Cenni sull’accumulo dell’energia e stato dell’arte sull ...€¦ · Aria e altri gas...

Cenni sull’accumulo dell’energia e

stato dell’arte sull’accumulo dell’energia termica

Giorgio Cau

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali

Università di Cagliari

Corso di Sistemi Energetici 2 Anno Accademico 2016-17

PERCHÉ È UTILE O NECESSARIO L'ACCUMULO DELL'ENERGIA?

Con riferimento alle fonti di energia primaria a carattere defluente

Le problematiche inerenti alla bassa densità di gran parte delle energie rinnovabili e, soprattutto, alla

permanenza e all’intensità nel tempo, sanciscono l’utilità, o perfino la necessità, dell’accumulo

L'accumulo delle forme di energia primaria non permanenti e a intensità variabile nel tempo

costituisce infatti una importante opzione per incrementarne la qualità e, quindi, il valore

L’accumulo le rende infatti disponibili con continuità, in modo programmabile e a livelli di potenza

diversi dall'intensità originale, in genere previa trasformazione in altre forme di energia

Ad eccezione dell’energia idrica, infatti, qualunque altra forma di energia primaria per poter essere

immagazzinata deve essere trasformata in varie forme di energia secondaria, quali ad esempio:

Energia Meccanica

“ Elettrica

“ Termica

“ Chimica

PERCHÉ È UTILE O NECESSARIO L'ACCUMULO DELL'ENERGIA?

Limitatamente agli usi finali elettrici e termici

In breve: per rendere indipendenti le fasi di produzione e utilizzo dell'energia, ovvero per adeguare

l'offerta alla domanda indipendentemente dai vincoli che agiscono sulla produzione

In altre parole: per rendere possibile l'utilizzo dell'energia in un periodo diverso rispetto a quello in cui

essa è disponibile alla produzione.

Ne conseguono almeno tre corollari:

1. L’accumulo rende possibile l'utilizzo differito dell'energia prodotta in assenza o in carenza di una

contestuale e conforme domanda

2. L’accumulo consente di rendere disponibile l'energia all'utenza ad un livello di potenza diverso

rispetto a quello a cui essa è disponibile in fase di produzione

3. Il sistema di accumulo deve essere reversibile (non in senso termodinamico) cioè deve consentire

la restituzione differita dell'energia accumulata

CARATTERISTICHE PECULIARI DEI SISTEMI DI ACCUMULO DELL’ENERGIA

La durata delle fasi di accumulo e di rilascio (carica/scarica) dell’energia

Il rendimento del sistema riferito all’intero processo ciclico di carica/scarica

Il comportamento dinamico, in relazione ai tempi e alle modalità di risposta durante le fasi di

carica/scarica

I tempi di costituzione dell'accumulo e di restituzione dell'energia accumulata sono in genere dello

stesso ordine di grandezza

Un sistema di immagazzinamento dell’energia può essere comunque caratterizzato da durata delle

fasi di accumulo e di rilascio molto differenti che dipendono dalla forma dell'energia, dai limiti

tecnologici del sistema di accumulo, dalle esigenze dell'utenza, ecc.

Si possono avere in tal senso sistemi di accumulo caratterizzati da durata delle fasi di carica/scarica di

pochi secondi (o frazioni di secondo), minuti e ore, con estensioni giornaliere e perfino stagionali

SISTEMI E TECNOLOGIE DI ACCUMULO DELL'ENERGIA MECCANICA

L’energia meccanica si manifesta essenzialmente nelle due forme potenziale e cinetica e in tali

forme può essere reciprocamente trasformata e accumulata

Con riferimento all’energia potenziale si ha l’ulteriore distinzione tra:

Energia potenziale gravitazionale

•

Energia potenziale elastica

•

Con riferimento all’energia cinetica si può ulteriormente distinguere tra:

Energia cinetica traslazionale

•

Energia cinetica rotazionale

•

𝐸𝑃𝐺 = 𝑚𝑔∆𝑧

𝐸𝑃𝐸 =1

2𝑘∆𝑥2

𝐸𝐶𝑇 =1

2𝑚𝑣2

𝐸𝐶𝑅 =1

2𝐼𝜔2


Energia potenziale gravitazionale

Applicazioni su grande scala in impianti di generazione elettrica di media e grande potenza

Idrico convenzionale, basato su serbatoi (o bacini, a seconda dell’autonomia) artificiali alimentati

da corsi d’acqua fluente naturali

Idrico pompato, basato sulla alternanza del riempimento e dello svuotamento di due bacini situati a

quote diverse operato artificialmente dallo stesso macchinario (turbina/pompa-alternatore/motore)

Maree, basato sulla possibilità di intercettare e fruttare idraulicamente la variazione del livello del

mare causata dall’attrazione gravitazionale della luna e del sole


Energia potenziale elastica

Applicazioni sia su grande scala in impianti di generazione elettrica di media e grande potenza, sia

su piccola scala in applicazioni diverse dalla generazione elettrica

Aria compressa e immagazzinata ad alta pressione in serbatoi di grandi dimensioni, generalmente

naturali, per la generazione elettrica (impianti CAES diabatici, adiabatici e isotermi)

Aria e altri gas compressi e immagazzinati ad altissima pressione per la propulsione (motori ad

aria compressa)

Deformazione di elementi metallici elastici (molle, barre, altri elementi metallici)

Molle a nano tubi di carbonio (CNT), basate sulle notevoli caratteristiche di elasticità, rigidezza e

resistenza dei CNT che possono consentire densità di accumulo energetico di diversi ordini di

grandezza maggiori rispetto agli acciai al carbonio, con processi di carica/scarica praticamente

reversibili e pressoché immuni dalla fatica


Energia cinetica

L’accumulo di energia cinetica interessa applicazioni su potenze medio-piccole e di particolare

interesse per brevi ma intense variazioni di potenza con tempi di risposta molto piccoli. L’accumulo

cinetico viene realizzato mediante gli accumulatori a volano; si distingue tra:

