ENERGY STORAGE: sviluppi e applicazioni innovative. Il progetto Fiamm

SOLUZIONI PER LENERGY STORAGENH Jolly Tiepolo - VICENZA 24/11/2010 VICENZA 23/02/2011MAURO ANDRIOLLO ([email protected])Dipartimento di Ingegneria Elettrica Universit di PadovaVia Gradenigo 6/A, 35131 Padova - 049-8277706Laboratorio di macchine elettriche http://labme.die.unipd.it

Frequenza velocit del vento [h/anno/(m/s)]Frequenza densit di energia [kWh/anno/(m/s)]Velocit nominale9.45 m/s

Velocit media6.35 m/sVelocit vento [m/s]k=2 c=10 Cp=0.5Velocit nominale corrispondente alla punto di max densit di energiaBasso contributo energetico alla velocit mediaAnche se meno probabili, le alte velocit danno un significativo contributo energeticoRESA ENERGETICA DA FONTE EOLICA wd: densit di energiaTh: tempo operativo turbinavcut,in: velocit min operativa vcut,out: velocit max operativa (IP.: distribuzione di Weibull)

Mauro Andriollo - Soluzioni per lEnergy Storage 23/02/2011

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POSIZIONE SOLAREgrafico riferito a una latitudine di 45.16 ed allora solare locale (caratteri rossi)


VARIABILIT GIORNALIERA DELLIRRAGGIAMENTO SOLARE


VARIABILIT DELLA FONTE EOLICA


VARIABILIT DELLA FONTE MICROIDROELETTRICA


Tutte le fonti rinnovabili sono variabili in modo pi o meno aleatorioLimpatto sulla stabilit della rete sar sempre pi pesante allaumentare del contributo di tali fontiLutilizzo di centrali a risposta rapida per rispondere alle rapide fluttuazioni di potenza generata estremamente oneroso prevedibile la necessit di sistemi in grado di compensare gli squilibri di breve periodo tra domanda ed offerta (ENERGY STORAGE)IN CONCLUSIONE


8Sistemi di accumuloEnergia specifica (kWh/kg) Densit di energia (kWh/dm3)Energia erogabile prima di raggiungere lo stato di carica limiteDefinisce lautonomia nel funzionamento come ZEV (capacit)Determina le dimensioni del sistema di accumulo (layout del veicolo)Potenza specifica (kW/kg) Densit di potenza (kW/dm3)Potenza scambiata nelle fasi di accelerazione e frenaturaRappresenta un parametro fondamentale per i veicoli ibridiDurata (cicli carica/scarica)Vita media al di sotto della quale le prestazioni risultano inaccettabiliDipende dalla modalit di utilizzo (profondit e frequenza delle scariche)Pu influenzare la durata dellintero veicoloEfficienzaPu ridurre i costi di gestione, i tempi di ricarica e le emissioni in centraleLimitazione delle perdite minori temperature


9Confronto grafici di Ragone

ZEVHEV


ELECTRICITY STORAGE BY TECHNOLOGY


STORAGE TECHNOLOGY APPLICATION COMPARISON


TECNOLOGIE DI ACCUMULO AD ELEVATA CAPACITTechnologyGravity hydraulicsUnderground compressed airElectrochemical batteriesCirculation batteriesHeat and turbineEnergy density1 kWh/m3 (360 m drop)12 kWh/m3 (100 bar)Lead battery: 33 kWh/t Li-ion battery: l00 kWh/t33 kWh/m3200 kWh/m3Achievable capacity1000 - 100000 MWh100 - 10000 MWh0.1-40 MWh10 - qq 100 MWh1000 -100000 MWhAchievable power100 - 1000 MW100 -1000 MW0.1-10 MW1 - qq 10 MW10 - 100 MWElectricity Efficiency65%-80%50% (with the support of natural gas)70% per month in rapid discharge70%60%Installations existing100 000 MWh 1000 MW600 MWh 290 MW40 MWh 10 MW120 MWh 15 MW__Cost /kWh /Kw70 to 150 600 to 150050 to 80400 to 1200200 (Pb) to 2000 (Li) 300 (Pb) to 3000 (Li)100 to 300 1000 to 200050 350 to 1000MaturityVery goodSeveral examples throughout the worldSeveral examples throughout the worldWorking prototypes in developmentPlanning stageNotesSite with altitude difference and water reservesUnderground siteHeavy metalsChemicalproductsIndependent of geographicalconstraints


