SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA Gianmario L. Arnulfi (Università di Udine)

Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

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SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA

Gianmario L. Arnulfi (Università di Udine)

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Si presenta una panoramica sui dispositivi di accumulo di energia, partendo dall'opportunità e dalla fattibilità del processo. Si segue un percorso che ha come guida le cinque classiche domande del giornalista “Chi? Dove? Quando? Come? Perché?”, sia pure in altro ordine di apparizione, più due caratteristiche dell’ingegnere “È fattibile? Conviene?”

La trattazione sull’accumulo è preceduta da una breve premessa sulla generazione (per meglio dire conversione) di energia.

Segue un elenco di tipologie di processi di accumulo e relativi dispositivi. Sono trattate con maggior dettaglio le due tipologie di impianto che permettono l’accumulo di grandi quantità di energia: quella, consolidata e abbastanza diffusa, del pompaggio d’acqua e quella, rarissima ma provata da decenni di funzionamento senza inconvenienti, della compressione d’aria.

Concludono la trattazione alcune considerazioni sulla eventuale convenienza della pratica dell’accumulo da diversi punti di vista: economico, energetico, ambientale, politico, anche in considerazione dell’alternativa all’accumulo stesso.

Segue un’appendice sull’unità di misura.

L’autore ha svolto attività scientifica sui dispositivi contrassegnati da una stellina accanto al numero di pagina.


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SISTEMI PER

L’ACCUMULO DI ENERGIA

Gianmario L. Arnulfi - Università di Udine Perché?

Quando?

È possibile?

Come?

Dove?

Conviene?

Chi?


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COME SI “PRODUCE” L’ENERGIA

Quasi tutta l’energia elettrica è prodotta da gruppi turbina-alternatore.

Il fluido (acqua, aria, vapore o gas) entra a contenuto energetico alto ed esce a basso.

Parte dell’energia sottratta al fluido è convertita dalla turbina in lavoro all’albero.

Parte del lavoro è a sua volta convertito dall’alternatore in energia elettrica.

La doppia conversione è necessaria per il trasporto a grandi distanze.


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PERCHÉ E QUANDO ACCUMULARE

La domanda varia in modo abbastanza prevedibile.

L’offerta è modulabile: centrali di base e di punta.

L’opportunità di accumulo è da valutare.


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PROSPETTIVE

Generazione distribuita– reti– sistemi isolati– impianti

“accoppiati”

Fonti rinnovabili stocastiche– eolico– solare

Impianti non-stop– carbone– uranio


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DISPOSITIVI DI ACCUMULO

Chimico– elettrolisi batteria– “estrazione”+ossidazione idrogeno

Elettrico magneti superconduttori

Termico– caldo geotermia, matrici

porose– freddo aria ingresso turbina

Meccanico– cinetico volano– gravitazionale pompaggio– elastico gas compresso


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ACCUMULO CHIMICO

Batteria al piombo

Batteria alcalina

Aeromotore isolato

Energia 1 GJ

Potenza 1 MW

Rendimento

90 %

Periodo 10 h

Costo 30 k€

2 Ni(OH)2 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe(OH)2 2 Ni(OH)3 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe + E

2 Ni(OH)2 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe(OH)2 2 Ni(OH)3 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe + E

PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb 2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E

PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb 2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E


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“ACCUMULO” A IDROGENO

L’idrogeno è diffuso in natura.

Sulla terra esiste in natura solo “combinato” (H2O, CH4…)

La sua “estrazione” è costosa– economicamente– energeticamente

H + sole/vento = 100% ecologico

Carica (ore vuote) = estrazione– idrocarburi (reforming)– acqua (elettrolisi)

Immagazzinamento– gas (4-20 MPa, 288 K)– liquido (100 kPa, 20 K)

Trasporto– bombole– gasdotto

Scarica (ore piene) – combustione pulita– conversione diretta

(celle a combustibile)


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ACCUMULO ELETTRICO

Induttori e Condensatori

Magneti superconduttivi– Minime perdite– Ni Ti– He liquido T < 4 K

Supercoducting Magnetic Energy Storage

22

22 VCE

ILE 22

22 VCE

ILE


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ACCUMULO TERMICO

Sali eutettici

Sfere criogene

Sonde geotermiche

Pompe di calore geotermiche

latente

sensibile

qm

TTcmE if

latente

sensibile

qm

TTcmE if


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ACCUMULO TERMICO – CRIOGENICO

Ritorno economico– scarso– rapido

Thermal Energy Storage gas Turbine Inlet Air Cooling

Energia 30 GJ

Potenza 1 MW

Rendimento

103 %

Periodo1

giorno

Costo 200 k€


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ACCUMULO CINETICO

Volani di “regolarizzazione”– cuscinetti a sfere– periodo = 1 s – alte perdite d’energia

Volani di “accumulo”– resine epossidiche +

vetro– sospensione magnetica– vuoto criogenico (1

mPa)– basse perdite d’energia– tecnologia non matura

82

22 DmJJE

82

22 DmJJE


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ACCUMULATORI A VOLANO

Attualmente esistono solo prototipi (es. gruppo di continuità).