• Accumulatori a volano ad alta velocità (104-105 rpm). Sono basati su tecnologie innovative e

interessano in particolare i settori dei trasporti e dell’industria aerospaziale

• Accumulatori a volano a bassa velocità (<104 rpm). Sono basati su tecnologie convenzionali

e interessano in particolare il settore della generazione elettrica. Possono operare a potenze

molto maggiori (anche di due ordini di grandezza) rispetto ai volani ad alta velocità in virtù della

grande inerzia che li caratterizza

La tecnologia dei volani, specie di quelli ad alta velocità, ha avuto in tempi recenti un rinnovato

interesse principalmente in ragione di tre fattori:

• Sviluppo di cuscinetti a levitazione magnetica

• Sviluppo di materiali composti ad alta resistenza

• Sviluppo dell’elettronica di potenza

SISTEMI E TECNOLOGIE DI ACCUMULO DELL'ENERGIA ELETTRICA

Per quanto non ancora diffuse su larga scala in applicazioni di grande potenza, le tecnologie di

accumulo dell'energia elettrica ed elettromagnetica sono numerose; tra esse in particolare:

Accumulatori di energia elettrostatica

• Supercondensatori

Accumulatori di energia elettromagnetica

• Sistemi magnetici superconduttori (SMES)

Accumulatori elettrochimici

• Batterie primarie

• Batterie secondarie (accumulatori di carica elettrica) per applicazioni ordinarie

• Batterie secondarie per applicazioni speciali


Batterie primarie

Si tratta delle classiche batterie per uso domestico a funzionamento irreversibile e quindi una volta

esaurite non sono più utilizzabili. Tra esse si citano in particolare:

batterie alcaline

batterie al litio

batterie al mercurio (non più in produzione)

batterie zinco-carbone (pila a secco Leclanché)


Batterie secondarie (accumulatori di carica elettrica) per applicazioni ordinarie

Si tratta di batterie a funzionamento reversibile e quindi una volta esaurite possono essere ricaricate e

riutilizzate più volte. Tra esse si citano in particolare:

batterie agli ioni di litio (Li-ion).

batterie agli ioni di litio-polimero

batterie al nickel-cadmio (Ni-Cd) (di prevalente utilizzo in applicazioni domestiche sono state

praticamente rimpiazzate dalle batterie Ni-MH e Li-ion)

batterie al nichel-cadmio idruro (Ni-MH)

batterie piombo-acido (Pb), con principale utilizzo in campo automobilistico.

batterie piombo-gel


Batterie secondarie per applicazioni speciali

Si tratta per lo più di batterie basate su tecnologie sperimentali per applicazioni orientate

prevalentemente allo stoccaggio stazionario e all'autotrazione. Si distingue tra:

Batterie a stato solido

• batterie Sodio-Zolfo

• batterie ZEBRA

Batterie a flusso

• batterie Vanadio Redox.

• batterie Zinco-Bromo (Zn-Br)


Batterie Sodio-Zolfo (Na-S)

Sodio e zolfo, allo stato liquido (fuso) fungono rispettivamente da elettrodi negativo e positivo,

separati da un elettrolita solido di materiale ceramico (beta-alumina solid electrolyte, BASE) che ha

la caratteristica di essere un veloce conduttore di ioni

Sono denominate “a stato solido” per la presenza dell’elettrolita solido BASE

Sono classificate anche come batterie a sali fusi per la presenza di sodio e zolfo fusi

Operano a temperature dell'ordine di 300 °C

Interessano entrambi i settori dello stoccaggio e dell'autotrazione

Questa tecnologia è stata dimostrata in oltre 190 siti in Giappone per una potenza complessiva di

270 MW erogabile in un periodo di 6 ore

Batterie Sodio-Zolfo (Na-S)


Batterie ZEBRA (Zero Emission Battery Research Activity)

Sono batterie al Nichel-Cloruro di sodio (precedentemente note con la denominazione tecnica Ni-

NaCl o Na-NiCl2, di recente ridenominate SoNick, Sodio-Nichel

Alla temperatura operativa, di circa 245 °C, l’elettrodo negativo (sodio) e l’elettrolita (sodio

alluminoclodridrico, NaAlCl4) sono allo stato liquido e per tenerli separati si utilizza anche in questo

caso l’elettrolita solido BASE.

Sono di interesse specifico per il settore dell’autotrazione e per il livellamento dei picchi di

domanda in sistemi stazionari.


Batterie Vanadio Redox (VRB)

Sono batterie che realizzano in pratica il concetto di "Redox Flow Battery" (RFB) che rappresenta

una categoria di accumulatori elettrochimici in cui l'elettrolita liquido fluisce continuamente durante

le fasi di carica e scarica

Le batterie RFB consentono una totale separazione della potenza e dell'energia e possono essere

dimensionate per l’immagazzinamento di energia su larga scala con potenze da qualche decina di

kW fino a qualche decina di MW ed energia da circa 500 kWh fino a qualche centinaio di MWh

Le batterie VRB, in particolare, si prestano efficacemente per coprire il campo di potenze tra 100

kW e 10 MW con durate di 2-8 ore.


