GESTIONE OPERATIVA

Conduzione di un sistema.

GESTIONE

PRODUZIONE UTILIZZAZIONEFLUSSODI PRODOTTO

FLUSSO DI INFORMAZIONE

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema

• Per mantenere l’equilibrio tra la produzione e l’utilizzazione si possono adottare due principali obiettivi di gestione:

• - l’inseguimento della domanda

• - l’inseguimento della produzione

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema

• Sistemi con possibilità di accumulo del prodotto

• Sistemi senza possibilità di accumulo del prodotto

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un sistema

• La gestione, comunque, comporta la disponibilità dell’informazione :

• - nei sistemi con accumulo può essere non in linea

• - nei sistemi senza accumulo deve essere in linea

IL SISTEMA ELETTRICO

Un esempio di sistema gestito “in linea”, cioè senza accumulo di

prodotto

ENERGIA ELETTRICA

L’energia elettrica è un bene immateriale la cui disponibilità ed utilizzazione si estrinseca nel vettore elettrico con cui è resa accessibile all’utilizzatore.

Il vettore elettrico

• Terna simmetrica di tensioni

• variabili nel tempo sinusoidalmente

• a frequenza costante

• a modulo costante

• Modalità di distribuzione : in derivazione.

Nei sistemi elettrici per l’energia è prevalentemente utilizzato un vettore definito come :

Obiettivo di un sistema elettrico di potenza

• Trasferire la potenza attiva dagli apparati produttori a quelli utilizzatori mantenendo l’equilibrio e la qualità del vettore

Trasferimento della potenza

R

R i

EV

Trasferimento della potenza da un generatore di tensione a una resistenza

P = RI2= R(E/(R i + R))2

POTENZA MASSIMAPMAX quando R i = R

EFFICIENZA DI TRASFERIMENTO

= (RI2)/(EI) = 1/(1+Ri/R)

P

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 20 40 60 80 100 120

M

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 20 40 60 80 100 120

Potenza trasferita alla resistenza R

Efficienza di trasferimento

Trasferimento della potenza da un generatore di tensione a una resistenza

= VR i = 1R [0,100]

R

I

IV

Trasferimento della potenza da un generatore di corrente a una resistenza

P = RI2

La potenza trasferita è proporzionalealla resistenza

Trasferimento della potenza tra generatori di tensione

R

P = VI = (EV/Ri) – (V2/Ri)

Con I = ( E-V)/Ri

E = V

P

E

R i

E

V = ER

P

Trasferimento della potenza da un generatore di corrente ad uno di tensione

P = VI

La potenza trasferita è proporzionale alla corrente: condizione ideale

R

I

IV = ER

P

Trasferimento della potenza in un sistema in c.a. trifase

GENERATORE TRIFASE

C,

VfV3

IfI1

I3V1

È un sistema a due porte di potenza : una meccanica e l’altra elettrica.Può presentare una porta di controllo elettrica (eccitazione)

Schema di principio di un generatore elettromeccanico

CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFASE IN REGIME PERMANENTE

jXsI

I

VE

Ipotesi di comportamento lineare e non dissipativo della macchina

EV

I

Xs

CALCOLO DELLE POTENZE SCAMBIATE ALLA PORTA ELETTRICA

N = 3V I = 3VV -EjX

=

= 3V V - V E

-jX =

- 3V E sin

X+3j

V - V E cos

X

*

s

* *

s

s s

*

2

ESPRESSIONE DELLE POTENZE E DELLA COPPIA

Potenza attiva:

Potenza reattiva:

Coppia:

P = - 3V E sin

Xs

Q = 3V - V E cos

Xs

2

C = -3V E sin

Xs

-3 3

0

Coppia

angolo

motore

generatore

Caratteristica Meccanica

Per la macchina non dissipativa rappresenta anche la potenza attiva scambiata alle porte

Stato di un sistema

• Lo stato di un sistema è la condizione fisica in cui si trova ad un dato tempo ed è descrivibile mediante il valore assunto da un insieme di grandezze atte a definire il funzionamento del sistema stesso .

Stati di un sistema elettrico

Funzionamento a regime

• Il funzionamento a regime è un particolare stato del sistema elettrico la cui condizione fisica è statica e definibile attraverso il valore di alcune grandezze elettriche in grado di descrivere, mediante un opportuno sistema di equazioni algebriche, il bilanciamento delle potenze e l’equilibrio elettrico circuitale del sistema stesso.

