Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*)

Idrogeno da fonte rinnovabile di grande taglia (14.000 MW) ed analisi di sistemi di

accumulo fisico e chimico

(*) DiMSET, Università di Genova e SIIT Genova, Italia

PROBLEMATICHE FONTI RINNOVABILI

PROBLEMATICHE FONTI RINNOVABILI

Disponibilità temporale

Andamento temporale richiesta elettricità: diagrammi di carico

P [MW]

CARICO DI BASE

PUNTE DI CARICO

ECCEDENZE

DIAGRAMMA STAGIONALE DIAGRAMMA GIORNALIERO

P [MW]

3650

d

Accumulo dell’energia in eccedenza

Per sistemi di grande taglia

Idrogeno da elettrolisi dell’H2O

Milano, 11 luglio 2011

-Eolico

-Solare

-Idroelettrico

Variazioni ORARIE

Variazioni MENSILI

Milano, 11 luglio 2011

Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)

Al confine tra Paraguay e Brasileè la centrale idroelettrica più grande nel mondo in termini di energia prodotta.

• Area 1350 km2

• Lunghezza 170 km• Larghezza media 7 km• Volume max 29,000,000,000 m3

• Acqua spillata (max) 62,200 m3/s

Diga di Itaipu, dimensioni del bacinoDiga di Itaipu, dimensioni del bacinoDiga di Itaipu, dimensioni del bacinoDiga di Itaipu, dimensioni del bacino

Milano, 11 luglio 2011

Impianto idroelettrico di ItaipuImpianto idroelettrico di ItaipuImpianto idroelettrico di ItaipuImpianto idroelettrico di Itaipu•14.000 MW di potenza installata (20 turbine da 700 MW)

•Record di 95.000 GWh prodotti (2008), 1/3 del fabbisogno italiano

•Acqua spillata (62.000m3/s) disponibile per generare H2

Milano, 11 luglio 2011

Produzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaENERGIA PRODOTTA

Valore medio (circa 10 GW) variabile di anno in anno

Sarebbe divisa a metà, in realtà il Paraguay ne vende una parte al Brasile

Milano, 11 luglio 2011

Energia prodotta ed energia spillataEnergia prodotta ed energia spillataEnergia prodotta ed energia spillataEnergia prodotta ed energia spillataENERGIA SPILLATA • Il suo valore medio varia sensibilmente di anno in anno• Disponibile per produrre H2

su larga scala

L’energia spillata dipende dalla portata d’acqua, quindi varia fortemente con il mese.

Milano, 11 luglio 2011

Potenza spillata e richiesta elettricaPotenza spillata e richiesta elettricaPotenza spillata e richiesta elettricaPotenza spillata e richiesta elettrica

0100200300400500600700800900

1000

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dec

Spill

ed p

ower

[MW

]

Spilled Pow er

Average value

Necessità di analisi termo-economicasu base annuale

Variazione oraria nel carico elettrico

Potenza spillata variabile col mese

02000400060008000

1000012000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Time [h]

MW

e

Paraguay consumption [MWe] Brazil consumption [MWe] Total request [MWe]

Milano, 11 luglio 2011

Codice di calcolo ECoMPCodice di calcolo ECoMPCodice di calcolo ECoMPCodice di calcolo ECoMP

SCENARIO ECONOMICO(PREZZI DI VENDITA/ACQUISTO)

ECoMP

SOFTWARE

OttimizzazioneImpianti

OTTIMIZZAZIONE LAY OUT

C E

MIX

SH EVA ECO

FILTER

to stack

~

Cogeneration

OTTIMIZZAZIONE TAGLIA(Tutti i Componenti)

CONNESSIONI ALLA RETE

OTTIMIZZAZIONE STRATEGIA

ELECTRIC POWERWINTER - WEEKDAY

0.00E+00

5.00E-01

1.00E+00

1.50E+00

2.00E+00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Hours

Ele

tcri

c P

ow

er

[kW

e]

Purchased Electr. Pow.

Generated Electr. Pow.

Eletcr. Power Demand

0.00E+00

2.00E-01

4.00E-01

6.00E-01

8.00E-01

1.00E+00

1.20E+00

1.40E+00

1.60E+00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

CURVE DI CARICO(CALORE & ELETTRICITA)

Milano, 11 luglio 2011

Impianto per produzione e accumulo H2

Carico elettrico (PY + BR)

Diga di ITAIPU 14.000 MW

Potenza prodotta

Potenza spillata

Elettrolizzatori(1 MWe)

Utenze H2Stoccaggio H2

H2O2

Milano, 11 luglio 2011

Analisi ECoMP impianto HAnalisi ECoMP impianto H22 Analisi ECoMP impianto HAnalisi ECoMP impianto H22

• Analisi di un intero anno di funzionamento dell’impianto

• Ottimizzazione della taglia del sistema di produzione e confronto delle due tecniche di accumulo

ECoMPsoftware

Accumulo fisico in serbatoioNei periodi in cui non si ha acqua spillata,La richiesta di H2 è soddisfatta dal serbatoio.