Batterie Zinco-Bromo

Le batterie Zinco-Bromo sono essenzialmente costituite da due semi-celle in cui sono alloggiati gli

elettrodi negativo, di zinco, e positivo, di bromuro di zinco, separati da un setto microporoso

L’elettrolita, una soluzione acquosa di zinco e bromuro di zinco, è contenuto in due serbatoi di

stoccaggio esterni e viene fatto circolare nelle celle di reazione con un sistema di pompe e valvole

Si tratta di batterie a flusso molto promettenti essendo caratterizzate da un elevato potenziale

redox, da una elevata densità energetica e da un basso costo dei materiali elettrodici e reagenti

Sono facilmente scalabili, semplicemente agendo sulla quantità di celle interconnesse, da potenze

di qualche kW fino a diverse decine di MW, con capacita operativa fino a 10 ore

La quantità di energia accumulata aumenta semplicemente aumentando la quantità di elettrolita

contenuto nella cella

Caratteristica energia-potenza di diverse tecnologie di

accumulo meccanico ed elettrico

SISTEMI E TECNOLOGIE DI ACCUMULO DELL'ENERGIA TERMICA

I sistemi di accumulo termico coprono un’ampia gamma di temperature ed applicazioni, con

interessanti prospettive di sviluppo tecnologico e di mercato.

Si basano sul processi di variazione dell'energia interna del materiale in forma di:

Calore sensibile

•

Calore latente di transizione di fase

•

Energia termochimica (rottura e ricomposizione di legami chimici)

•

Processi combinati

𝐸𝑇𝐿 = 𝑚∆ℎ𝑡𝑓

𝐸𝑇𝐶 = 𝑚∆ℎ𝑟

𝐸𝑇𝑆 = 𝑚𝑐∆𝑇 = 𝑉𝜌𝑐∆𝑇

CALORE SENSIBILE

L'accumulo dell'energia termica a calore sensibile può essere realizzato mediante:

Mezzi liquidi (il riscaldamento dell'acqua contenuta in un serbatoio è il classico esempio di

accumulo termico a calore sensibile in fase liquida)

Mezzi solidi con fluido termovettore liquido o gassoso

Mezzi misti solido-liquidi

CALORE SENSIBILE

Impianto SEGS I (13,8 MW) nel deserto del Mojave - California (1984)

Superficie del campo solare: 82.960 m2

Tipo di accumulo: accumulo diretto

Sistema di accumulo (*): doppio serbatoio

Mezzo di accumulo termico: olio minerale

Temperatura minima: 240 °C

Temperatura massima: 307 °C

Autonomia a piena potenza: 3 ore

(*) Distrutto da un incendio nel 1999

Impianto Andasol 1 (50 MW) in Andalucía, Spagna (2008)

Superficie del campo solare: 510.000 m2

Tipo di accumulo: diretto

Sistema di accumulo: doppio serbatoio

Mezzo di accumulo termico: sali fusi

Massa di sali fusi: 28.500 t



Autonomia a piena potenza: 7,5 ore

Impianto Gemmasolar (19,9 MW) in Andalucía, Spagna (2011)

Superficie del campo solare: 1.850.000 m2

Tipo di accumulo: accumulo diretto




Temperatura massima: >500 °C


Impianto Ivanpah - California (2014)

Potenza lorda: 392 MW (126 + 2x133 )

Superficie campo solare: 14.200.000 m2

Tipo di accumulo: diretto



Prototipo di TES a mezzo solido (cemento) e fluido termovettore liquido (olio diatermico)


Prototipo di TES a termoclino a mezzo solido, fluido

termovettore aria, per impianto CSP a torre da 80 MW

Volume del materiale di accumulo del prototipo: 25 m3

Altezza del prototipo: 4 m

Diametro massimo del prototipo: 4 m

Volume dell’accumulo del sistema in piena scala: 30.000 m3

N. accumulatori: 7

Altezza degli accumulatori in piena scala: 9,5 m

Diametro massimo degli accumulatori in piena scala: 27,7 m




Natura del materiale di accumulo: quarzite, calcare, sassi di fiume

Diametro medio del materiale solido: 3-4 cm

CALORE LATENTE (di transizione di fase)

L'accumulo dell'energia termica a calore latente può essere realizzato con riferimento ai seguenti

processi di transizione:

Solido-Liquido (fusione)

Liquido-vapore (vaporizzazione)

Solido-Solido (transizione tra due diverse fasi solide a diversa struttura cristallina)

I passaggi di stato di gran lunga più utilizzati sono quelli solido-liquido e solido-solido perché

durante la transizione di fase si hanno moderate variazioni di volume

Il passaggio di stato liquido-vapore è invece di rara applicazione per via delle rilevanti variazioni di

volume del mezzo di accumulo durante la transizione

I materiali utilizzati sono brevemente indicati con l’acronimo PCM (Phase Change Materials)

Possono coprire un vastissimo campo di temperature

CALORE LATENTE

PlusICE PCM (ORGANIC) (A) RANGE 2013-1 PCM

Type

Phase Change Temperature Density Latent Heat Capacity Volumetric Heat Capacity Specific Heat Capacity Thermal Conductivity Max Operating Max Operating

(ºC) ( ºF)

(kg/m3)

(lb / ft3)

(kJ/kg)

(Btu / lb)

(MJ/m3)

(Btu / ft3)

(kJ/kg K) (Btu / lb ºF)

(W/m K)

(Btu / ft2hºF)

Temp (ºC)

Temp (ºF) ORGANIC PCM SOLUTIONS

A164* 164 327 1,500 93.6 290 125 435 11,675 2.42 0.573 nd n/d 280 536 A155 155 311 900 56.2 100 43 90 2,416 2.2 0.521 0.230 0.133 250 482 A144 144 291 880 54.9 115 49 101 2,716 2.2 0.521 0.230 0.133 250 482 A133 133 271 880 54.9 126 54 111 2,976 2.2 0.521 0.230 0.133 250 482

A118** 118 244 1,450 90.5 340 146 493 13,232 2.7 0.640 nd nd 300 572 A95 95 203 900 56.2 205 88 185 4,952 2.2 0.521 0.220 0.127 300 572 A82 82 180 850 53.1 155 67 132 3,536 2.21 0.524 0.220 0.127 300 572 A70 70 158 890 55.6 173 74 154 4,133 2.2 0.521 0.230 0.133 300 572 A62 62 144 910 56.8 145 62 132 3,542 2.2 0.521 0.220 0.127 300 572