TECNOLOGIE DI ACCUMULO A MEDIA-RIDOTTA CAPACITTechnologyInductive superconductorSupercapacitorElectrochemicalFlywheelBottled compressed airReversible PAC hydrogenEnergy formMagneticElectrostaticChemicalMechanicalCompressed airFuelEnergy density (no equipment)1 to 5 Wh/kg10 Wh/kg 60Wh/kg20-120 Wh/kg1-5 Wh/kg8 Wh/kg (200 bars)300-600 Wh/g(200-350 bars)w/o PACCapacity (actual or prospective)several kWhseveral kWhseveral Wh to several MWhseveral kWh to several 10 kWhseveral kWh to several 10 kWhN/ATime constantseveral seconds to 1 minseveral secondsto several minutesseveral 10 mins (NiCd) to several10 hrs (Pb)several mins to 1 hour1 hour to several days (little autodischarge)1 hour to several days(little autodischarge)


ACCUMULO IN BACINI IDROELETTRICICapacit limitate a livello nazionaleCosti di investimento relativamente elevatiImpatto ambientaleMiglioramento dellefficienza con azionamenti a velocit variabile


ACCUMULO CON ARIA COMPRESSA IN CAVERNE SOTTERRANEE (CAES)Efficienza limitata (richiede la combustione di gas)Richiede la presenza di adeguati siti (allo studio impianti di superficie)Pi conveniente di centrali termoelettriche convenzionali con prezzo variabile dellenergia a seconda della fascia oraria


ACCUMULO CON BATTERIE ELETTROCHIMICHEMiglioramento esponenziale della capacitCosti elevatiDurabilitSmaltimento


ACCUMULO CON BATTERIE SODIO-ZOLFO (NaS)Temperatura di esercizio 300 CEfficienza elevata (89%)Tempi di scarica dellordine di 6h su base giornalieraTecnologia relativamente nuova


ACCUMULO CON BATTERIE SODIO-ZOLFO (NaS)Installazione da 34-MW, 245-MWh nel Giappone settentrionale per la stabilizzazione della produzione di un parco eolico da 51 MW


BATTERIE A FLUSSO (FLOW BATTERIES)es. Zn-BrLelettrolita fluisce attraverso la batteria temperatura ambientePotenzialit regolabile variando la portataSistema complessoTecnologia nuova


CARATTERISTICHE DEI SUPERCONDENSATORI

Cella di forma rettangolare o cilindrica composta da due elettrodi, un separatore ed un elettrolitaElettrodo: materiale inerte ad alta porosit per accumulare il maggior numero di ioni (es. carbone attivo)Separatore: membrana a bassa conducibilit elettronica che favorisce la mobilit degli ioni carichiElettrolita di tipo organico o acquoso che avvolge linsieme degli elettrodi e del separatoreFase di carica: anioni e cationi ottenuti dalla decomposizione dellelettrolita vengono attirati verso i due elettrodi (tensioni tipiche 2.5 V/cella per elettroliti organici)Condensatore carico: doppio strato di carica sulla superficie degli elettrodi, assenza di ioni nellelettrolitaValore della capacit funzione della tipologia dellelettrolita (dimensione degli ioni) e della porosit dellelettrodo


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APPLICAZIONI DEI SUPERCONDENSATORI: SISTEMI DI SOLLEVAMENTOCiclo di lavoro caratterizzato da bassi valori di energia e da elevate potenze durante le fasi di accelerazione e decelerazioneCarico gravoso per la rete Reostati di frenatura (dissipazione)

Utilizzo di banchi di supercondensatori per aumentare lefficienza:Recupero dellenergia tramite convertitori bidirezionaliCompensazione dei picchi di potenza e riduzione dei problemi di vibrazione e delle tensioni indotte


APPLICAZIONI DEI SUPERCONDENSATORI: GRUPPI DI CONTINUIT (UPS)Utilizzo dei supercondensatori in alternativa alle batterie ancora improponibile per costo ed energia specificaComplementari agli accumulatori per lelevata potenza specifica e ridotti tempi di risposta (capacit di sopperire a disservizi di breve durata: microinterruzioni, ecc.)