GESTIONE

• Il mantenimento di un sistema elettrico per l’energia in condizioni di regime sicuro è oggetto della gestione tecnica che, per questo specifico fine, opera secondo il seguente obiettivo: mantenere istante per istante l’equilibrio tra la potenza prodotta e quella utilizzata (comprensiva delle perdite nel trasporto e nella distribuzione) nel rispetto dei vincoli di qualità.

• In generale, in un sistema elettrico per l’energia, gli assetti produttivi e di rete in grado di soddisfare questo obiettivo della gestione tecnica sono plurimi : la scelta del “migliore” è oggetto della gestione economica del sistema stesso.

L’equilibrio della potenza attiva

in un sistema elettrico

in regime lentamente variabile

Ad esempio : se c’è una variazione di potenza assorbita dall’utenza

• non vi è più equilibrio tra coppia meccanica all’asse dei generatori sincroni e coppia elettromagnetica sviluppata;

• per cui i rotori delle macchine sincrone accelerano o decelerano in funzione del decremento o incremento della potenza assorbita dai carichi.

a2

a3

a1

f

Cm

Cem

UNA VARIAZIONE DI POTENZA ASSORBITA DA UN CARICO

PROVOCA :

• una variazione di velocità dei generatori e quindi una variazione di frequenza della rete da essi alimentata.

• la variazione di frequenza è quindi l’informazione che non c’è l’equilibrio tra la potenza richiesta e quella prodotta.

LA VARIAZIONE DI POTENZA ASSORBITA DAI CARICHI PUO’ ESSERE:

• Lenta, per effetto delle usuali variazioni del diagramma di carico nell’arco della giornata;

• Molto rapida (in tempi dell’ordine di qualche decina di millisecondi); ciò avviene quando si verifica un guasto nella rete.

VARIAZIONE LENTA DI POTENZA ASSORBITA DAI CARICHI

• Dovrà essere compensata dall’intervento del sistema di regolazione della potenza meccanica col compito di riequilibrarla al fine di mantenere costante la velocità del rotore e quindi la frequenza.

VARIAZIONE RAPIDA DELLA POTENZA ASSORBITA DAI CARICHI

• E’ in genere dovuta a guasti come si è già detto; in tal caso non vi è possibilità di intervento da parte del sistema di regolazione della potenza meccanica proprio per la rapidità della variazione di potenza.

• Il fenomeno è molto severo e può provocare la perdita del “passo” (sincronismo) dei generatori sincroni con conseguente perdita della potenza da essi generata.

Sistema elettrico in c.a. in regime lentamente variabile

• La frequenza si può ritenere costante in tutto il sistema e costituisce l’informazione sullo stato di equilibrio disponibile in ogni punto del sistema;

• Si può utilizzare per lo studio il modello “bus bar”, cioè un sistema costituito da una sbarra a frequenza costante cui vengono collegati generatori, carichi e l’equivalente delle perdite di rete .

MODELLO “BUS BAR”

generatori

carichi edequivalente delle perdite di rete

La potenza assorbita da un carico aggregato (utenza, domanda)

• è indipendente dalla frequenza per la maggior parte dei carichi resistivi (illuminazione a incandescenza, riscaldatori a resistenza), per i dispositivi con stadio di ingresso raddrizzatore,

• è fortemente dipendente dalla frequenza per i carichi motore poiché cresce con la velocità (talvolta addirittura con il cubo della velocità),

• è dipendente dalla frequenza la potenza delle perdite (specialmente quelle nel ferro)

CARATTERISTICA FREQUENZA - POTENZADI UN CARICO AGGREGATO

52

48

50

f (Hz)

P

valore nominaledel carico

P= KpV f

Si consideri una variazione del carico da C1 a C2 (alla frequenza di riferimento) senza variare la potenza generata :

52

46

50

f (Hz)

P

C2 C1= Pg

54

48

Frequenza di riferimento

Equilibrio in condizioni di non regolazione dellapotenza generata

il sistema raggiunge un punto di equilibrio ad una frequenza diversa da quella di riferimento.

Sistema “autoregolante”

Caratteristica del generatore

CARATTERISTICA FREQUENZA POTENZA SEMPLIFICATA DI UN

CARICO

fn

f

PCn

P = K fc

Linearizzazione della caratteristica del caricoin un intorno piccolo della frequenza di riferimento

ENERGIA REGOLANTE DEL CARICO

• La costante Kc ha le dimensioni di una

energia e viene chiamata “energia

regolante del carico”. Essa definisce la

pendenza della caratteristica potenza

frequenza del carico.

OSSERVAZIONE

• Le variazioni di frequenza che si hanno quando il carico nominale cambia in assenza di altri tipi di regolazione, sono inaccettabili.

• E’ necessario quindi ricorrere ad una regolazione della potenza generata.