A60H 60 140 800 49.9 212 91 170 4,552 2.15 0.509 0.180 0.104 400 752 A60 60 140 910 56.8 145 62 132 3,542 2.22 0.526 0.220 0.127 300 572

A58H 58 136 820 51.2 243 105 199 5,348 2.85 0.675 0.180 0.104 300 572 A58 58 136 910 56.8 132 57 120 3,224 2.22 0.526 0.220 0.127 300 572 A55 55 131 905 56.5 135 58 122 3,279 2.22 0.526 0.220 0.127 300 572

A53H 53 127 810 50.6 166 71 134 3,609 2.02 0.479 0.180 0.104 300 572 A53 53 127 910 56.8 130 56 118 3,175 2.22 0.526 0.220 0.127 300 572

A26 26 79 790 49.3 150 65 119 3,181 2.22 0.526 0.210 0.121 280 536 A25H 25 77 810 50.6 226 97 183 4,913 2.15 0.509 0.180 0.104 400 752 A25 25 77 785 49.0 150 65 118 3,160 2.26 0.535 0.180 0.104 280 536 A24 24 75 790 49.3 145 62 115 3,075 2.22 0.526 0.180 0.104 280 536 A23 23 73 785 49.0 145 62 114 3,055 2.22 0.526 0.180 0.104 280 536

A22H 22 72 820 51.2 216 93 177 4,754 2.85 0.675 0.180 0.104 400 752 A22 22 72 785 49.0 145 62 114 3,055 2.22 0.526 0.180 0.104 250 482 A17 17 63 785 49.0 150 65 118 3,160 2.22 0.526 0.180 0.104 250 482 A16 16 61 760 47.4 213 92 162 4,345 2.37 0.561 0.180 0.104 250 482 A15 15 59 790 49.3 130 56 103 2,756 2.26 0.535 0.180 0.104 250 482 A9 9 48 775 48.4 140 60 109 2,912 2.16 0.512 0.210 0.121 220 428 A8 8 46 773 48.3 150 65 116 3,112 2.16 0.512 0.210 0.121 220 428 A6 6 43 770 48.1 150 65 116 3,100 2.17 0.514 0.210 0.121 220 428 A4 4 39 766 47.8 200 86 153 4,112 2.18 0.516 0.210 0.121 220 428 A3 3 37 765 47.8 200 86 153 4,107 2.20 0.521 0.210 0.121 200 392 A2 2 36 765 47.8 200 86 172 4,616 2.20 0.521 0.210 0.121 200 392

PCM Products has a policy of continues product and product data improvement and reserves the right to change design and specifications without notice

PlusICE PCM (EUTECTIC) (E) RANGE 2013-1

PCM

Type

Phase Change Temperature Density Latent Heat Capacity Volumetric Heat Capacity Specific Heat Capacity Thermal Conductivity

(ºC) ( ºF) (kg/m3) (lb / ft3) (kJ/kg) (Btu / lb) (MJ/m3) (Btu / ft3) (kJ/kg K) (Btu / lb ºF) (W/m K) (Btu / ft2hºF)

EUTECTIC PCM SOLUTIONS

E0 0 32 1,000 62.4 332 143 332 8,911 4.186 0.992 0.580 0.335

E-2 -2.0 28 1,070 66.8 306 132 327 8,777 3.80 0.900 0.580 0.335

E-3 -3.7 25 1,060 66.2 312 134 331 8,884 3.84 0.910 0.600 0.347

E-6 -6.0 21 1,110 69.3 275 118 305 8,186 3.83 0.907 0.560 0.324

E-10 -10.0 14 1,140 71.2 286 123 326 8,750 3.33 0.789 0.560 0.324

E-11 -11.6 11 1,090 68.0 301 129 328 8,804 3.55 0.841 0.570 0.329

E-12 -12.3 10 1,110 69.3 250 108 278 7,462 3.47 0.822 0.560 0.324

E-14 -14.8 5 1,220 76.2 243 105 296 7,945 3.51 0.832 0.530 0.306

E-15 -15.0 5 1,060 66.2 303 130 321 8,616 3.87 0.917 0.530 0.306

E-19 -18.7 -2 1,125 70.2 282 121 344 9,233 3.29 0.779 0.580 0.335

E-21 -20.6 -5 1,240 77.4 263 113 326 8,750 3.13 0.741 0.510 0.295

E-22 -22.0 -8 1,180 73.7 234 101 276 7,408 3.34 0.791 0.570 0.329

E-26 -26.0 -15 1,250 78.0 260 112 325 8,723 3.67 0.869 0.580 0.335

E-29 -29.0 -20 1,420 88.6 222 95 264 7,086 3.69 0.874 0.640 0.370

E-32 -32.0 -26 1,290 80.5 243 105 313 8,401 2.95 0.699 0.560 0.324

E-34 -33.6 -28 1,205 75.2 240 103 286 7,676 3.05 0.723 0.540 0.312

E-37 -36.5 -34 1,500 93.6 213 92 302 8,106 3.15 0.746 0.540 0.312

E-50 -49.8 -58 1,325 82.7 218 94 283 7,596 3.28 0.777 0.560 0.324

E-75 -75.0 -103 902 56.3 102 44 92 2,469 2.43 0.576 0.170 0.098

E-78 -78.0 -108 880 54.9 115 49 101 2,716 1.96 0.464 0.140 0.081

E-90 -90.0 -130 786 49.1 90 39 71 1,906 2.56 0.606 0.140 0.081

E-114 -114.0 -173 782 48.8 107 46 84 2,255 2.39 0.566 0.170 0.098


PlusICE PCM TEMPERATURE (H) RANGE 2013-1 PCM

Type

Phase Change Temperature Density Latent Heat Capacity Volumetric Heat Capacity Specific Heat Capacity Thermal Conductivity Maximum Temperature

