Trasporto e Stoccaggio dell Energia: Come diventare Smart Milano, 11 Luglio 2011

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1 Trasporto e Stoccaggio dell Energia: Come diventare Smart Milano, 11 Luglio 2011 Mario Conte Unità Tecnica Tecnologie Avanzate per l Energia e l Industria Unità di Coordinamento Sistemi di Accumulo dell Energia 1 1

2 Schema della presentazione L accumulo di energia: principi e metodi Opportunità per l accumulo nelle reti elettriche Le attività sull accumulo all ENEA Perché e come accumulare energia Campi di applicazione Le funzioni principali Criteri di scelta La R e S di sistemi al litio innovativi Alcune esempi di applicazioni di accumulo nelle reti elettriche Conclusioni Prospettive di applicazione Le attività future 2 2

3 Cosa fa un sistema di accumulo? L accumulo di energia consente di adattare efficientemente ed economicamente l offerta e la domanda di energia Nella FORMA (energia chimica, elettrica, meccanica, termica..) Nel TEMPO di produzione/disponibilità da quello di uso Nello SPAZIO (luogo di produzione e di utilizzo) 3 3

4 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 4 4

5 L accumulo: una nuova dimensione nelle reti elettriche 5 5

6 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, 6ammoniaca, ecc.) 6

7 Come accumulare energia Caratteristiche principali di alcuni tipi o metodi di accumulo COMBUSTIBILI FOSSILI Olio combustibile Carbone Legno secco COMBUSTIBILI SINTETICI Idrogeno gassoso Idrogeno liquido Metanolo Etanolo Tipo di accumulo ACCUMULO TERMICO (Bassa temperatura) Acqua (DT=60 C) Rocce (DT=60 C) Ferro (DT=60 C) ACCUMULO TERMICO (Alta temperatura) Rocce (DT=200 C) Ferro (DT=200 C) Sali (DT=200 C) ACCUMULO MECCANICO Pompaggio d acqua Aria compressa Volani ACCUMULO ELETTROCHIMICO Batterie al piombo Batterie nickel-cadmiocadmio Batterie avanzate Energia specifica kwh/kg > Densità di energia kwh/m > >100 7

8 Campi di applicazione Reti elettriche convenzionali Reti elettriche del futuro prossimo (con più fonti rinnovabili e gestione smart) Trazione elettrica stradale Elettronica di consumo 8 8

9 L accumulo nelle reti elettriche e per le fonti rinnovabili 9 9

10 L evoluzione delle reti elettriche verso soluzioni Smart Ieri Oggi Domani Fonte: IEA

11 Le possibili localizzazioni dell accumulo Parti in rosso Caratteristiche e funzioni variano con la posizione e l applicazione 11 11

12 Evoluzione dell accumulo nelle reti elettriche Dal pompaggio di acqua a.. Micro CAES Batterie redoxa flusso Batterie avanzate Volani 12 Micro SMES FC con accumulo di idrogeno 12

13 Uso nelle reti elettriche 13 13

14 Uso nelle reti elettriche Fonte: EPRI

15 Le funzioni principali dei sistemi di accumulo Generazione Trasmissione e distribuzione Energy management Generazione di picco Load following Livellamento del carico Controllo della tensione Power Quality (PQ) Affidabilità di sistema Fonti rinnovabili Adattamento tra produzione e carico Controllo ed integrazione in rete Riserva Servizi ausiliari Risposta in frequenza Riserva rotante Riserva in standby Riserva a lungo termine 15 15

16 Esempi di analisi economica dell uso dell accumulo (Studio SANDIA 2009 su 10 anni) 16 16

17 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

18 Volani (flywheels): esempi e ricerca 18 18

19 Accumulo di energia termica: esempi di accumulo di calore sensibile stagionale (acquiferi) 19 19

20 Batterie SODIO - ZOLFO PIOMBO ACIDO VANADIO REDOX A FLUSSO LITIO-IONE 20 20

21 Batterie esempi di applicazioni Sodio - zolfo LITIO-IONE 21 21

22 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 carbonio Nanotubi Grafite Fullerene 22 22

23 Grado di sviluppo ed applicazione di alcune tecnologie dell accumulo di energia Tecnologia Potenza del sistema in MW Costo Totale in $/kw Energia in MWh Note Batteria Pb Puerto Rico In servizio dal 1992 Batteria Pb Chino Batteria a flusso REGENESYS DS SMES SMESx Puerto Rico Volano UPS In servizio dal Stima progettuale Pre-serie Stima Pre-serie Bacino di pompaggio Piastra Edolo ENEL Fonte: Sandia (modificato) 1020 ND ND 23 In servizio dal

24 Il mercato mondiale attuale dei sistemi di accumulo nelle reti elettriche Pompaggio acqua 99% 365 Na-S 35 Piombo Ni-Cd MW 440 CAES 16 Litio Redox 3 Fonte: Fraunhofer Institute 24 24

25 Evoluzione del mercato mondiale dei sistemi di accumulo nelle reti elettriche Fonte: Fraunhofer Institute 25 25

26 Le attività dell ENEA sui sistemi di accumulo Ricerca Batterie (Litio) Supercondensatori Accumulo dell idrogeno Superconduttività SMES Interfaccia di gestione e controllo Studi e caratterizzazione Progettazione di massima per le applicazioni Sviluppo di procedure di prova Stazioni di prova Dimostrazioni in scala da laboratorio ed in scala relae 26 26

27 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 27 27

28 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 28 28

29 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

30 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

31 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 Ciclatori per celle Stazione prova SC 31 31

32 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 32 caratterizzazione di sistemi di accumulo per le diverse applicazioni. 32

33 Per maggiori informazioni Ringrazio per la cortese attenzione!!! 33 33