REGOLAZIONE PRIMARIA

Il regolatore della potenza del generatore deve:

incrementare o decrementare la potenza meccanica

quando

diminuisce o aumenta la velocità del generatore.

Condotta forzata

spina

Turbina (Pelton)

Regolatore di Watt

STRUTTURA DEL REGOLATORE

rif

m

contr. attuat. inerzia

C

Pg

rete

+

+

-

-

STRUTTURA GENERALE DEL REGOLATORE DI FREQUENZA

C

Pg

rete

++

-

-

f

frif =01/JsC(s)

In condizioni di regime vale:

P = - C(0) fg

LEGAME FREQUENZA-POTENZA IN CONDIZIONI DI REGIME

Pn P

f

f0 P = - C(0) fg

fn

Caratteristica esterna del generatore

ENERGIA REGOLANTE DEL GENERATORE

• La costante C(0) che chiameremo Kg

ha le dimensioni di una energia e viene chiamata “energia regolante del generatore” in assonanza a quanto già definito per un carico. Essa definisce la pendenza della caratteristica potenza frequenza del generatore.

STATISMO

• La pendenza della caratteristica frequenza potenza del generatore viene data anche attraverso lo “statismo” definito come:

la variazione relativa di frequenza tra il funzionamento a vuoto ed il funzionamento alla potenza nominale.

s = f - f

f0 n

0

ESEMPIO

Sistema “isolato” costituito da un generatore ed un carico

VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA AD UNA VARIAZIONE DI CARICO

P’g

P

f’

fn

f

C’n

Cn=Pg,n

Caratteristica del generatorenon regolato

Equilibrio del sistema non regolato

Cn

Kcf

f

Kgf = Pg

C = K +K fn g c

Contributi alla regolazione

Contributodel carico

Conrtibutodel generatore

ENERGIA REGOLANTE DELLA RETE

• La somma delle energie regolanti del carico “Kc” e del generatore “Kg” viene indicata con “Kr” e viene chiamata “energia regolante della rete” che può essere definita come la variazione di carico nominale dovuta alla variazione unitaria di frequenza della rete.

OSSERVAZIONE

• La variazione di frequenza risulta quindi inversamente proporzionale all’energia regolante della rete.

OSSERVAZIONE

• Per diminuire la variazione di frequenza dovuta ad una variazione di carico sarebbe quindi opportuno aumentare l’energia regolante della rete : poichè l’energia regolante del carico non è facilmente modificabile, si preferisce incrementare l’energia regolante del generatore.

• Ciò tuttavia può dar luogo a problemi di stabilità del sistema o almeno a risposte dinamiche inaccettabili.

SISTEMA CON PIU’ GENERATORI OGNUNO DEI QUALI E’ DOTATO

DI SOLA REGOLAZIONE PRIMARIA

REGOLATORI DI FREQUENZA

C2

P2g

rete

+ f2

f2rif =01/J2sC2(s)

C1(s) 1/J1s

C1f1rif =0

P1gf1

-

-

-

-

+

+

+

VARIAZIONI DEI VALORI DELLE GRANDEZZE f e P ALL’EQUILIBRIO IN

CONDIZIONI DI REGIME

f = f = f1 2

P = C (0) f

P = C (0) f

1g 1

2g 2

P = P + P =

= C (0) + C (0) f

g 1g 2g

1 2

Frequenza unica nel sistema a regime

Ripartizione delle potenze di regolazione

Potenzaregolante

CARETTERISTICA EQUIVALENTE f-P DI UN GRUPPO DI GENERATORI

f

Ptg

P

fn

P2gP1g

N.B. per costruire la caratteristicasi sommano le potenze a pari frequenza

Equivalente gruppo

LA REGOLAZIONE SECONDARIA

EFFETTO DI UN SEGNALE DI RIFERIMENTO NON NULLO DI REGOLAZIONE SECONDARIA

C

Pg

rete

++

-

-

f

frif 01/JsC(s)

P = - C(0) f + C(0) f

P = - K f + K f

g rif

g g g rif

In condizioni di regime vale:

EFFETTO DI UN SEGNALE DI RIFERIMENTO NON NULLO DI REGOLAZIONE SECONDARIA

f

P

Kgfrif

frif 0

frif 0

EFFETTO DELA VARIAZIONE DEL SEGNALE DI RIFERIMENTO DEL REGOLATORE DI

FREQUENZA IN UN SISTEMA ISOLATO

P

f

fn

Kgfrif

(frif negativo)

LA VARIAZIONE DELLA FREQUENZA DI RIFERIMENTO PRODUCE SOLO UNA

VARIAZIONE DELLA POTENZA GENERATA E NON DELLA FREQUENZA

P

f

fn

Generatore chiuso su rete prevalente (potenza infinita, frequenza costante, energia regolante del carico infinita)

SI HA SOLO UNA VARIAZIONE DELLA FREQUENZA E NON DELLA POTENZA

GENERATA

P

f

fn

Generatore chiuso su carico indipendente dalla frequenza (energia regolante del carico nulla).