(ºC) ( ºF) (kg/m3) (lb / ft3) (kJ/kg) (Btu / lb) (MJ/m3) (Btu / ft3) (kJ/kg K) (Btu / lb ºF) (W/m K) (Btu / ft2hºF) (ºC) ( ºF)

HIGH TEMPERATURE PCM SOLUTIONS

H105 104 219 1,700 106 125 54 213 5,704 1.500 0.355 0.500 0.289 390 734 H115 114 237 2,200 137 100 43 220 5,905 1.505 0.357 0.503 0.291 390 734 H120 120 248 2,220 139 120 52 266 7,150 1.510 0.358 0.506 0.292 390 734 H160 162 324 1,910 119 105 45 201 5,383 1.505 0.357 0.509 0.294 200 392 H190 191 376 2,300 144 170 73 391 10,494 1.510 0.358 0.512 0.296 500 932 H220 220 428 2,000 125 100 43 200 5,368 1.515 0.359 0.515 0.298 390 734 H230 227 441 1,553 97 105 45 163 4,377 1.520 0.360 0.518 0.299 300 572 H250 250 482 2,380 149 280 120 666 17,886 1.525 0.361 0.521 0.301 600 1,112 H255 254 489 2,380 149 270 116 643 17,247 1.530 0.362 0.524 0.303 600 1,112 H280 282 540 2,250 140 160 69 360 9,662 1.535 0.364 0.527 0.305 500 932 H285 285 545 2,200 137 85 37 187 5,019 1.540 0.365 0.530 0.306 390 734 H290 292 558 2,200 137 150 65 330 8,857 1.545 0.366 0.533 0.308 500 932

H610

610

1,130

2,070

129

410

176

849

22,779

1.570

0.372

0.561

0.324

1300

2,372

H640

640

1,184

2,380

149

338

145

804

21,591

1.575

0.373

0.559

0.323

800

1,472

H650

652

1,206

2,450

153

300

129

735

19,727

1.580

0.374

0.557

0.322

800

1,472

H690

687

1,269

2,400

150

250

108

600

16,104

1.585

0.375

0.560

0.324

800

1,472

H695

695

1,283

2,460

154

280

120

689

18,487

1.590

0.377

0.563

0.325

800

1,472

H700

699

1,290

2,410

150

250

108

603

16,171

1.595

0.378

0.566

0.327

800

1,472

H705

706

1,303

2,430

152

250

108

608

16,305

1.600

0.379

0.569

0.329

800

1,472

H705A

705

1,301

2,040

127

452

194

922

24,749

1.595

0.378

0.573

0.331

1400

2,552

H725

725

1,337

2,210

138

602

259

1,330

35,708

1.590

0.377

0.577

0.334

1300

2,372

H755

755

1,391

2,160

135

466

200

1,007

27,016

1.585

0.375

0.581

0.336

800

1,472

H845

845

1,553

2,530

158

276

119

698

18,742

1.580

0.374

0.585

0.338

900

1,652

H885 885 1,625 2,290 143 236 102 540 14,505 1.575 0.373 0.589 0.340 900 1,652 PCM Products has a policy of continues product and product data improvement and reserves the right to change design and specifications without notice

PlusICE PCM (HYDRATED SALT) (S) RANGE 2013-1 PCM

Type

Phase Change Temperature Density Latent Heat Capacity Volumetric Heat Capacity Specific Heat Capacity Thermal Conductivity Max Operating Max Operating

(ºC) ( ºF)

(kg/m3)

(lb / ft3)

(kJ/kg)

(Btu / lb)

(MJ/m3)

(Btu / ft3)

(kJ/kg K) (Btu / lb ºF)

(W/m K)

(Btu / ft2hºF)

Temp (ºC)

Temp (ºF)

HYDRATED SALT BASED PCM SOLUTIONS

S117 117 243 1,450 90.5 160 69 232 6,227 2.61 0.618 0.700 0.405 140 284 S89 89 192 1,550 96.8 151 65 234 6,282 2.48 0.588 0.670 0.387 120 248 S83 83 181 1,600 99.9 141 61 226 6,055 2.31 0.547 0.620 0.358 120 248 S72 72 162 1,666 104.0 127 55 212 5,679 2.13 0.505 0.580 0.335 120 248 S70 70 158 1,680 104.9 110 47 185 4,960 2.10 0.497 0.570 0.329 120 248 S58 58 136 1,505 94.0 145 62 218 5,857 2.55 0.604 0.690 0.399 120 248 S50 50 122 1,601 99.9 100 43 160 4,297 1.59 0.377 0.430 0.249 120 248 S46 46 115 1,587 99.1 210 90 333 8,945 2.41 0.571 0.450 0.260 56 133 S44 44 111 1,584 98.9 100 43 158 4,251 1.61 0.381 0.430 0.249 120 248 S34 34 93 2,100 131.1 115 49 242 6,482 2.10 0.497 0.520 0.301 70 158 S32 32 90 1,460 91.1 200 86 292 7,837 1.91 0.452 0.510 0.295 60 140 S30 30 86 1,304 81.4 190 82 248 6,650 1.90 0.450 0.480 0.277 60 140 S27 27 81 1,530 95.5 183 79 280 7,515 2.20 0.521 0.540 0.312 60 140 S25 25 77 1,530 95.5 180 77 275 7,392 2.20 0.521 0.540 0.312 60 140 S23 23 73 1,530 95.5 175 75 268 7,186 2.20 0.521 0.540 0.312 60 140 S21 22 72 1,530 95.5 170 73 260 6,981 2.20 0.521 0.540 0.312 60 140 S19 19 66 1,520 94.9 160 69 243 6,527 1.90 0.450 0.430 0.249 60 140 S17 17 63 1,525 95.2 160 69 244 6,549 1.90 0.450 0.430 0.249 60 140 S15 15 59 1,510 94.3 160 69 242 6,485 1.90 0.450 0.430 0.249 60 140 S13 13 55 1,515 94.6 160 69 242 6,506 1.90 0.450 0.430 0.249 60 140 S10 10 50 1,470 91.8 155 67 228 6,115 1.90 0.450 0.430 0.249 60 140 S8 8 46 1,475 92.1 150 65 221 5,938 1.90 0.450 0.440 0.254 60 140 S7 7 45 1,700 106.1 150 65 255 6,844 1.85 0.438 0.400 0.231 60 140


