Tecnica dell’energia

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Tecnica dell’energia

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Tecnica dell’energia. Filiera dell’energia. Estrazione/Raccolta Collettazione Pretrattamento :produzione di vettori energetici Accumulo Trasporto Accumulo Trasformazione (materia/forma dell’energia):produzione di vettori energetici Accumulo - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Tecnica  dell’energia

Tecnica dell’energia

Page 2: Tecnica  dell’energia

Filiera dell’energia• Estrazione/Raccolta• Collettazione• Pretrattamento :produzione di vettori energetici• Accumulo• Trasporto• Accumulo• Trasformazione (materia/forma

dell’energia):produzione di vettori energetici• Accumulo• Utilizzo (trasformazione finale nella forma utile)• Recupero/collocazione ambientale residui

Page 3: Tecnica  dell’energia

• imposto da: - la raccolta dalle strutture di produzione diffuse COLLETTAZIONE - la diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo

TRASPORTO - l’elevato frazionamento degli apparati d’uso finale DISTRIBUZIONE

TRASFERIMENTO DELL’ ENERGIA

Page 4: Tecnica  dell’energia

• trasportando materia in cui l’energia è accumulata (ad es. combustibili)

• trasmettendo l’energia senza trasferimento di materia (ad es. alberi rotanti, linee elettriche)

Il trasferimento dell’energia

può essere effettuato:

Page 5: Tecnica  dell’energia

energia contenuta nell’unità di massa

combustibili nucleari

combustibili fossili

10 6 10-61

accumulatorielettrochimici

condensatoriindustriali

kWh / kg

H2

Page 6: Tecnica  dell’energia

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

Page 7: Tecnica  dell’energia

confronto tra:

fonte rete elettrica

trasporto combustibile

trasmissione di energia elettrica

Page 8: Tecnica  dell’energia

Raggio d’azione

Distanza massima cui è economicamente conveniente trasportare la merce.

Dipende da:

- modalità di trasporto

- percorso possibile

- efficienza della trasmissione

Page 9: Tecnica  dell’energia

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.

Page 10: Tecnica  dell’energia

sistemi• Isolati

• Interconnessi :con rete fisicacon rete logistica

• Con accumulo • Senza accumulo

Page 11: Tecnica  dell’energia

CENTRALE CENTRALE

RETE DI RETE DI TRASMISSIONETRASMISSIONE

E INTERCONNES.E INTERCONNES.RETE DI RETE DI

DISTRIB.MTDISTRIB.MT

STAZIONE STAZIONE CABINA CABINA PRIMARIA PRIMARIA

CABINACABINAMT- BT MT- BT

RETE DI DISTRIB.BTRETE DI DISTRIB.BT

CARICOCARICO

RETE DI RETE DI DISTRIB.PRIMARIADISTRIB.PRIMARIA

Struttura di un grande sistema

Page 12: Tecnica  dell’energia

Schema di principio rete gas

AP MP BP BBP

sG

Page 13: Tecnica  dell’energia

Infrastrutture per il trasporto dell’energia elettrica e del gas

Page 14: Tecnica  dell’energia

Rete elettrica MT

Page 15: Tecnica  dell’energia

Rete gas MP

Page 16: Tecnica  dell’energia

conversioni

• Della forma dell’energia

•Del vettore

Page 17: Tecnica  dell’energia

Accumulo

Page 18: Tecnica  dell’energia

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.

Page 19: Tecnica  dell’energia

a2

a3

a1

f

Cm

Cem

Accumulo cinetico(esempio di accumulo intrinseco)

Page 20: Tecnica  dell’energia

p = = +m m 0

V

E’

0

m

m

m = 1p

r

+j

Equazione cinematica

Page 21: Tecnica  dell’energia

Jm m em = C - C

J

mm

m em = 1

P - P

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

Page 22: Tecnica  dell’energia

Esempi di configurazioni EV e HEV (HEV=ICE+EV)

EVs

HEVs

M

ICE GenSys

SHEV

ME ME

ICE

PHEV

M

Azionamento elettrico

En. Potenz. chimica

En. elettrica En. meccanica

Page 23: Tecnica  dell’energia

Gestione Flussi

energeticiRUOTA

MOTORE ELETTRICO

SISTEMA DI ACCUMULO (BATTERIE)

