Studi e sperimentazioni sulle tecnologie di accumulo energetico

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1 Trasporto e Stoccaggio dell Energia: come diventare Smart Milano, 11 luglio 2011 Studi e sperimentazioni sulle tecnologie di accumulo energetico L. Mazzocchi, M. Meghella, E. Micolano

2 Importanza dell accumulo di energia Per il sistema elettrico: Compensare l aleatorietà della produzione da rinnovabili e ridurre le perdite di produzione per vincoli di rete Ridurre le oscillazioni del prezzo di mercato nell arco della giornata Opportunità di sfruttare al massimo le interconnessioni con l estero Possibilità di attenuare gli squilibri fra zone, causati da vincoli di rete Garantire servizi alla rete (riserva, bilanciamento, controllo di frequenza) in modo economico e ambientalmente corretto 2

3 Importanza dell accumulo di energia (segue) 28/7/ /12/2010 Oscillazioni del prezzo nell arco della giornata 18/5/2011 3

4 Importanza dell accumulo di energia (segue) Squilibri fra zone Opportunità di sfruttare al massimo le interconnessioni 28/7/2010 Transiti Italia Svizzera, 15/12/2010 4

5 Importanza dell accumulo di energia (segue) Per l acquirente/piccolo produttore: Migliorare qualità/continuità del servizio In fase di prelievo, evitare il superamento della potenza contrattuale ( Peakshaving ) Sfruttare l energia quando ne ha bisogno, acquistandola quando più conveniente Immettere in rete l energia prodotta secondo un profilo prevedibile maggiori incentivi? 5

6 Situazione attuale Presenza di circa 8 GW di impianti di pompaggio, con utilizzo limitato e in fase di diminuzione Accumulo elettrico ancora di nicchia (costo ancora elevato sul ciclo di vita) Altre tecnologie (CAES, idrogeno) non presenti [TWh] Produzione da pompaggio Avvio mercato elettrico Elaborazioni RSE su dati TERNA Dati 2010 provvisori Primi 5 mesi 2011: -54% rispetto a stessi mesi 2010

7 Obiettivi della Ricerca RSE sull accumulo Pompaggio: individuare e quantificare le potenzialità di incremento della potenza installata Accumulo elettrochimico: caratterizzare batterie di diverse tipologie individuare criteri di scelta, in base all applicazione sviluppare batterie a più basso costo Valutare nuove tecnologie (H 2, CAES) 7

8 Studi sulle potenzialità del pompaggio 8

9 Criteri di selezione aree idonee Serbatoi esistenti: V invaso 1, m 3 o P idroel. 50 MW 346 Area di processo: R 10 Km; H 100 m e H -100 m; α 30 R Vincolo territoriale n Vincolo territoriale i Vincolo territoriale 1 9

10 Dimensionamento del serbatoio tipico Dati pompaggio Q = 20 m 3 /s; Durata = 8 h (notte); η = 0,65 V pompato = = m 3 ; H = 100 m V serbatoio tipo = m 3 1 P a = ρ g Q H = 30 η MW 10

11 L impianto pilota di Okinawa 11

12 Criteri di selezione aree per tipico pompaggio marino Area di processo: fascia costiera D 1 Km; H 100 m; α 30 terra Vincolo territoriale n Vincolo territoriale i Vincolo territoriale 1 mare 12

13 Esempio aree idonee per pompaggio marino POMPAGGIO MARINO Siti idonei in LIGURIA (01) 13

14 Valutazione del potenziale di pompaggio con serbatoi tipici Sistemi di pompaggio convenzionale Ipotesi conservativa: 5 h, 285 giorni/anno, 173 serbatoi (50%) Energia accumulabile = 0, = 4,8 TWh/anno (60% di eolico + fotovoltaico attuale) Energia in rete = 0,75 4,8 = 3,6 TWh/anno (84% produzione attuale da pompaggio) Sistemi di pompaggio marino Max numero di serbatoi tipo = / = 4670 Ipotesi conservativa: 7 h, 285 giorni/anno, 140 serbatoi (3%) Energia accumulabile = 0, = 5,4 TWh/anno (75% di eolico + fotovoltaico attuale) Energia in rete = 0,75 5,4 = 4,1 TWh/anno (96% produzione attuale da pompaggio) 14

