Lo stoccaggio dell’energia: potenzialità e prospettive Trasporto e Stoccaggio dell’Energia: Come diventare “Smart” Milano, 11 Luglio 2011 Lo stoccaggio dell’energia: potenzialità e prospettive Mario Conte Unità Tecnica “Tecnologie Avanzate per l’Energia e l’Industria” Unità di Coordinamento “Sistemi di Accumulo dell’Energia”

Schema della presentazione L’accumulo di energia: principi e metodi Perché e come accumulare energia Campi di applicazione Opportunità per l’accumulo nelle reti elettriche Le funzioni principali Criteri di scelta Le attività sull’accumulo all’ENEA La R e S di sistemi al litio innovativi Alcune esempi di applicazioni di accumulo nelle reti elettriche Conclusioni Prospettive di applicazione Le attività future

Cosa fa un sistema di accumulo? L’accumulo di energia consente di adattare efficientemente ed economicamente l’offerta e la domanda di energia Nella FORMA (energia chimica, elettrica, meccanica, termica…..) Nel TEMPO di produzione/disponibilità da quello di uso Nello SPAZIO (luogo di produzione e di utilizzo)

I vantaggi dell’accumulo di energia L’utilizzo dell’accumulo aggiunge flessibilità e qualità ai sistemi energetici in funzione della posizione, dell’applicazione e delle prestazioni richieste

L’accumulo: una nuova “dimensione” nelle reti elettriche 5 Dimensioni della Catena Energetica Convenzionale   L’accumulo aggiunge una "Sesta Dimensione“ alle reti elettriche

Come accumulare energia I metodi e/o le forme di energia ENERGIA MECCANICA Sistemi di pompaggio (energia potenziale) Volani (energia cinetica) Sistemi ad aria compressa (energia di compressione od elastica) ENERGIA TERMICA Serbatoi di acqua o pietre o acquiferi Materiali a transizione di fase Pompe di calore ENERGIA ELETTRICA e ELETTROMAGNETICA Supercondensatori Magneti superconduttori ENERGIA CHIMICA/ELETTROCHIMICA Batterie Idrogeno Combustibili convenzionali e innovativi (biocombustibili, ammoniaca, ecc.)

Densità di energia kWh/m3 Come accumulare energia Caratteristiche principali di alcuni tipi o metodi di accumulo Tipo di accumulo Energia specifica kWh/kg Densità di energia kWh/m3 COMBUSTIBILI FOSSILI Olio combustibile Carbone Legno secco 11.7 8.9 4.2 10270 11670 2780 COMBUSTIBILI SINTETICI Idrogeno gassoso Idrogeno liquido Metanolo Etanolo 33.3 5.8 7.8 2.78 2417 4720 6110 ACCUMULO TERMICO (Bassa temperatura) Acqua (DT=60°C) Rocce (DT=60°C) Ferro (DT=60°C) 0.07 ≈0.01 69 27-112 64 ACCUMULO TERMICO (Alta temperatura) Rocce (DT=200°C) Ferro (DT=200°C) Sali (DT=200°C) 0.04 ≈0.03 >0.08 119 222 >83 ACCUMULO MECCANICO Pompaggio d’acqua Aria compressa Volani 0.0003 --- 0.06 0.28 28 ACCUMULO ELETTROCHIMICO Batterie al piombo Batterie nickel-cadmio Batterie avanzate 0.03 0.10 28-250 ≈97 >100

Campi di applicazione Reti elettriche convenzionali Reti elettriche del futuro prossimo (con più fonti rinnovabili e gestione smart) Trazione elettrica stradale Elettronica di consumo

L’accumulo nelle reti elettriche e per le fonti rinnovabili

L’evoluzione delle reti elettriche verso soluzioni “Smart” Ieri Oggi Domani Fonte: IEA 2011

Le possibili localizzazioni dell’ accumulo Parti in rosso Caratteristiche e funzioni variano con la posizione e l’applicazione

Evoluzione dell’accumulo nelle reti elettriche Dal pompaggio di acqua a….. Batterie redox a flusso Batterie avanzate FC con accumulo di idrogeno Micro SMES Volani Micro CAES

Uso nelle reti elettriche

Uso nelle reti elettriche Fonte: EPRI 2008

Le funzioni principali dei sistemi di accumulo Generazione Energy management Generazione di picco Load following Livellamento del carico Trasmissione e distribuzione Controllo della tensione Power Quality (PQ) Affidabilità di sistema Fonti rinnovabili Adattamento tra produzione e carico Controllo ed integrazione in rete Riserva Servizi ausiliari Risposta in frequenza Riserva rotante Riserva in standby Riserva a lungo termine

Esempi di analisi economica dell’uso dell’accumulo (Studio SANDIA 2009 su 10 anni)

CAES (compressed air energy storage) Principio di funzionamento 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.