GENERATORE ELETTRICO

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

Potenza fornita dal Potenza fornita dal motore termico con la motore termico con la massima efficienzamassima efficienza

Po

ten

za f

orn

ita

Po

ten

za f

orn

ita

alla

alla

pro

pu

lsio

ne

pro

pu

lsio

ne

Potenza scambiata dall’azionamentoPotenza scambiata dall’azionamento

Po

ten

za f

orn

ita

Po

ten

za f

orn

ita

dal

lad

alla

pro

pu

lsio

ne

pro

pu

lsio

ne

tempotempo

Energia fornita dalle Energia fornita dalle batterie in batterie in accelerazioneaccelerazione

Energia generata in Energia generata in più per ricaricare le più per ricaricare le batteriebatterie

Energia recuperata in Energia recuperata in frenatura con motore frenatura con motore termico spentotermico spento

Page 24: Tecnica  dell’energia

0 50 100 150 200 250 300 3500

20

40

60

80

100

120

time [s]

Ve

loc

ità

[k

m/h

]

riferimentoeffettiva

Fase: Coasting

Fase: accelerazione

Fase: velocità costante

Fase: Frenatura

Profilo di missione elementare per l’automotrice ALn668

Page 25: Tecnica  dell’energia

0 50 100 150 200 250 300 350-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

time [s]

Po

ten

ze [

kW

]

Sistema Generazione

Accumulo Elettrochimico

Azionamento

Carichi Ausiliari

Fase: accelerazione

Fase: velocità costante

Fase: Coasting

Sosta iniziale

Fase: Frenatura

Sosta finale

L’energia per il moto è fornita dall’accumulo intrinseco

L’energia è fornita dall’accumulo strategio Ptenza scambiatadall’accumulo geionale

Page 26: Tecnica  dell’energia

Confronto dei consumi ed emissioni di una ALN668 ibrida e la stessa attualmente in esercizio su una tratta

reale: Firenze – Borgo S.Lorenzo - Faenza

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

Emissioni [g/km]

Consumo gasolio [kg/km]ALn668 ibrido ALn668 attuale*

0.39 0.48

Stato di carica batterie

*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.

Page 27: Tecnica  dell’energia

Layout ALN668 ibrida diesel

Tutto il POWER TRAIN è collocabile sottocassa, non impegna, quindi volume utile di trasporto.

Page 28: Tecnica  dell’energia

Ibridizzazione ALN668

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).

Vantaggi Svantaggi

Page 29: Tecnica  dell’energia

Attriti e servizi ausiliari di bordo

Produzione

Utilizzo

En. cinetica En. potenziale

Gestionecombustione

Minimo inquinamento

Gestionemoto

Gestionepotenza

Minimo consumo

Serbatoio Combustibile

AccumuloReversibile

Convert.

Convert.

Trasmiss .Frenatura

controllo accumulo convers . dissipaz .

Sistemi di propulsione ibridistrategico gestionale intrinseco

Stoccaggio

Page 30: Tecnica  dell’energia

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

Page 31: Tecnica  dell’energia

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

Page 32: Tecnica  dell’energia

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.

Page 33: Tecnica  dell’energia

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.

Page 34: Tecnica  dell’energia

Inserzione di un accumulo gestionale

• Sincronizzare sistemi di produzione e utilizzazione temporalmente asincroni.

• Le potenze in ingresso e in uscita possono essere di valore diverso: si conserva l’energia.

• Conseguenze del punto precedente:

- è possibile effettuare il down size della produzione

- è possibile scegliere il miglior punto di lavoro della produzione

- è possibile migliorare l’utilizzazione di una struttura

- è possibile effettuare il «livellamento dei prezzi»

Page 35: Tecnica  dell’energia

TENOLOGIE

Page 36: Tecnica  dell’energia

Accumulo di energia meccanica

• Pompaggio di acqua• Accumulo di aria compressa

• Volani (flywheels)

• Pompaggio di acqua• Accumulo di aria compressa

• Volani (flywheels)

Page 37: Tecnica  dell’energia

Pompaggio di acqua: esempi

Page 38: Tecnica  dell’energia

VANTAGGI

Alto rendimento

Relativamente bassi costi unitari di impianto

Tecnologia consolidata

SVANTAGGI

Difficoltà di localizzare siti adatti

Tempi lunghi di realizzazione

Possibile impatto ambientale

Page 39: Tecnica  dell’energia

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.

