doppio strato

Accumulo di energia chimica Accumulatori elettrochimici (batterie) Il caso dell’idrogeno

Caratteristiche fondamentali delle batterie Capacità Energia Specifica Densità di energia Potenza specifica Densità di potenza Tempo ed efficienza di ricarica Vita ciclica Costo e disponibilità dei materiali

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

Batterie PIOMBO ACIDO VANADIO REDOX FLOW SODIO - ZOLFO

Stato dell’arte dei sistemi di accumulo in batterie

Accumulatori o supercondensatori? 500 1000 1500 2000 W/kg Wh/kg 10 20 30 40 50 60 70 Batterie Pb Batterie NiMh Batterie Litio Supercondensatori Potenza specifica Energia specifica

Confronto per applicazioni

Confronto per contenuto energetico

Confronto in termini di efficienza

Confronto economico

Confronto economico per ciclo

L’accumulo dell’idrogeno

Il punto di partenza L’idrogeno ha il più alto contenuto di energia per unità di peso di qualsiasi combustibile: 120 MJ/kg (pci) - 144 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)

Principali sistemi di accumulo dell’idrogeno 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

Volume e massa del sistema per accumulare 7 kg di H2 (circa 550 km autonomia)

obiettivi % peso H2 kg H /m 200 Idruri chimici / Slurry organici 3 2 200 Idruri chimici / Slurry organici Diesel Obiettivo Obiettivo FreedomCAR FreedomCAR 100 Benzina Obiettivo Programma Obiettivo Programma DoE DoE 50 Idruri metallici Alanati Alanati (futuro) (futuro) H liquido 2 20 Materiali a base di C Materiali a base di C (2002) Materiali a base di C (2002) 10 H compresso 2 H H compresso (2002) compresso (2002) 2 2 350 350 - - 700 bar 700 bar 5 0,5 1 2 5 10 20

Gestione energetica dell’accumulo

Funzioni gestionali ( esempio nel sistema elettrico)

Accumulo elettrostatico Processo classico di carica di un condensatore La carica avviene attraverso un generatore di tensione; all’istante t=0 l’interruttore 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). L’energia erogata dal generatore per la carica: Wg = C V 2 L’energia immagazzinata nel condensatore: Wc = ½ C V 2 h = Wc / Wg = ½ L’efficienza di carica del condensatore:

Accumulo elettrostatico Carica di un condensatore con generatore di corrente La carica avviene attraverso un generatore di corrente; all’istante t=0 l’interruttore S1 viene aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo t quando: Q = I t = C V da cui t = C V / I L’efficienza di carica del condensatore è: dove: Wi = ½ C V2 e Da cui: Se RiI molto maggiore di V il rendimento è prossimo ad 1

Accumulo elettrochimico Carica di un accumulatore con generatore di tensione La carica avviene attraverso un generatore di tensione costante, l’accumulatore è modellato da una f.e.m. costante ed una resistenza interna. L’energia erogata dal generatore per la carica: Ib = I = (Eg-Eb)/(Rg+Rb) Wg = Eg I t L’energia immagazzinata nell’accumulatore: Wb = Q Eb = I t Eb hc = Wb / Wg = Eb / Eg L’efficienza di carica dell’accumulatore:

Accumulo elettrochimico Scarica di un accumulatore su un carico L’energia immagazzinata precedentemente nella carica non può essere fornita completamente ad un carico. L’energia erogata dall’accumulatore: Wb = Eb I t L’energia assorbita dal carico: Wc = Ru I2 t L’efficienza di scarica dell’accumulatore: L’efficienza complessiva di carica-scarica dell’accumulatore: h = hc ∙hs

Accumulo elettrochimico Carica di un accumulatore con generatore di corrente La carica avviene attraverso un generatore di corrente; all’istante t=0 l’interruttore S1 viene aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo t. L’energia immagazzinata nel accumulatore: Wb = Eb I t L’energia erogata dal generatore per la carica: Wg = Wb + Rb I2 t L’efficienza di carica dell’accumulatore: L’efficienza di scarica invece non cambia.

Potenza erogata [W] Energia erogata [Wh] 225 4,25 30,8 12,7 38,1 Andamento della energia erogata in scariche a potenza costante per un accumulatore al Piombo-Acido Potenza erogata [W] Energia erogata [Wh] 225 4,25 30,8 12,7 38,1

Requisiti fondamentali del sistema di accumulo

Interconnessione

Interconnessione di reti energetiche High pressure Medium Low voltage Areas covered by district heating 30MWt - 500MWt up to 10km large grid 2 up to 1km medium grid 0.5 2MWt building local grid Pressure reduction station Power plant (cogeneration) Electricity grid Gas pipelines Power transformer

Smart Grids

Interconnessione di reti per l’energia Vantaggi Svantaggi Maggiore capacità di gestione della domanda della risorsa Riduzione delle riserve Maggiore sicurezza della disponibilità della risorsa per l’utilizzatore finale Ridondanze impiantistiche Complessità