Accumulo fisico alternativo Nei periodi in cui non si ha acqua spillata si sceglie di non vendere energia alla rete per alimentare gli elettrolizzatori. VANTAGGIO: costi capitali serbatoio ridotti

Milano, 11 luglio 2011

Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Accumulo fisico in serbatoio di grandi dimensioni (70.000 m3)

Milano, 11 luglio 2011

Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Serbatoio ridotto (200 m3), acquisto di energia dalla rete

Milano, 11 luglio 2011

Confronto delle due soluzioni di accumuloConfronto delle due soluzioni di accumuloConfronto delle due soluzioni di accumuloConfronto delle due soluzioni di accumulo

Accumulo con

rete elettrica Minori costicapitali

Soluzione economica ottima

Auto a idrogeno alimentate: 15.000 auto al giorno!

Milano, 11 luglio 2011

Influenza del costo delle auto a IdrogenoInfluenza del costo delle auto a Idrogeno Influenza del costo delle auto a IdrogenoInfluenza del costo delle auto a Idrogeno

Costo di un’auto a Idrogeno 40.000 €Costo aggiuntivo totale 600.000.000 €

Analisi economica (H2, NO auto)

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Years

M€

NPV

CF

Analisi economica (15.000 auto H2)

-1100

-900

-700

-500

-300

-100

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Years

M€ NPV

CF

Grande influenza Dei costi delle auto

SENZA AUTO

CON AUTO

Milano, 11 luglio 2011

Difficoltà legate all’IdrogenoDifficoltà legate all’IdrogenoDifficoltà legate all’IdrogenoDifficoltà legate all’Idrogeno

Costi molto elevati per le auto a Idrogeno

Difficoltà nello stoccaggio e nel trasporto (idrogenodotti)

Mancanza di utilizzi diversificati

La trasformazione di H2 in CH4 garantisce alcuni vantaggi:

Costi delle auto a metano paragonabili a quelle a benzina

Possibilità di adattare le auto a benzina già esistenti

Possibili altri impieghi del metano

Trasporto nei metanodotti già esistenti

Milano, 11 luglio 2011

Produzione H2 con accumulo chimico come CH4

Carico elettrico (PY + BR)

Diga di ITAIPU 14.000 MW

Potenza prodotta

Potenza spillata

Elettrolizzatori(1 MWe)

Utenze CH4

Metanatori

H2O2

CO2

Milano, 11 luglio 2011

Produzione HProduzione H22 (160 MW) e accumulo CH (160 MW) e accumulo CH44Produzione HProduzione H22 (160 MW) e accumulo CH (160 MW) e accumulo CH44

Milano, 11 luglio 2011

Influenza del costo delle auto a metanoInfluenza del costo delle auto a metano Influenza del costo delle auto a metanoInfluenza del costo delle auto a metano

Costo di un’auto a CH4 (adattamento) 1.000 €Costo aggiuntivo totale 15.000.000 €

Influenza modestaDei costi delle auto

SENZA AUTO

CON AUTO

Analisi economica (15.000 auto a metano)

-350-300-250-200-150-100-50

050

100150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Years

M€ NPV

CF

Analisi economica (CH4 NO auto)

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Years

M€

NPV

CF

Milano, 11 luglio 2011

Confronto tra accumulo fisico e chimicoConfronto tra accumulo fisico e chimicoConfronto tra accumulo fisico e chimicoConfronto tra accumulo fisico e chimico

Milano, 11 luglio 2011

Ricavi annuali Maggiori con accumulo fisico

PBP Ridotto con accumulo chimico

Risulta praticamente lo stesso

per le due soluzioniNPV finale

Conclusioni Conclusioni Conclusioni Conclusioni

Milano, 11 luglio 2011

PRODUZIONE H2

Accumulo fisico non accettabile, costi del serbatoio troppo elevatiLa soluzione migliore è acquistare energia dalla rete e installare al limite

un serbatoio di piccole dimensioni.I tempi di ritorno sono fortemente influenzati dai costi elevati delle auto.

PRODUZIONE CH4

Stoccaggio chimico, H2 trasformato in CH4, di più facile trasporto e utilizzo

Costi delle auto molto ridotti rispetto al caso precedenteTempi di ritorno di circa 10 anniProduzione di metano “pulito”, perché è stato prodotto sequestrando CO2

Dove prelevare la CO2?

Costo o benefit?

Sviluppi futuri

Carico elettrico (PY + BR)

Diga di ITAIPU 14.000 MW

Potenza prodotta

Potenza spillata

Elettrolizzatori(1 MWe)

Utenze CH4

Metanatori

H2

O2

Mix gas

Syngas

Gassificatore

Biomasse

Milano, 11 luglio 2011

Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*)

Idrogeno da fonte rinnovabile di grande taglia (14.000 MW) ed analisi di sistemi di

accumulo fisico e chimico

(*) DiMSET, University of Genova and SIIT Genova, Italy