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.

Page 40: Tecnica  dell’energia

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.

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.

Page 41: Tecnica  dell’energia

VANTAGGI

Buon 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

Page 42: Tecnica  dell’energia

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.

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):

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.

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.

22222

2

1*

2

1*

2

1mvrmIEacc

Page 43: Tecnica  dell’energia

Volani (flywheels):

Page 44: Tecnica  dell’energia

Accumulo di energia termica: classificazione

Accumulo di energia termica

Calore sensibile Calore latente di transizione di fase Termochimico

LIquidi Solidi Solido-solido Solido-liquido Dissoluzione termica Reazioni chimiche

Acqua Rocce, cemento Composti inorganici Composti organici

Sali idratiParaffine e

acidi grassi

Page 45: Tecnica  dell’energia

Accumulo di energia termica

CALORE SENSIBILE x Unità di massaCALORE SENSIBILE x Unità di massa

12

2

1

TTCdTCQT

T

pp

CALORE LATENTE x Unità di massaCALORE LATENTE x Unità di massa

2

1

21

T

T

p

T

T

Tp

T

T

dTCHdTCQ

Page 46: Tecnica  dell’energia

Accumulo di energia termica: campi di applicazione

Campi di applicazioneLivello 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

Page 47: Tecnica  dell’energia

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.

Page 48: Tecnica  dell’energia

Accumulo del freddo: varie applicazioni industriali

Acqua fredda GhiaccioIce-on-CoilIce MakerSistemi a glicoleIce ballsGhiaccio incapsulatoSali eutettici

Page 49: Tecnica  dell’energia

Esempi di applicazioni industriali

Page 50: Tecnica  dell’energia

VANTAGGI

Aumento di rendimento degli impianti solari

Flessibilità di sistema

Uso di fonti rinnovabili

SVANTAGGI

Nuovi materiali

Materiali di contenimento

Scambiatori di calore e convertitori

Page 51: Tecnica  dell’energia

Accumulo di energia elettrica e/o magnetica

• Magneti superconduttori• Supercondensatori elettrochimici• Magneti superconduttori• Supercondensatori elettrochimici

Page 52: Tecnica  dell’energia

SMES (superconducting magnets energy storage)

Page 53: Tecnica  dell’energia

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: 22

1CV

Page 54: Tecnica  dell’energia

Schema di un supercondensatore a doppio strato

Page 55: Tecnica  dell’energia

Accumulo di energia chimica

• Accumulatori elettrochimici (batterie)• Il caso dell’idrogeno• Accumulatori elettrochimici (batterie)• Il caso dell’idrogeno

Page 56: Tecnica  dell’energia

Caratteristiche fondamentali delle batterie

1. Capacità2. Energia Specifica3. Densità di energia4. Potenza specifica5. Densità di potenza6. Tempo ed efficienza di ricarica 7. Vita ciclica8. Costo e disponibilità dei materiali

Page 57: Tecnica  dell’energia

I sistemi di accumulo elettrochimico

Accumulatori elettrochimici commerciali

• Piombo-acido• Nichel-cadmio• Nichel-idruri metallici

Accumulatori elettrochimici avanzati• Litio-ione• Litio metallo• Zebra

Page 58: Tecnica  dell’energia

Batterie

SODIO - ZOLFO

PIOMBO ACIDO

VANADIO REDOX FLOW

Page 59: Tecnica  dell’energia

Stato dell’arte dei sistemi di accumulo in batterie

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 100000Specific power (W/kg)

Spe

cifi

c en

ergy

(W

h/kg

)

Ultracapacitor

Pb

Li metal

NiCd

NiMH

Li ionNaNiC

P/E= 1 P/E= 10 P/E= 50

P/E= 100

Page 60: Tecnica  dell’energia

Accumulatori o supercondensatori?

