Conduzione di un sistema. GESTIONE OPERATIVA Conduzione di un sistema.

FLUSSO DI INFORMAZIONE GESTIONE FLUSSO DI INFORMAZIONE PRODUZIONE FLUSSO DI PRODOTTO UTILIZZAZIONE

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema Per mantenere l’equilibrio tra la produzione e l’utilizzazione si possono adottare due principali obiettivi di gestione: - l’inseguimento della domanda - l’inseguimento della produzione

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema Sistemi con possibilità di accumulo del prodotto Sistemi senza possibilità di accumulo del prodotto

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema La gestione, comunque, comporta la disponibilità dell’informazione : - nei sistemi con accumulo può essere non in linea - nei sistemi senza accumulo deve essere in linea

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

ENERGIA ELETTRICA L’energia elettrica è un bene immateriale la cui disponibilità ed utilizzazione si estrinseca nel vettore elettrico con cui è resa accessibile all’utilizzatore.

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

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

Trasferimento della potenza

Trasferimento della potenza da un generatore di tensione a una resistenza V P = RI2= R(E/(R i + R))2 POTENZA MASSIMA PMAX quando R i = R EFFICIENZA DI TRASFERIMENTO h = (RI2)/(EI) = 1/(1+Ri/R)

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

Trasferimento della potenza da un generatore di corrente a una resistenza V R P = RI2 I La potenza trasferita è proporzionale alla resistenza

Trasferimento della potenza tra generatori di tensione P = VI = (EV/Ri) – (V2/Ri) Con I = ( E-V)/Ri R i E V = ER P E = V P E ER

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

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

GENERATORE TRIFASE

Schema di principio di un generatore elettromeccanico Vf V3 If I1 I3 V1 È un sistema a due porte di potenza : una meccanica e l’altra elettrica. Può presentare una porta di controllo elettrica (eccitazione)

CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFASE IN REGIME PERMANENTE jXsI I V E E V I Xs Ipotesi di comportamento lineare e non dissipativo della macchina

CALCOLO DELLE POTENZE SCAMBIATE ALLA PORTA ELETTRICA = 3V I V - E jX 3 -jX sin X + 3j cos * s × æ è ç ö ø ÷ b 2

ESPRESSIONE DELLE POTENZE E DELLA COPPIA = - 3 V E sin X s × b Potenza attiva: Q = 3 V - E cos X s 2 × b Potenza reattiva: C = -3 V E sin X s × b W Coppia:

Caratteristica Meccanica -3 3 Coppia angolo motore generatore Per la macchina non dissipativa rappresenta anche la potenza attiva scambiata alle porte

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 .

Stati di un sistema elettrico

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 l’equilibrio elettrico circuitale del sistema stesso.

GESTIONE Il mantenimento di un sistema elettrico per l’energia in condizioni di regime sicuro è oggetto della gestione tecnica che, per questo specifico fine, opera secondo il seguente obiettivo: mantenere istante per istante l’equilibrio 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 l’energia, 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.

L’equilibrio della potenza attiva in un sistema elettrico in regime lentamente variabile

Ad esempio : se c’è una variazione di potenza assorbita dall’utenza non vi è più equilibrio tra coppia meccanica all’asse 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.

a2 f Cem Cm a1 a3

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 l’informazione che non c’è l’equilibrio tra la potenza richiesta e quella prodotta.

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

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

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.

Sistema elettrico in c.a. in regime lentamente variabile La frequenza si può ritenere costante in tutto il sistema e costituisce l’informazione 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 l’equivalente delle perdite di rete .

MODELLO “BUS BAR” generatori carichi ed equivalente delle perdite di rete

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)

CARATTERISTICA FREQUENZA - POTENZA DI UN CARICO AGGREGATO f (Hz) 52 50 P= KpVa fb valore nominale del carico 48 P

il sistema raggiunge un punto di equilibrio Si consideri una variazione del carico da C1 a C2 (alla frequenza di riferimento) senza variare la potenza generata : il sistema raggiunge un punto di equilibrio ad una frequenza diversa da quella di riferimento. Sistema “autoregolante” f (Hz) Equilibrio in condizioni di non regolazione della potenza generata 54 52 50 Frequenza di riferimento 48 Caratteristica del generatore 46 P C2 C1= Pg

CARATTERISTICA FREQUENZA POTENZA SEMPLIFICATA DI UN CARICO fn Cn P Linearizzazione della caratteristica del carico in un intorno piccolo della frequenza di riferimento

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

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.

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

Regolatore di Watt Turbina (Pelton) spina Condotta forzata

STRUTTURA DEL REGOLATORE m contr. attuat. inerzia C Pg rete + - rif

STRUTTURA GENERALE DEL REGOLATORE DI FREQUENZA rete C - frif =0 + C(s) 1/Js + Pg - f In condizioni di regime vale: D P = - C(0) f g ×

LEGAME FREQUENZA-POTENZA IN CONDIZIONI DI REGIME fn Pn P Caratteristica esterna del generatore

ENERGIA REGOLANTE DEL GENERATORE La costante C(0) che chiameremo Kg 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.