LA REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA IN UNA RETE CON PIU’ GENERATORI

• E’ affidata ad un regolatore centrale che sulla base di una misura della frequenza di rete ripartisce la potenza da generare tra le diverse centrali secondo criteri predeterminati (ad esempio un criterio di ottimo economico).

P2el

P2m

rete

+ f2

f2rif

1/J2sC2(s)

C1(s) 1/J1s

P1el

f1rif P1m

f

-

-

-

-

+

+

+

f1

controll.centrale

sistema locale

sistema locale

C

IL REGOLATORE CENTRALE PROVVEDE:

• alla ripartizione del carico tra i diversi generatori mediante segnali da inviare ai regolatori locali;

• all’aggiustamento della frequenza al valore nominale di esercizio mediante una azione integrale che incrementa (o decrementa) i segnali da inviare ai regolatori locali fino a che l’errore di frequenza non diventa nullo.

STRUTTURA DEL SISTEMA DI REGOLAZIONE DELLA POTENZA ATTIVA

controllore di rete aree

centrali di generazione

segnale erroredi frequenza

duck country

mouse country cat country

REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA ATTIVA TRA PIU’ AREE DI GENERAZIONE E

CARICO TRA LORO INTERCONNESSE

mouse country duck country cat country

regolatore unicodi rete

segnale erroredi frequenza

LA REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA IN TUTTE LE AREE INTERCONNESSE PUO’ ESSERE EFFETTUATA ATTRAVERSO

UN UNICO REGOLATORE DI RETE AL MASSIMO LIVELLO GERARCHICO

A QUESTO TIPO DI SOLUZIONE SI OPPONGONO SPESSO RAGIONI CHE NON SONO DI ORDINE TECNICO MA DI AUTONOMIA DELLE AZIENDE PRODUTTRICI DELLE SINGOLE AREE.

REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA ATTIVA TRA PIU’ AREE DI GENERAZIONE E

CARICO TRA LORO INTERCONNESSE

• Si preferisce procedere attraverso regolatori di area tra loro indipendenti ciascuno dei quali agisce con l’obiettivo: generazione e carico, nella propria area, siano in equilibrio, a meno di assorbimenti (o erogazioni) da (o verso) altre aree previsti da norme contrattuali.

• Occorre la conoscenza della potenza scambiata con le altre aree (Ps)

• Una valutazione dell’ulteriore potenza necessaria ad equilibrare il carico dell’area interessata se la frequenza è diversa da quella nominale

CALCOLO DELLA POTENZA DA GENERARE IN UNA DETERMINATA AREA PER IL RIEQUILIBRIO

POTENZA GENERATA-CARICO

• Assunta positiva la potenza Ps se entrante e proveniente da altre aree, la produzione aggiuntiva di potenza dovrà essere:

P = P - K fg s R

• deve essere ripartita secondo i criteri prestabiliti dal regolatore centrale tra i diversi generatori prestabiliti (mediante criteri economici di mercato o criteri tecnici di capability) in regolazione secondaria;

• il regolatore centrale quindi invierà i segnali di regolazione secondaria alle diverse centrali.

Produzione da generazione distribuita

• Per generazione distribuita si intende l’insieme di generatori (generalmente di potenza inferiore ai 20 MW) di norma collegati alle reti di distribuzione a media e bassa tensione che possono essere parte dei sistemi di utenza ( autoproduzione) o “dedicati alla rete”.

• Su una rete di grandi dimensioni questa produzione non partecipa alla regolazione ed è considerata alla stregua di “carico negativo”, cioè è accettata in rete ( per motivi energetici) ma il resto della produzione del sistema deve regolare per mantenere l’equilibrio.

Equilibrio dei sistemi in presenza con accumulo

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.

ESEMPIO DI SITEMA CON ACCUMULO

IL VEICOLO IBRIDO

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

En. chimica (elettrostatica)

En. elettrica En. meccanica

EVs

HEVs

M

ICE GenSys

SHEV

ME ME

ICE

PHEV

M

Azionamento elettrico

Attriti

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

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

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

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

Il moto è alimentato dall’accumulo intrinseco

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.