500

1000

1500

2000

W/kg Wh/kg

10

20

30

40

50

60

70

0 0Batterie Pb Batterie NiMh Batterie Litio Supercondensatori

Potenza specifica

Energia specifica

Page 61: Tecnica  dell’energia

Confronto per applicazioni

Page 62: Tecnica  dell’energia

Confronto per contenuto energetico

Page 63: Tecnica  dell’energia

Confronto in termini di efficienza

Page 64: Tecnica  dell’energia

Confronto economico

Page 65: Tecnica  dell’energia

Confronto economico per ciclo

Page 66: Tecnica  dell’energia

L’accumulo dell’idrogeno

Page 67: Tecnica  dell’energia

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)

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)

Putroppo a 300 K e 1 atm, 1 Litro di idrogeno contiene soltanto:

10,7 kJ

(3 ordini di grandezza meno di quanto servirebbe)

Page 68: Tecnica  dell’energia

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

Page 69: Tecnica  dell’energia

0

100

200

300

400

500

600

700

MassaVolume

Massa 297 224 168 202 168 616 168 392 71

Volume 700 509 311 431 255 233 170 280 72

H2-gassoso @

250 bar

H2-gassoso @

345 bar

H2-gassoso @

690 bar

H2-liquido (<300 mm

dia)

H2-liquido (>540 mm

dia)

idruri metallici

AB5

idruri metallici al

MgReformer ICE

Volume e massa del sistema per accumulare 7 kg di H2 (circa 550 km autonomia) Volume e massa del sistema per accumulare 7 kg di H2 (circa 550 km autonomia)

Page 70: Tecnica  dell’energia

obiettivi

Obiettivo FreedomCAR

Alanati (futuro)

Materiali a base di C (2002)

H2 compresso (2002) 350-700 bar

Obiettivo Programma DoE

Idruri metallici

H2 compresso

Materiali abase di C

H2 liquido

Benzina

DieselIdruri chimici / Slurry organici

0,5 1 2 5 10 20

200

100

50

10

20

5

Obiettivo FreedomCAR

Alanati (futuro)

Materiali a base di C (2002)

H2 compresso (2002) 350-700 bar

Obiettivo Programma DoE

kg H2/m3

% peso H2

Page 71: Tecnica  dell’energia

Gestione energetica dell’accumulo

Page 72: Tecnica  dell’energia

Funzioni gestionali( esempio nel sistema elettrico)

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0.01 1000Potenza (MW)

Tempo (min)

Supercondens.

Batterieal Pb

Batterie a flusso

CAES Pompaggio

Batterie

al litio

0.1 1 10 100

Power quality

Regolazionedella

frequenza

Peak shaving

Differimento T&D

Load levelling

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0.01 1000Potenza (MW)

Tempo (min)

Supercondens.

Batterieal Pb

Batterie a flusso

CAES Pompaggio

Batterie

al litio

Supercondens.

Batterieal Pb

Batterie a flusso

CAES Pompaggio

Batterie

al litio

0.1 1 10 100

Power quality

Regolazionedella

frequenza

Peak shaving

Differimento T&D

Load levelling

0.1 1 10 100

Power quality

Regolazionedella

frequenza

Peak shaving

Differimento T&D

Load levelling

Page 73: Tecnica  dell’energia

Accumulo elettrostatico

+ C E V

R

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).

Wg = C V 2

L’energia erogata dal generatore per la carica:

L’energia immagazzinata nel condensatore:

Wc = ½ C V 2

L’efficienza di carica del condensatore: =Wc / Wg = ½

Page 74: Tecnica  dell’energia

Accumulo elettrostatico

Carica di un condensatore con generatore di corrente

+ I Ri C

V S1

S2 D

IC 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 quando:

Q = I = C V da cui = C V / I

Da cui:

L’efficienza di carica del condensatore è:

Wi = ½ C V2 t

Q I

IC

i

ppi

i

W

WWW

W

1

1 dove:

e

iii R

Vdt

R

tvW

3

2

0

2

IRV

CR ii 32

1

1

32

1

1

Se RiI molto maggiore di V il rendimento è prossimo ad 1

Page 75: Tecnica  dell’energia

Accumulo elettrochimico

+ E

R

g

g

E b

R b R u

S 1 S 2

I

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.