PlusICE PCM SOLID-SOLID (X) RANGE 2013-1

PCM

Type

Phase Change Temperature Density Latent Heat Capacity Volumetric Heat Capacity Specific Heat Capacity Thermal Conductivity

(ºC) ( ºF) (kg/m3) (lb / ft3) (kJ/kg) (Btu / lb) (MJ/m3) (Btu / ft3) (kJ/kg K) (Btu / lb ºF) (W/m K)

(Btu / ft2hºF)

SOLID-SOLID PCM SOLUTIONS

X25 25 77 1,055 65.9 110 47 116 3,115 1.63 0.386 0.360 0.208

X30 30 86 1,050 65.5 105 45 110 2,959 1.65 0.391 0.360 0.208

X40 40 104 1,046 65.3 125 54 131 3,509 1.67 0.396 0.360 0.208

X55 55 131 1,060 66.2 115 49 122 3,272 1.62 0.384 0.360 0.208

X70 70 158 1,085 67.7 125 54 136 3,640 1.57 0.372 0.360 0.208

X80 80 176 1,193 74.5 140 60 167 4,483 1.52 0.360 0.360 0.208

X90 90 194 1,200 74.9 135 58 162 4,348 1.51 0.358 0.360 0.208

X95 95 203 1,215 75.9 140 60 170 4,565 1.51 0.358 0.360 0.208

X120 120 248 1,245 77.7 180 77 224 6,015 1.50 0.355 0.360 0.208

X130 130 266 1,280 79.9 260 112 333 8,932 1.47 0.348 0.360 0.208

X165 165 329 1,304 81.4 230 99 300 8,050 1.43 0.339 0.360 0.208

X180 180 356 1,330 83.0 280 120 372 9,995 1.40 0.332 0.360 0.208


Note: For other temperatures please consult our technical team.

ENERGIA TERMOCHIMICA (rottura e ricomposizione di legami chimici)

L'energia termica viene trasformata in energia potenziale chimica mediante reazioni endotermiche

reversibili. Tra le reazioni più studiate ai fini dello stoccaggio termochimico si hanno:

Reazioni di idratazione

• CaO(s) + H2O(g) ↔ Ca(OH)2(s) + ∆h

• Mg(SO)4(s) + 7∙H2O(g) ↔ Mg(SO)4∙7H2O(s) + ∆h

Reazioni di carbonatazione

• CaO(s) + (CO)2(g) ↔ Ca(CO)3(s) + ∆h

Decomposizione dell’ammoniaca

• N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) + ∆h

Reforming del metano (metanolo, etanolo, DME, ecc.)

• CO(g) + 3H2 (g) ↔ CH4(g) + H2O(g) + ∆h

• 2CO(g) + 2H2(g) ↔ CH4(g) + CO2(g) + ∆h

Ossidazione di metalli

Cicli dello zolfo

PROCESSI COMBINATI

Sistemi misti calore latente/sensibile. Nei sistemi a calore latente le transizioni di fase possono

essere precedute e seguite da processi di preriscaldamento del mezzo fino al raggiungimento della

temperatura di transizione e di ulteriore riscaldamento a temperature più elevate dopo la

transizione, con la realizzazione di un processo combinato a calore latente e a calore sensibile

Sistemi misti termochimico/calore sensibile. Nei sistemi di accumulo termochimico i reagenti

possono essere preriscaldati fino al raggiungimento delle temperature di reazione ottimali e i

prodotti possono essere ulteriormente riscaldati a temperature più elevate, con la realizzazione di

un processo combinato termochimico e a calore sensibile

Sistemi misti termochimico/calore latente. Parimenti, nei sistemi di accumulo termochimico i

reagenti possono essere soggetti a cambiamenti di fase durante lo svolgimento delle reazioni, con

la realizzazione di un processo combinato termochimico e a calore latente

STOCCAGGIO DELL’IDROGENO

Lo stoccaggio di idrogeno è una delle forme di accumulo dell’energia in forma chimica che si

contraddistingue per l’elevata densità di energia (riferita all’unità di massa) e l’ottima compatibilità con

le fonti energetiche rinnovabili, in particolare quelle fluttuanti.

L'idrogeno può essere immagazzinato mediante processi fisici sotto forma di:

idrogeno compresso ad alta e altissima pressione (fino a 750 bar)

idrogeno liquefatto a temperatura di circa -253 °C (temperatura di saturazione a pressione

ambiente) a pressioni di 1-5 bar

Oppure mediante processi chimici sotto forma di:

idruri metallici

combustibili sintetici derivati, quali ad esempio Metanolo, Etanolo, DME

prodotti chimici quali in particolare l'Ammoniaca ma anche altre sostanze inorganiche e organiche

