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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•P
erché e come accumulare energia
•Campi di applicazione
L’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 elettriche
Le 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
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
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ACCUMULO 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•Co
ntrollo 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 convenzionali
Idrogeno compresso
Serbatoi criogenici (dewar)
Combustibili liquidi (metanolo, etanolo, benzina, ecc.) con reformer
Sistemi di accumulo innovativi
Idruri 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!!!
mario.conte@casaccia.enea.it
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