Mario Conte Unità Tecnica “Tecnologie Avanzate per l’Energia e l’Industria”

ENEA/UTTEI/MC/11072011/ATI-ANIMP Milano

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Mario ConteUnità Tecnica “Tecnologie Avanzate per l’Energia e l’Industria”

Unità di Coordinamento “Sistemi di Accumulo dell’Energia”

Trasporto e Stoccaggio dell’Energia: Come diventare “Smart”Milano, 11 Luglio 2011

Lo stoccaggio dell’energia:potenzialità e prospettive


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Schema della presentazione

•Perché e come accumulare energia•Campi di applicazioneL’accumulo di

energia: principi e metodi

•Le funzioni principali•Criteri di scelta Opportunità per

l’accumulo nelle reti elettriche

•La R e S di sistemi al litio innovativi•Alcune esempi di applicazioni di accumulo

nelle reti elettricheLe attività sull’accumulo

all’ENEA

•Prospettive di applicazione•Le attività future

Conclusioni


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Cosa fa un sistema di accumulo?

Nella FORMA (energia chimica, elettrica, meccanica, termica…..)

Nel TEMPO di produzione/disponibilità da quello di uso

Nello SPAZIO (luogo di produzione e di utilizzo)

L’accumulo di energia consente di adattare efficientemente ed economicamente l’offerta e la domanda di energia


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I vantaggi dell’accumulo di energia

L’utilizzo dell’accumulo aggiunge flessibilità e qualità ai sistemi

energetici in funzione della posizione, dell’applicazione e delle prestazioni

richieste


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L’accumulo: una nuova “dimensione” nelle reti elettriche

5 Dimensioni della Catena Energetica Convenzionale

L’accumulo aggiunge una "Sesta Dimensione“ alle reti elettriche


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Come accumulare energia I metodi e/o le forme di energia

ENERGIA MECCANICA• Sistemi di pompaggio (energia potenziale)• Volani (energia cinetica)• Sistemi ad aria compressa (energia di compressione od elastica)

ENERGIA TERMICA• Serbatoi di acqua o pietre o acquiferi• Materiali a transizione di fase• Pompe di calore

ENERGIA ELETTRICA e ELETTROMAGNETICA•Supercondensatori•Magneti superconduttori

ENERGIA CHIMICA/ELETTROCHIMICA• Batterie• Idrogeno• Combustibili convenzionali e innovativi (biocombustibili, ammoniaca, ecc.)


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Come accumulare energiaCaratteristiche principali di alcuni tipi o metodi di accumulo

Tipo di accumulo Energia specifica kWh/kg

Densità di energia kWh/m3

COMBUSTIBILI FOSSILIOlio combustibileCarbone Legno secco

11.78.94.2

10270116702780

COMBUSTIBILI SINTETICI Idrogeno gassoso Idrogeno liquidoMetanoloEtanolo

33.333.35.87.8

2.78241747206110

ACCUMULO TERMICO (Bassa temperatura)Acqua (DT=60°C)Rocce (DT=60°C)Ferro (DT=60°C)

0.07≈0.01≈0.01

6927-112

64ACCUMULO TERMICO (Alta temperatura)

Rocce (DT=200°C)Ferro (DT=200°C)Sali (DT=200°C)

0.04≈0.03>0.08

119222>83

ACCUMULO MECCANICOPompaggio d’acqua Aria compressaVolani

0.0003---

0.06

0.284.228

ACCUMULO ELETTROCHIMICOBatterie al piomboBatterie nickel-cadmioBatterie avanzate

0.030.060.10

28-250≈97

>100


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Campi di applicazione

Reti elettriche convenzionali

Reti elettriche del futuro prossimo (con più fonti rinnovabili e gestione smart)

Trazione elettrica stradale

Elettronica di consumo


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L’accumulo nelle reti elettriche e per le fonti rinnovabili


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L’evoluzione delle reti elettriche verso soluzioni “Smart”

Ieri Oggi Domani

Fonte: IEA 2011


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Le possibili localizzazioni dell’ accumuloParti in rosso

Caratteristiche e funzioni variano con la posizione e l’applicazione


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Evoluzione dell’accumulo nelle reti elettriche

Batterie redox a flusso

Batterie avanzate

FC con accumulo di

idrogenoMicro SMES

Volani

Micro CAES

Dal pompaggio di acqua a…..