METODI DI STOCCAGGIO DELL’IDROGENO - Fase gassosa

in recipienti (bombole)

gas compresso applicazioni stazionarie applicazioni portatili

metodo di stoccaggio più diffuso

stoccaggio in recipienti (bombole) in acciaio o in materiale composito

taglie e pressioni differenti (200 bar, 300 bar, 750 bar)

tecnologia semplice

applicazione principalmente stazionaria

l’immagazzinamento criogenico richiede un volume di stoccaggio inferiore rispetto alla fase

gassosa; avviene al di sotto della temperatura di ebollizione, -253 °C (20 K), a pressione di 1-5 bar

la liquefazione richiede una grossa spesa energetica per raffreddare l’idrogeno, c.a. 50.4 MJ/kg,

con un’efficienza di refrigerazione del 7.2% e una perdita complessiva del 30% dell’energia

stoccata come idrogeno liquido,

i serbatoi devono possedere un ottimo isolamento termico (Dewar),

i serbatoi non richiedono la stessa resistenza delle bombole per lo stoccaggio in fase gassosa ad

alta pressione

liquido criogenico

METODI DI STOCCAGGIO - Fase liquida

applicazioni stazionarie applicazioni portatili

METODI DI STOCCAGGIO - Fase solida

L’idrogeno può essere stoccato sulla superficie dei

solidi (adsorption) o all’interno della struttura dei

solidi (absorption)

Nell’absorption le molecole di H2 si dissociano in

atomi che successivamente vengono inglobati

nel reticolo cristallino

Questo metodo permette di stoccare notevoli

quantità di idrogeno in volumi ridotti, basse

pressioni e temperature vicino a quelle ambiente

Infine può legarsi ad altre molecole per formare

dei veri e propri composti chimici

METODI DI STOCCAGGIO - Idruri metallici (Fase solida)

Più di 50 elementi della tavola periodica possono combinarsi con l’idrogeno per formare una

classe di composti chiamati idruri, ma solo alcuni di essi sono adeguati per lo stoccaggio di

idrogeno in condizioni di temperatura e pressione compatibili con le applicazioni richieste

CONTENITORI PER LO STOCCAGGIO DI IDROGENO IN FASE IDRURICA

IN RACK COLLEGATI IN SERIE PER

APPLICAZIONI STAZIONARIE

MOLTO PICCOLI CON SUPPORTO E ACCESSORI

PER APPLICAZIONI PORTATILI E

DI BASSA POTENZA

I materiali PCM possono essere

impiegati per la termoregolazione

delle bombole contenenti le polveri

di idruri metallici, in quanto in grado

di assorbire il calore rilasciato

durante il processo di carica e di

cederlo durante la fase di scarica.

fonte: McPhy Energy

IMPIEGO DEI MATERIALI PCM PER LA TERMOREGOLAZIONE DEI SISTEMI DI

STOCCAGGIO BASATI SULL’IDROGENO

La scelta del PCM più appropriato all’impiego nel campo dello

stoccaggio di idrogeno in fase solida è vincolata dalla pressione

di carica e scarica degli idruri metallici

Durante la fase di carica, il valore della pressione di idrogeno

impone il valore della temperatura di carica. Tale temperatura

deve essere superiore alla temperatura di fusione del materiale

PCM per consentire il flusso di calore dall’idruro al PCM

Al contrario, durante il desorbimento dell’idrogeno (scarica) la

temperatura dell’idruro metallico deve essere inferiore alla

temperatura di fusione del PCM

La temperatura di lavoro del PCM deve essere compresa tra le

temperature di absorbimento e di desorbimento dell’idrogeno

Tdes<Tm<Tabs

I PCM utilizzati nelle applicazioni industriali sono in genere

composizioni eutettiche di idrati, paraffine o sali che

possiedono elevate entalpie di fusione

IMPIEGO DEI MATERIALI PCM PER LA TERMOREGOLAZIONE DEI SISTEMI DI

STOCCAGGIO BASATI SULL’IDROGENO

Presso il laboratorio “Tecnologie Solari a Concentrazione e

Idrogeno da FER” sono in corso studi e ricerche sul processo

di termoregolazione delle bombole di idruri.

Queste attività, svolte su alcune bombole a idruri metallici in

dotazione al Laboratorio, perseguono lo scopo di

implementare la cinetica dei processi di carica e scarica di

bombole ad idruri metallici e si basano su diverse tipologie di

sistemi di termostatazione:

Bagno ad acqua

Bagno ad acqua contenente PCM

Miscele di PCM in polvere o pellet

PCM depositati su strati differenti

Stazione di prova per la

caratterizzazione delle bombole

Esempi di PCM- Phase Change Material

(Rubitherm)

RICERCHE SULL'ACCUMULO DELL’IDROGENO PRESSO

Sardegna Ricerche in collaborazione con DIMCM

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

A calore sensibile – “Sistemi a termoclino”

A calore Latente – Sistemi a “PCM” (Phase Change Materials)


Calore sensibile – “Sistemi a termoclino”

Sistemi di accumulo a termoclino in letti di materiale solido impaccato con fluidi

termovettori (HTF) gassosi

Studi sperimentali e numerici sulla formazione del termoclino e sulle prestazioni dei

sistemi di accumulo termico

Valutazione delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica

Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi di carica/scarica

Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI TES A TEMOCLINO

CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Impianto a circuito aperto con aria come HTF

Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF

Inverter

PID̴

400 V

Q

ScrewCompressor255 – 940 m3/h

CompressorControl Panel

HeaterControl Panel Electric Heater

70 kW, 25 - 300°C

Insulatedsteel tank

TQ PQ

Thermocouples

NI cDAQ

TD

TC

V1

V3

V2

Vent

Vent

PB

Impianto a circuito aperto con aria come HTF

Altezza e diametro del letto di materiale solido: 1.8 – 0.58 m

Materiale solido: sferette di allumina, diametro 7-9 mm

Capacità di accumulo: fino a 72 kWh

Potenza termica (in carica): fino a 70 kW

Temperatura massima dell’HTF: 300 °C

Pressione atmosferica

Sferette di allumina sinterizzata

Diametro:7-9 mm

Diametro interno del serbatoio: 0.58 m

Altezza del letto: fino a 1.8 m

“Rack” termocoppie

19 termocoppie di tipo “T” disposte sull’asse verticale

5 termocoppie di tipo “T” disposte lungo un raggio

15 termocoppie di tipo “K” disposte sulla parete esterna

Rack

termocoppie

Sono stati svolti studi sperimentali per indagare sull’influenza delle caratteristiche operative e

costruttive (portata massica di HTF, temperatura dell’HTF, “aspect ratio” del letto, ecc.) sulla

formazione del termoclino e sul comportamento del TES nel caso di cicli ripetuti di carica/scarica.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x/L