Ripristino dellalimentazione da rete

Disservizio in rete


23ACCUMULATORI ELETTROMECCANICI (FLYWHEEL)

Assorbimento di energia meccanica ed erogazione di energia elettrica necessita di accoppiamento con un sistema motore/generatore elettricoImmagazzinamento di energia quandolAPU produce energia in eccesso rispetto a quella richiesta in trazioneil motore elettrico in frenatura rigenerativaErogazione di energia in fase di accelerazione tramite il generatore elettricoAlte velocit di rotazione per incrementare lenergia cinetica senza superare la resistenza a trazione del materiale utilizzo di materiali compositi a bassa densitCilindro in fibra di carbonio con razze in AlVelocit 40000100000 rpmEnergia specifica 75 100 Wh/kgPotenza specifica 510 kW/kgRotazione in camera a vuoto (250400 Pa)Cuscinetti a sfere ceramiche a bassissimo attritoCosto 400 800 $/kWDurata di vita circa 20 anniMotore/generatore elettrico


24ACCUMULATORI ELETTROMECCANICI (FLYWHEEL)

100-kWh high-speed flywheel assembly (courtesy of Beacon Power Corporation)

fonte: SANDIA RERORT SAND2008-4247 Solar Energy Grid Integration Systems Energy Storage (SEGIS-ES) July 2008


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Volano da 45000 rpmP = 1.5 kWVelocit periferica 1000 m/sDiametro esterno 420 mmCARATTERISTICHE DEI VOLANIVantaggiPrestazioni indipendenti dalle variazioni di temperaturaComponenti non tossici n inquinantiCicli di carica/scarica ripetibili per un numero elevatissimo di cicli, senza perdita di prestazioni (indipendenza dallSOC)Efficienza di ciascun ciclo 98 % (per le batterie 75-80 %)Rapidit di ricarica ( 105 rpm richiedono cuscinetti di tipo magnetico (traferri 150 mm), alimentati anche a veicolo fermo e per periodi dellordine di alcune settimaneLimiti termici sulla macchina elettrica e lelettronicaAssorbimento di energia per limpianto di mantenimento del vuotoEffetto giroscopico che pu disturbare la guida e sovraccaricare i supporti magneticiSistema di contenimento per eventuale incidente o scoppio


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LOCOMOTORI CON TURBINA A GAS E VOLANIVolano con potenza nominale di 2 MW in 3 minuti con cicli di carica/scarica da 15000 a 7500 rpmMacchina elettrica asincrona a 2 poli per contenere la frequenza di lavoro entro 250 HzRotore a gabbia in rame/zirconio e /berillioConvertitore a IGBT 1700 V/4 kHzUso di resistenze (1.3 MW) comandate da chopper per scaricare o variare con continuit la potenza del volanoGS da 3 MW - 8 poli (15000 rpm/1 kHz) direttamente connesso alla turbina con raddrizzatore a diodi


FUEL CELLS (FC)Sistemi elettrochimici che convertono lenergia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza lintervento intermedio di un ciclo termico (rendimenti di conversione superiori a quelli delle macchine termiche convenzionali)Allanodo fluisce il combustibile (H2), al catodo viene immesso il comburente (aria)anodo: 2H2 4H+ + 4e- catodo: 4H+ + O2 + 4e- 2H2OI prodotti sono corrente elettrica (4e-), acqua e calorePuro o prodotto da reforming

Prodotti della reazione

Fonte: Cella PEM BallardMEA: membrane electrode assembly

Canali per controllare il flusso dei gas4H+ + O2 + 4e- 2H2O


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FUEL CELLS (FC)Valori tipici: tensione 0.7 V/cella, densit di corrente 300800 mA/cm2 (decresce linearmente per un ampio intervallo di densit di corrente utilizzo di pi celle in serie per avere potenza e tensione desiderate (serie di piatti bipolari stack)Classificazione sulla base dellelettrolita (alcalino, polimerico, acido, a carbonati fusi, ad ossidi solidi) o alla temperatura di funzionamento