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Uso nelle reti elettriche


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Uso nelle reti elettriche

Fonte: EPRI 2008


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Le funzioni principali dei sistemi di accumulo

•Energy management•Generazione di picco•Load following•Livellamento del carico

Generazione

•Controllo della tensione•Power Quality (PQ)•Affidabilità di sistema

Trasmissione e distribuzione

•Adattamento tra produzione e carico•Controllo ed integrazione in rete•Riserva

Fonti rinnovabili

•Risposta in frequenza•Riserva rotante•Riserva in standby•Riserva a lungo termine

Servizi ausiliari


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


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CAES (compressed air energy storage)Principio di funzionamento

L’aria è compressa a pressioni molto alte (35-85 bar) in caverne sotterranee a basso costo e viene successivamente utilizzata per produrre potenza di picco, facendo espandere l’aria accumulata in una turbina.


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Volani (flywheels): esempi e ricerca


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


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Batterie

SODIO - ZOLFO

PIOMBO ACIDO VANADIO REDOX A FLUSSO

LITIO-IONE


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Batterie – esempi di applicazioni

Sodio - zolfo

LITIO-IONE


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Principali sistemi di accumulo dell’idrogeno

Sistemi di accumulo convenzionaliIdrogeno compresso

Serbatoi criogenici (dewar)

Combustibili liquidi (metanolo, etanolo, benzina, ecc.) con reformer

Sistemi di accumulo innovativiIdruri metallici

Composti chimici (reversibili ed irreversibili)

Nanostrutture di carbonioNanotubi

Grafite

Fullerene


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Grado di sviluppo ed applicazione di alcune tecnologie dell’accumulo di energia

Fonte: Sandia (modificato)

Tecnologia Potenza del sistema in MW

Costo Totale in $/kW

Energia in MWh Note

Batteria Pb Puerto Rico21 1184.25 14.10 In servizio dal

1992

Batteria Pb Chino10 1961 40 In servizio dal

1988

Batteria a flusso REGENESYS 15 1667 120 Stima progettuale

DS SMES 2 343 0.0007 Pre-serie

SMES x Puerto Rico 10 1963 0.10 Stima

Volano UPS 0.25 400 0.0011 Pre-serie

Bacino di pompaggio Piastra Edolo ENEL 1020 ND ND In servizio dal

1982


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Il mercato mondiale attuale dei sistemi di accumulo nelle reti elettriche

Fonte: Fraunhofer Institute

110.000 MW

440 CAES

365 Na-S 27 16 3 Pompaggio acqua 99%

Ni-Cd

Litio

Redox

35 Piombo


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Evoluzione del mercato mondiale dei sistemi di accumulo nelle reti elettriche

Fonte: Fraunhofer Institute


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Le attività dell’ENEA sui sistemi di accumulo

•Batterie (Litio)•Supercondensatori•Accumulo dell’idrogeno •Superconduttività – SMES•Interfaccia di gestione e controllo

Ricerca

•Progettazione di massima per le applicazioni

•Sviluppo di procedure di prova •Stazioni di prova•Dimostrazioni in scala da laboratorio ed

in scala relae

Studi e caratterizzazione


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Accumulo elettrochimico

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

sistemi di accumulo


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Accumulo elettrochimico per le reti elettriche

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


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Una batteria al litio per una funicolare

L’applicazione alla Funicolare di Bergamo Recupero dell’energia in frenata Livellamento del carico di potenza Riserva di energia e potenza in emergenza Una batteria completa da 100 kW and 17,5

kWh è stata progettata ed acquistata.


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Carro-ponte con l’aggiunta di un sistema di accumulo (supercondensatori) – Prove al banco

Il massimo risparmio ottenibile dall’aggiunta di un pacco di supercondensatori elettrochimici è stato

del 31% di energia elettrica rispetto al sistema senza supercondensatori.


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Laboratori di prova di sistemi di accumulo

Sistema di laboratori integrati Stazioni di prova per batterie fino a 450 V e

600 A. Stazione di prova per supercondensatori Camere climatiche per prova di componenti a

temperatura controllata (da -40 °C a +100 °C)Ciclatori per batterie

Camera climatica Stazione prova SCCiclatori per celle


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Conclusioni

L’accumulo di energia svolge un ruolo fondamentale nell’ottimizzazione e nell’utilizzo di fonti convenzionali e rinnovabili nelle reti elettriche

I metodi per accumulare energia sono molteplici ed implicano diversi aspetti scientifici e tecnologici, nonché economici, vantaggiosi per le reti elettriche (anche in ottica Smart Grids)

L’accumulo può risultare una risorsa energetica aggiuntiva pur non essendo un fonte di energia, perché consente di rendere disponibile l’energia dove, come e quando si vuole.

L’ENEA mette a disposizione risorse umane e strumentali ed un’esperienza ventennale per la ricerca, lo sviluppo, lo studio e la caratterizzazione di sistemi di accumulo per le diverse applicazioni.


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Per maggiori informazioni

Ringrazio per la cortese attenzione!!!

[email protected]

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