1/3 tch

2/3 tch

3/3 tch

3/3 tdisch

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

r/R

1/3 tch

2/3 tch

3/3 tch

3/3 tdisch

minmax

min

TT

TT

External

Wall

r/Rx/Lθθ

Charge

Discharge

BottomTop

Dimensionless temperature

Indicative of

the Useful

Energy

T=Tmin θ = 0

T=Tmax θ = 1

1/3

2/3 3/3

3/3

Gli studi sperimentali hanno evidenziato l’influenza della parete esterna del serbatoio sulla

distribuzione radiale di temperatura che incide sulla quantità di energia che può essere accumulata.

Questo aspetto è stato analizzato mediante modelli CFD 2-D and 3-D per una migliore previsione

del campo di temperatura del sistema e della sua evoluzione durante le fasi di carica/scarica.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fig. 4 Contour plots of tank temperature at interval of 1/5 of the overall time of charge


Altezza e diametro del letto: 0.9 – 0.30 m

Materiale solido: sferette di allumina, diametro 1.5-2.5 mm

Capacità di accumulo: fino a 5 kWh

Potenza termica (in carica): fino a 6 kW

Temperatura massima dell’HTF: 150 °C

Pressione massima dell’HTF: 5 bar

Diametro sferette:

1.5-2.5 mm 7-9 mm Compressore CO2

Diametro interno serbatoio: 0.30 m

Altezza del letto: fino a 0.90 m



Calore Latente – Sistemi con materiali a cambiamento di fase (PCM)

Scelta dei materiali (campo di temperatura di interesse, caratteristiche di fusione e solidificazione,

cicli termici, compatibilità con altri materiali, vita utile, etc.)

Sviluppo di sistemi di accumulo, attrezzature e dispositivi (analisi numerica, indagini sperimentali,

modelli di simulazione)

Valutazione del decadimento delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica

Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi in funzione del tipo di PCM e

dell’applicazione

Ottimizzazione delle prestazioni mediante tecniche di miglioramento dello scambio termico

Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi

Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”

Capacità di accumulo: ≈ 6 kWh

Temperatura di carica dell’HTF: 200 °C

Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C

PCM: Hydrochinone

Massa di PCM: 104 kg

Superficie di scambio termico: 2.49 m2

Lunghezza: 2.44 m

Diametro: 0.254 m

Numero di tubi: 17

Processo di carica Processo di scarica

Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”

Capacità di accumulo: ≈ 3 kWh

Temperatura di carica dell’HTF : 180 °C

Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C

PCM : Mannitol

Massa di PCM:

Caso 1: 23.4 kg

Caso 2: 23.4 kg

Caso 3: 22.8 kg

Superficie di scambio termico :

Caso 1: 0.077 m2

Caso 2: 0.568 m2

Caso 3: 0.730 m2

Case 1 Case 2 Case 3

Caso 1 – Doppio tubo

Caso 2 – Scambiatore “triplex”

Caso 3 – “triplex” con alette circolari

Caso 1 – Doppio tubo

Caso 2 – Scambiatore “triplex”

Caso 3 – “triplex” con alette circolari

Charge process Discharge process

Profili di temperatura


Evoluzione delle fasi – Processo di scarica

Zona rossa: PCM solido

Zona blu: PCM liquido

Evoluzione delle fasi – Processo di carica

Zona rossa: PCM solido

Zona blu: PCM liquido


Impianto di prova per la sperimentazione di sistemi di accumulo

termico a PCM ed altri sistemi di accumulo diretto indiretto

Potenza elettrica in carica (EH): fino a 40 kW

Potenza termica in scarica (CHE): 170 kW

Capacità di accumulo dei PCM-TES: fino a 300 kWh

Temperatura massima dell’HTF: fino a 350 °C

Impianto di prova per la sperimentazione di sistemi di accumulo

termico a PCM ed altri sistemi di accumulo diretto indiretto

Prototipo di accumulatore a PCM del tipo a “tubi e mantello”

Temperatura di fusione: 167 °C

Capacità di accumulo: 5.7 kWh

ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)

Modellazione, progetto, simulazione, previsione delle prestazioni e

ottimizzazione di:

Collettori solari e campi solari a concentrazione

Impianti motori a vapore per applicazioni CSP

Impianti motori a fluido organico (ORC) per applicazioni CSP

Integrazione di impianti CSP e impianti a combustibili fossili (incluse le CCS)

Accumulo dell’energia termica

Supporto tecnico-scientifico al progetto degli impianti CSP sperimentali nelle aree industriali di

Ottana, Villacidro e Tortolì (campo solare, motore termico e sistema di accumulo termico)

Supporto tecnico-scientifico alla sperimentazione e alla gestione dell’impianto CSP di Ottana

Impianto sperimentale di Ottana

Superficie di raccolta: 8.400 m2

Potenza termica del campo solare: 4.690 kWt

Accumulo termico: 14.7 MWh (2 serbatoi C/F)

Potenza del motore ORC: 600 kWe

Potenza del CPV: 400 kWe

Accumulo elettrico: batterie SoNick, 430 kWh

Cenni sull’accumulo dell’energia e stato dell’arte sull ...€¦ · Aria e altri gas...

Documents

Transcript of Cenni sull’accumulo dell’energia e stato dell’arte sull ...€¦ · Aria e altri gas...