Wg = Eg I

L’energia erogata dal generatore per la carica:

L’energia immagazzinata nell’accumulatore:

Wb = Q Eb = I Eb

L’efficienza di carica dell’accumulatore: c=Wb / Wg = Eb / Eg

t

Q

Ib

I

Ib = I = (Eg-Eb)/(Rg+Rb)

Page 76: Tecnica  dell’energia

Accumulo elettrochimico

+ E

R

E b g

g R b

R u

S 1 S 2

I

Scarica di un accumulatore su un carico

L’energia immagazzinata precedentemente nella carica non può essere fornita completamente ad un carico.

Wb = Eb I L’energia erogata dall’accumulatore:

L’energia assorbita dal carico:

Wc = Ru I2 L’efficienza di scarica dell’accumulatore:

L’efficienza complessiva di carica-scarica dell’accumulatore: =c ∙s

u

bb

cs

RRW

W

1

1

Page 77: Tecnica  dell’energia

Accumulo elettrochimico

Carica di un accumulatore con generatore di corrente

+ I Ri S1

S2

D

Ib

E

b

R b

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 .

Wg = Wb + Rb I2

L’energia erogata dal generatore per la carica:

L’energia immagazzinata nel accumulatore:

Wb = Eb I

L’efficienza di carica dell’accumulatore: t

Q I

Ib

b

bg

bc

ERW

WI

1

1

L’efficienza di scarica invece non cambia.

Page 78: Tecnica  dell’energia

Potenza erogata [W] Energia erogata [Wh]

225 4,25

30,8 30,8

12,7 38,1

Andamento della energia erogata in scariche a potenza costante per un accumulatore al Piombo-Acido

Page 79: Tecnica  dell’energia

Requisiti fondamentali del sistema di accumulo

Short-term Long-termPower Assist

(bassa energia)Dual Mode (Alta

energia)Energia specifica al regime di scarica C/1(Wh/kg) (entro il range di Stato di Carica)

80-100 (C/3)

150-200 (C/3)

70 200

Potenza specifica di scarica [W/kg] (secondo profilo PNGV)

75 200 625 450

Tempo di ricarica, ore 6 3-6 NN NNEfficienza carica/scarica [%] (80% DOD)

75 80 90 88

Cicli vita (per un range di Stato di Carica definito)

600 1000 300.000 3750

Densità di energia (Wh/L) (entro il range di Stato di Carica)

130 300 65 115

Densità di potenza [W/L] (secondo profilo PNGV)

250 600 800 500

Costo totale del sistema batterie [$/kWh] (per 100.000 unità/anno)

150 100 1000 350

Puro elettrico Ibridi

Page 80: Tecnica  dell’energia

Interconnessione

Page 81: Tecnica  dell’energia

High pressure

Medium pressure

Low pressure

High voltage

Mediumvoltage

Low voltage

Areas covered by district heating

30MWt-500MWt up to 10km large grid

2

2-30MWt up to 1km medium grid

2

0.5-2MWt building local grid

Pressure reduction station

Power plant (cogeneration)

Electricity grid

Gas pipelines Power transformer

Interconnessione di reti energetiche

Page 82: Tecnica  dell’energia

82

Smart Grids

CHP

E

rete elettrica con obbligo di connessione di terzi

PCCint

PCCext

limiti di batteria

accumuloelettrico

gestionale

caricoelettrico

cogeneratore

generazioneel. "esterna"

da fonterinnovabile

caldaia diintegrazione

accumulotermico

gestionale

caricotermico

fonti

parte termica

parte elettrica

HP

generazioneel. "interna"

da fonterinnovabile

fonte

fossile

generazione di caloreda fonte rinnovabile

TT fonte

rinnovabileE

outdoor

indoorpompa

dicalore

Page 83: Tecnica  dell’energia

Interconnessione di reti per l’energia

• Maggiore capacità di gestione della domanda della risorsa

• Riduzione delle riserve

• Maggiore sicurezza della disponibilità della risorsa per l’utilizzatore finale

• Ridondanze impiantistiche

• Complessità

Vantaggi Svantaggi