Volani (flywheels): esempi e ricerca

Accumulo di energia termica: esempi di accumulo di calore sensibile stagionale (acquiferi)

Batterie SODIO - ZOLFO PIOMBO ACIDO VANADIO REDOX A FLUSSO LITIO-IONE

Batterie – esempi di applicazioni Sodio - zolfo LITIO-IONE

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 metallici Composti chimici (reversibili ed irreversibili) Nanostrutture di carbonio Nanotubi Grafite Fullerene

Grado di sviluppo ed applicazione di alcune tecnologie dell’accumulo di energia Tecnologia Potenza del sistema in MW Costo Totale in $/kW Energia in MWh Note Batteria Pb Puerto Rico 21 1184.25 14.10 In servizio dal 1992 Batteria Pb Chino 10 1961 40 In servizio dal 1988 Batteria a flusso REGENESYS 15 1667 120 Stima progettuale DS SMES 2 343 0.0007 Pre-serie SMES x Puerto Rico 1963 0.10 Stima Volano UPS 0.25 400 0.0011 Bacino di pompaggio Piastra Edolo ENEL 1020 ND In servizio dal 1982 Fonte: Sandia (modificato)

Il mercato mondiale attuale dei sistemi di accumulo nelle reti elettriche Pompaggio acqua 99% Ni-Cd 35 Piombo Litio Redox Fonte: Fraunhofer Institute

Evoluzione del mercato mondiale dei sistemi di accumulo nelle reti elettriche Fonte: Fraunhofer Institute

Le attività dell’ENEA sui sistemi di accumulo Ricerca Batterie (Litio) Supercondensatori Accumulo dell’idrogeno Superconduttività – SMES Interfaccia di gestione e controllo Studi e caratterizzazione Progettazione di massima per le applicazioni Sviluppo di procedure di prova Stazioni di prova Dimostrazioni in scala da laboratorio ed in scala relae

Accumulo elettrochimico Ricerca e sviluppo di nuovi materiali per Batterie al piombo Batterie al litio innovative Supercondensatori elettrochimici Ricerca e sviluppo di liquidi ionici per vari sistemi di accumulo

Accumulo elettrochimico per le reti elettriche Ricerca e sviluppo di nuovi materiali per Nuovi materiali catodici ed anodici Benckmarking batterie commerciali “Second life” batterie al litio Dimostrazioni

Una batteria al litio per una funicolare L’applicazione alla Funicolare di Bergamo Recupero dell’energia in frenata Livellamento del carico di potenza Riserva di energia e potenza in emergenza Una batteria completa da 100 kW and 17,5 kWh è stata progettata ed acquistata.

Carro-ponte con l’aggiunta di un sistema di accumulo (supercondensatori) – Prove al banco Il massimo risparmio ottenibile dall’aggiunta di un pacco di supercondensatori elettrochimici è stato del 31% di energia elettrica rispetto al sistema senza supercondensatori.

Ciclatori per batterie Laboratori di prova di sistemi di accumulo Sistema di laboratori integrati Stazioni di prova per batterie fino a 450 V e 600 A. Stazione di prova per supercondensatori Camere climatiche per prova di componenti a temperatura controllata (da -40 °C a +100 °C) Ciclatori per batterie Camera climatica Ciclatori per celle Stazione prova SC

Conclusioni L’accumulo di energia svolge un ruolo fondamentale nell’ottimizzazione e nell’utilizzo di fonti convenzionali e rinnovabili nelle reti elettriche I metodi per accumulare energia sono molteplici ed implicano diversi aspetti scientifici e tecnologici, nonché economici, vantaggiosi per le reti elettriche (anche in ottica Smart Grids) L’accumulo può risultare una risorsa energetica aggiuntiva pur non essendo un fonte di energia, perché consente di rendere disponibile l’energia dove, come e quando si vuole. L’ENEA mette a disposizione risorse umane e strumentali ed un’esperienza ventennale per la ricerca, lo sviluppo, lo studio e la caratterizzazione di sistemi di accumulo per le diverse applicazioni.

Per maggiori informazioni Ringrazio per la cortese attenzione!!! mario.conte@casaccia.enea.it