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.

Sistema “isolato” costituito da un generatore ed un carico ESEMPIO Sistema “isolato” costituito da un generatore ed un carico

VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA AD UNA VARIAZIONE DI CARICO Equilibrio del sistema non regolato Caratteristica del generatore non regolato P’g P f’ fn f C’n Cn=Pg,n

f Kgf = Pg Kcf Cn Contributi alla regolazione Contributo del carico Cn Conrtibuto del generatore

ENERGIA REGOLANTE DELLA RETE La somma delle energie regolanti del carico “Kc” e del generatore “Kg” viene indicata con “Kr” e viene chiamata “energia regolante della rete” che può essere definita come la variazione di carico nominale dovuta alla variazione unitaria di frequenza della rete.

OSSERVAZIONE La variazione di frequenza risulta quindi inversamente proporzionale all’energia regolante della rete.

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

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

REGOLATORI DI FREQUENZA C1 f1rif =0 - C1(s) 1/J1s + + f1 - P1g rete - P2g + f2 C2(s) 1/J2s + f2rif =0 - C2

[ ] D f = D P = C (0) f D P = + C (0) f VARIAZIONI DEI VALORI DELLE GRANDEZZE f e P ALL’EQUILIBRIO IN CONDIZIONI DI REGIME D f = 1 2 Frequenza unica nel sistema a regime D P = C (0) f 1g 1 2g 2 Ripartizione delle potenze di regolazione [ ] D P = + C (0) f g 1g 2g 1 2 Potenza regolante

CARETTERISTICA EQUIVALENTE f-P DI UN GRUPPO DI GENERATORI Equivalente gruppo fn Ptg P1g P2g P N.B. per costruire la caratteristica si sommano le potenze a pari frequenza

LA REGOLAZIONE SECONDARIA

In condizioni di regime vale: EFFETTO DI UN SEGNALE DI RIFERIMENTO NON NULLO DI REGOLAZIONE SECONDARIA rete C - frif 0 + C(s) 1/Js + Pg - f In condizioni di regime vale:

EFFETTO DI UN SEGNALE DI RIFERIMENTO NON NULLO DI REGOLAZIONE SECONDARIA Kgfrif frif 0 frif 0 P

EFFETTO DELA VARIAZIONE DEL SEGNALE DI RIFERIMENTO DEL REGOLATORE DI FREQUENZA IN UN SISTEMA ISOLATO (frif negativo) f Kgfrif fn P

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

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

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).

P2el P2m rete + f2 f2rif 1/J2s C2(s) C1(s) 1/J1s P1el f1rif P1m f - f1 controll. centrale sistema locale C

IL REGOLATORE CENTRALE PROVVEDE: alla ripartizione del carico tra i diversi generatori mediante segnali da inviare ai regolatori locali; all’aggiustamento 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 l’errore di frequenza non diventa nullo.

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

REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA ATTIVA TRA PIU’ AREE DI GENERAZIONE E CARICO TRA LORO INTERCONNESSE cat country mouse country duck 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 mouse country duck country cat country regolatore unico di rete segnale errore di frequenza A QUESTO TIPO DI SOLUZIONE SI OPPONGONO SPESSO RAGIONI CHE NON SONO DI ORDINE TECNICO MA DI AUTONOMIA DELLE AZIENDE PRODUTTRICI DELLE SINGOLE AREE.

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 l’obiettivo: 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 (Ps) Una valutazione dell’ulteriore potenza necessaria ad equilibrare il carico dell’area interessata se la frequenza è diversa da quella nominale

CALCOLO DELLA POTENZA DA GENERARE IN UNA DETERMINATA AREA PER IL RIEQUILIBRIO POTENZA GENERATA-CARICO Assunta positiva la potenza Ps 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.

Produzione da generazione distribuita Per generazione distribuita si intende l’insieme 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 l’equilibrio.

Equilibrio dei sistemi in presenza con 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.

ESEMPIO DI SITEMA CON ACCUMULO IL VEICOLO IBRIDO

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

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 . S Gestione En. cinetica Attriti moto En. potenziale Frenatura Utilizzo controllo accumulo convers . dissipaz .

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 Il moto è alimentato 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.

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

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-NiCl2 (ZEBRA) 285 kWh (sostituzione del pacco ogni due anni circa); Azionamenti elettrici con motore asincrono a velocità variabile da 160kW ciascuno.

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

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-NiCl2 (ZEBRA) 285kW; Azionamenti elettrici con motore asincrono a velocità variabile da 160kW ciascuno. Consumi ed emissioni Emissioni [g/km] NOx 6.8 HC 0.01 CO 0.17 CO2 930 PM Consumi [kg/km] gasolio 0.30 idrogeno 0.06

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 sull’imperiale.

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] idrogeno 15

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.

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).

TENOLOGIE PER L’ACCUMULO DI ENERGIA

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 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

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

Stato della tecnologia

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

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

Accumulatori elettrochimici commerciali Piombo-acido Nichel-cadmio 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

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

Stato dell’arte dei sistemi di accumulo per veicoli