Stack di celleTipologie di celleScarico anodoScarico catodo


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29VANTAGGI/SVANTAGGI DELLE FCConversione diretta dellenergia senza combustione Assenza dorgani in movimento (silenziosit)Produzione da carburanti alternativi o da fonti energetiche rinnovabiliEfficienza non cala con la taglia del sistema (scalabilit dellapplicazione utilizzando stack di celle)Rendimento ottimale anche con carichi parzialiRiduzione del 75% delle emissioni di CO2 e di altre sostanze tossiche rispetto a soluzioni convenzionaliVantaggiTecnologia e sicurezza dello stoccaggio dell'idrogeno sul veicoloRiduzione del rendimento ed incremento delle emissioni con reformingRiduzione delle prestazioni con idrogeno non puro (da reforming)Risposta dinamica lenta nella generazione di potenza elettricaLayout del veicolo ridisegnato attorno al sistema FCCosti ancora elevati ( 2000 /kW)Svantaggi


Tipi di FCElettrolitaCatalizzatoreTemperatura di lavoro [C]Densit di potenza [W/cm2]Rendimento elettrico [% LHV]Durata di vita prevista [103 h]Costo previsto [USD/kW]ApplicazioniCogenerazioneGenerazione distribuitaVeicoli passeggeriVeicoli pesantiApparecchi portatiliPAFCAcido fosforico liquidoPlatino150-2100.2-0.2540-45401000

XXXAFCIdrossido di potassioPlatino/Palladio60-1000.2-0.350-6010200XXXMCFCCarbonati fusi liquidiNickel600-7000.1-0.243-55401000XX

SOFCCeramicaPerovskite900-10000.24-0.343-55401500XXX

SPFCMembrana polimericaPlatino50-1000.35-0.632-4040200XXXXXDMFCIdrossido di potassioPlatino/Rutenio50-1000.04-0.26>5010200XXX30


PRODUZIONE DI H2Si tratta di un vettore energetico e non una fonte denergia emissioni legate al sistema di produzione ed immagazzinamento96% della produzione per usi industriali (industria chimica per sintesi dellammoniaca, produzione di carburanti e sintesi del metanolo) ricavato da combustibili fossili (48% metano, 30% derivati petrolio, 18% gassificazione carbone)Produzione su larga scala (>104 Nm3/h) conveniente solo tramite limpiego di combustibili fossili (gas naturale, GPL, nafta) problemi legati alle emissioni (soprattutto CO2) ed al consumo energetico (processi endotermici)Desolforazione dellidrocarburoProduzione del syngas in forni ad altissima temperatura (900-1000 C)Reazione di water gas shift CO + H2 H2 + CO2Produzione su piccola scala (100-5000 Nm3/h) basata sia su processi di reforming di combustibile tradizionale sia sulluso di fonti rinnovabili (energia solare)Steam reforming del metanolo (processo endotermico a 300-350 C)Processi termochimici su biomasse (gassificazione, pirolisi)Elettrolisi da fonti rinnovabili (fotovoltaico, idroelettrico, geotermico, eolico)Processi fotoelettrochimici (integrazione fotovoltaico-elettrolizzatore) e fotobiologici (idrogeno prodotto da microrganismi investiti da luce solare)


SISTEMI DI PRODUZIONE E TRASPORTO DI H2Soluzione con rifornimento dotato di reformer locale sia con bassi che con alti livelli di distribuzione (1 a 5 tH2/giorno, 240 a 1300 auto/giorno) Fondamentale contributo infrastrutture e serbatoiResta aperto il problema dellefficienzaElettrolisi generalmente pi costosa per produzioni su larga scala rispetto alluso di reforming di idrocarburi3106 Nm3/giorno di H2SRPOXElettrolisiEfficienza termica (%)78.576.827.2Investimenti (M)83.2205132Costo H2 (/Nm3)0.070.110.20

ENEA 2003Possibilit di utilizzare le infrastrutture esistenti con metanolo (tossico) e benzina usando un reforming a bordo Metanolo: vantaggio solo con infrastrutture per bassi volumi di autoBenzina: vantaggio infrastrutture completamente annullato dallincremento di costo del reformer sul veicoloRendimenti well to wheel inferiori e problema inquinamento


COSTO[$/GJ]Benzina DieselGas nat.NGH2NGno CO2H2Nuc.H2CHPHTGRProduzione 6-73-45-913-168-23Distribuzione