Esiste uno studio per un volano ∅ 6 m.

Energia 36 MJ

Potenza 3 kW

Rendimento

99 %

Periodo 10 min

Costo ?


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ACCUMULO GRAVITAZIONALE

Maglio a gravità (berta)

Impianti idraulici di pompaggio


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IMPIANTI DI POMPAGGIO

Una centrale idroelettrica a bacino “modificata”.

Attualmente è l’unica tecnologia significativa per l’accumulo di grandi quantità d’energia.

Italia– 7,6 GW– 20

PJ/anno

Energia 10 GJ

Potenza 250 MW

Rendimento

70 %

Periodo1

giorno

1 anno

Costo 250 M€


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TIPOLOGIE DI POMPAGGIO

Configurazioni– quaternario– ternario (rendimento,

inversione)– binario (costo)

Classificazione– gronda (2 bacini inferiori)– puro– misto (reintegro > 5%)

Esempi– Fadalto (BL) ternario misto– Presenzano (CS) binario puro


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POMPAGGIO A BASSO SALTO

Costi molto minori

Impianti ex novo

“Densità energetica” bassa

Impatto ambientale alto

Maree artificiali (accumulo):– nessun impianto oggi

Maree naturali:– Rance (F)

Energia 5 GJ

Potenza 240

MW

Rendimento

66 %

Periodo 1 giorno

Costo ?


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ACCUMULO ELASTICO

Molla metallica

Molla pneumatica

Aria compressa

2

2xkE

2

2xkE


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ACCUMULO AD ARIA COMPRESSA

Carica: un compressore insuffla aria in un “serbatoio”.

Scarica: il gas* espande in turbina verso l’atmosfera.

Bisogna riscaldare l’aria prima di espanderla, es. mediante combustione interna (gas*).Compressed Air Energy Storage

“Serbatoio”– caverna rocciosa– giacimento esaurito

HC– miniera esaurita

NaCl– caverna porosa– falda


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IMPIANTI DI ACCUMULO AD ARIA

Impianti– Huntorf (Sassonia

D) 1978– McIntosh (Alabama

USA) 1992D USA

Energia 2 10 TJ

Potenza (carica)

60 60 MW

Potenza (scarica)

290 110 MW

Rendimento 66 78? %

Periodo1 1

giorno

Costo 200 ? ? M€


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IMPANTI A PRESSIONE COMPENSATA

Le turbomacchine lavorano male in condizioni fuori-progetto.

Mettere in comunicazione il ”serbatoio” con un “lago” limita le oscillazioni di pressione.

Il “serbatoio” deve essere molto profondo.


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USO DELLE FALDE ACQUIFERE

Accumulo di gas (CH4) in falda: tecnologia matura ma con periodo 1 anno.

Roccia sollecitata a fatica con periodo 1 giorno: da studiare.

Attacco e sottrazione dell’ossigeno: da valutare.

Effetto Champagne.


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CONVENIENZA

Economica– impianti molto

costosi– differenza prezzo

energia ore piene-vuote

– pareggio “lontano”

Energetica– perdite A / R– maggiori rendimenti

dei restanti impianti

Ambientale– rilevante impatto

sul sito– nulli o quasi i gas

tossici e gas serra

Politica economica– diversificazione

fonti– import\export

energetico


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ALTERNATIVA ALL’ACCUMULO

Base + Accumulo = PuntaBase + Accumulo = Punta


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CHI

Accumulo idraulico– ritorno a lungo

termine– rischio economico

Accumulo ad aria– tecnologia non

matura– rischio tecnico


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CONCLUSIONI

Accumulare grandi quantità di energia è possibile.

La scelta del sito è imposta, ma la disponibilità sembra vasta.

L’impatto ambientale è forte, nel bene e nel male.

L’accumulo può portare a un uso più razionale delle fonti.

La convenienza economica è da valutare.

Attualmente sembra esserci un rinnovato interesse.


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UNITÀ DI MISURA

1 J = 1 W s = 1/3600 W h

1 TEP = 10 000 000 kcal

1 kcal = 4187 J

1 J = 1/4187 kcal

1 J = 0,000 278 W h

1 J = 0,000 239 kcal

1 J = 0, 000 000 000 023 883 TEP

dtPE dtPE

hWhW hWhW

k 1 000

M 1 000 000

G 1 000 000 000

T 1 000 000 000 000

P 1 000 000 000 000 000


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FORMULE

dt

dV

C

Idt

dI

L

Vdt

d

J

Mdt

dv

m

F

2

2

2

2

2

2

2

2

VCE

ILE

JE

vmE

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