Sistemi per l’energia

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.

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 un’attività.

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

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

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

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. L’accessibilità e l’utilità dipendono dal progresso tecnologico che ne rende possibile l’estrazione e la trasformazione.

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

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 l’estrazione 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)

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

Energia - Fonte Dato un sistema fisico esiste una funzione energia E = f(ai(t)) delle variabili di stato ai(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, l’energia, in esso contenuta, disponibile in quantità e con caratteristiche adatte all’utilizzazione da parte dell’uomo. In altre parole se si controlla.

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

Tratta-mento della materia USI DELL’ENERGIA Tratta-mento della materia Trasporti MECCANICA Riscaldamento TERMICA Illuminazione RADIANTE Supporto all’informazione ELETTRICA

Vettori energetici Nella maggior parte dei casi questo non si fa. Il comportamento più naturale sarebbe quello di disporre di una fonte di energia e utilizzarla o convertirla direttamente nella forme dell’energia richiesta per l’uso 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 l’uso finale. L’esempio più evidente è quello del vettore elettrico.

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

fonti trasformazioni usi fin. T M L E H 2 FC radiante elettrica fluido dinamica M endogena meccanica termica nucleare L chimica E H 2 FC

Principali elementi caratterizzanti un sistema per l’energia Fonte : energia disponibile in natura che, mediante controllo, può essere resa disponibile nelle forme dell’utilizzazione 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 dell’energia. Accumulo : sistema fisico in grado di conservare e scambiare energia con un altro sistema.

Sistema energetico fonte infrastruttura funzioni utilizzazione Trasformazione della forma dell’energia Trasformazione del vettore Collettazione Trasporto Distribuzione Accumulo infrastruttura funzioni

Il bene energia L’energia 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 l’accesso a questa risorsa da assurgere ad elemento di “pubblica utilità”.

Il prodotto energia Se si considera il carbone, la benzina, il gasolio,l’olio 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 L’energia elettrica per i più è un servizio e non un prodotto : questo aspetto è stato trattato dalla Comunità Europea che nel 1986 ha definito l’energia elettrica un prodotto Considerare l’energia 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

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

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 (2007-2013)”, punta a realizzare una stretta sinergia tra le tre dimensioni: economica, sociale ed ambientale L’integrazione tra crescita e tutela dell’ambiente viene confermata della nuova politica europea in materia energetica che mira a: 1. realizzare un vero mercato interno dell’energia 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 un’economia 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 l’efficienza energetica di impatto multisettoriale, con la proposta di un nuovo accordo internazionale per il raggiungimento di obiettivi quantitativi comuni entro il 2020.

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 dell’energia

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

Direttiva 2003/54/CE considerazioni Perché la concorrenza funzioni occorre che l’accesso alla rete sia fornito senza discriminazioni, in modo trasparente e a prezzi ragionevoli. (riduzione delle barriere infrastrutturali) I clienti dell’energia 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)

Intensità energetica i = w/q Da cui : w = i q Mentre : q = W/i 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 l’intensità 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

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

Breve storia dell’energia

M T L fonti usi finali Sole Uomo 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.

fonti usi finali Sole M Uomo T Combustibile L fuoco prometeo

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

M T L E fonti usi finali Sole Uomo Combustibile Animali Vento Cadute d’acqua E Calore endogeno

M T L fonti usi finali macchina a vapore Sole Uomo Combustibile WATT 1745 Uomo Sole M T L Combustibile Animali Vento Cadute d’acqua Calore endogeno

Innovazioni Introduzione di un vettore energetico intermedio (vettore termico) : l’uso 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)

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 l’intensità energetica ( miglioramento del processo e delle trasformazioni energetiche)

M T T L E fonti usi finali pila Sole Uomo Animali Vento Cadute d’acqua Combustibile (en. pot. chimica) T T Animali L Vento pila Volta 1800 Cadute d’acqua E Calore endogeno

1800 Volta presenta la “pila” a Napoleone

Illuminamento L’illuminamento artificiale è una costante richiesta dell’umanità ed è iniziato con il fuoco Tanto più l’umanità 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 dell’industria dell’energia ( petrolio, gas, energia elettrica)

M T T L E M E fonti usi finali lampadina Sole Uomo Combustibile Edison 1882 Sole M Uomo T T Combustibile Animali L E M Vento Cadute d’acqua E Calore endogeno

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.

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 1878. 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.

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 ….

Thomas Alva Edison was born in Milan, Ohio in 1847. The picture is from 1878. Edison, nell’arco della sua vita, presentò più di 1600 brevetti

L T M E PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO per PRATICITA’ D’USO Combustibile T M E per PRATICITA’ D’USO

M T T M L E E fonti usi finali Altre fonti Combustibile Calore endogeno L E Cadute d’acqua E Stato della tecnologia a metà del ‘900

M T T M L E E T fonti usi finali fissione nucleare Altre fonti Fermi 1942 Altre fonti M T Combustibile T Calore endogeno M L E Cadute d’acqua E T Materie fissili

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

T T M E PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO per UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE Materie fissili T M E per UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE

Eolico,cadute d’acqua, ….. fonti usi finali M T Combustibile T Calore endogeno M L E Eolico,cadute d’acqua, ….. E T materie fissili solare Stato attuale

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 diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo TRASPORTO l’elevato frazionamento degli apparati di 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

CONSIDERAZIONI ENERGETICHE (integrale primo dell’energia) q q · · ( ) ò J q d q = ò C - C d q m em q q lavoro eseguito dalle coppie meccaniche variazione di energia cinetica 2 2 q 1 · 1 · ( ) J q - J q = ò C - C d q m em 2 2 q

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

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 .

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.

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.

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.

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

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

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

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