Veicoli interessati alla trasformazione

Automotrice Leggera NaftaALN668Trasporto regionale

1. Ibridizzazione con motore termico (ICE)

2. Ibridizzazione con ICE e Fuel Cell (FC)

Locomotore di Manovra D141

Operazione smistamento

Ibridizzazione con generatore a Fuel Cell

Automotrice ALN668 ibrida con motore termico a ciclo diesel

POWER TRAIN OTTIMIZZATO oggetto della fattibilità• Gruppo elettrogeno con motore termico IVECO 260kW;• Accumulo elettrochimico Na-NiCl2 (ZEBRA) 285 kWh

(sostituzione del pacco ogni due anni circa);• Azionamenti elettrici con motore asincrono a velocità variabile da

160kW ciascuno.

Layout ALN668 ibrida diesel

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

Automotrice ALN668 ibrida con motore termico a ciclo diesel e generatore a Fuel Cell

POWER TRAIN • Fuel Cell system 60kW;• Serbatoio di idrogeno bombole a 350bar;• Autonomia 300km;• Gruppo elettrogeno con motore termico IVECO 180kW;• Accumulo elettrochimico Na-NiCl2 (ZEBRA) 285kW;• Azionamenti elettrici con motore asincrono a velocità variabile da

160kW ciascuno.

Emissioni [g/km]

NOx 6.8

HC 0.01

CO 0.17

CO2 930

PM 0.01

Consumi [kg/km]

gasolio 0.30

idrogeno 0.06

Consumi ed emissioni

Layout ALN668 ibrida diesel – fuel cell

Tutto il POWER TRAIN è collocabile sottocassa, non impegna, quindi volume utile di trasporto. Le bombole di idrogeno sono situate sull’imperiale.

Locomotore di Manovra D141 ibrido a Fuel Cell

POWER TRAIN • Fuel Cell system 240kW;• Serbatoio di idrogeno bombole a 350bar;• Autonomia di almeno 10 ore giornaliere;• Accumulo elettrochimico Pb (Fiamm) 350kWh;• Convertitore Azionamento: Chopper.

Consumo [kg/h]

idrogeno 15

Layout D141 ibrida fuel cell

Tutto il POWER TRAIN è collocabile nel sottocassa, nel cofano anteriore e in quello posteriore.Il reostato di frenatura è collocato sul tetto di cabina comando.

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

TENOLOGIE PER L’ACCUMULO DI ENERGIA

Accumulo di energia meccanica

• Pompaggio di acqua• Accumulo di aria compressa

• Volani (flywheels)

• Pompaggio di acqua• Accumulo di aria compressa

• Volani (flywheels)

Pompaggio di acqua: esempi

VANTAGGI

Alto rendimento

Relativamente bassi costi unitari di impianto

Tecnologia consolidata

SVANTAGGI

Difficoltà di localizzare siti adatti

Tempi lunghi di realizzazione

Possibile impatto ambientale

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.

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.

VANTAGGI

Alto 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

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

Volani (flywheels):

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

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

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

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.

Accumulo del freddo: varie applicazioni industriali

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

Esempi di applicazioni industriali

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

Accumulo di energia elettrica e/o magnetica

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

SMES (superconducting magnets energy storage)

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

Schema di un supercondensatore a doppio strato

Accumulo di energia chimica

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

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

I sistemi di accumulo elettrochimico

Accumulatori elettrochimici commerciali

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

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

Batterie

SODIO - ZOLFO

PIOMBO ACIDO

VANADIO REDOX FLOW

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

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

Stato della tecnologia

Sistema di accumulo Stato di sviluppo Batteries Lead-acid batteries are commercially available and widely used. Research is

ongoing for advanced batteries.

Flywheels Flywheels are commercially available as individual products or integrated with prime movers such as engines. Significant research is also underway to develop new flywheel products.

Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

Superconducting magnetic energy storage is commercially available using superconductors in liquid helium. Superconductors in liquid nitrogen are in the development stage.

Supercapacitors Small supercapacitors are commercially available for use in electronic devices. Large Supercapacitors are currently under development.

Compressed Air Storage Systems (CAES)

CAES use existing technologies but is not widely utilized because of the significant space requirements.

Confronto per applicazioni

Confronto per contenuto energetico

Confronto in termini di efficienza

Confronto economico

Confronto economico per ciclo

L’accumulo dell’idrogeno

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)

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

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)

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

Gestione energetica dell’accumulo

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

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

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)

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

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.

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

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

I sistemi di accumulo di energia maggiormente candidati per veicoli elettrici stradali

Accumulatori elettrochimici commerciali• Piombo-acido• Nichel-cadmio• Nichel-idruri metallici

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

Supercondensatori

Volani

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

Stato dell’arte dei sistemi di accumulo per veicoli

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