15 Potenzialità del pompaggio: conclusioni Con ipotesi cautelative, i serbatoi esistenti adatti alla realizzazione di un nuovo serbatoio e di un nuovo impianto di pompaggio consentirebbero di accumulare il 66% della produzione attuale da eolico e fotovoltaico Se si aggiunge una piccola frazione del potenziale di pompaggio marino, si copre largamente l intera quota annuale di produzione da rinnovabili aleatorie Quote ulteriori di capacità di accumulo possono derivare da collegamenti tra serbatoi esistenti, per ora non conteggiati 15

16 Studi ed esperienze sull accumulo elettrochimico 16

17 Accumulo elettrochimico: tipiche applicazioni a) Time shift (traslazione nel tempo dell uso dell energia prodotta) Durata: 1-10 ore Motivazioni: Peak shaving, spostamento fra fasce orarie a prezzo diverso, riduzione o dilazione degli investimenti sulle reti b) Power balancing: compensazione di variazioni di produzione aleatoria e/o di carico Durata: 10 s 1 ora Motivazioni: migliorare prevedibilità di immissione in rete da fonti aleatorie, livellare le curve di carico c) High Power ancillary services Durata: 1 s qualche minuto, tempi di risposta < 1 s Motivazioni: controllo frequenza e tensione, Power Quality 17

18 Accumulo elettrochimico: tipiche applicazioni Regolazione di tensione tensione e frequenza e frequenza Power quality Riserva rotante Integrazione di risorse aleatorie Load following Peak shaving Investment deferral Electric Energy time shift Secondi Durata della scarica 20 ore Ancillary services Power Balancing Time shift 18

19 Accumulo elettrochimico: tecnologie disponibili Tecnologie di accumulo Time shift Power balancing Ancillary services Batterie Na-S Batterie Na-NiCl2 (Zebra) Batterie Litio-ioni Batterie Ni-Cd Batterie al piombo Batterie a circolazione di elettrolita (RedOx) SMES Supercondensatori 19

20 Accumulo elettrochimico: efficienza Efficienza energetica [%] piombo avanzato piombo nichel/cadmio nichel/idruri metallici sodio/zolfo sodio/cloruri metallici litio-ione litio-ione-polimeri VRB zinco/bromo supercapacitori

21 Accumulo elettrochimico: vita utile Tempo di vita in cicli DOD 80% zinco/bromo piombo avanzato piombo nichel/cadmio nichel/idruri metallici sodio/zolfo sodio/cloruri metallici litio-ione litio-ione-polimeri VRB

22 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Accumulo elettrochimico: costo/ciclo costo specifico per ciclo di lavoro [/(kwh*cicli di vita)] (solo investimento) 0,67 0,58 0,47 0,50 0,43 0,31 0,30 0, ,17 VRB piombo avanzato piombo nichel/cadmio nichel/idruri metallici sodio/zolfo sodio/cloruri metallici litio-ione litio-ione-polimeri

23 Accumulo elettrochimico: test presso RSE di batterie Li-ioni Thundersky Kokam GAIA 23

24 Accumulo elettrochimico: efficienza misurata 105% 100% KOKAM THUNDERSKY GAIA Rendimento energetico [%] 95% 90% 85% 80% 75% 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Corrente di scarica [A] 24

25 Accumulo elettrochimico: test presso RSE Ni-MH Piombo KOKAM THUNDERSKY Zebra e NaS Redox Litio-ioni Ni-Cd Volani Supercapacitori Condensatori elettrolitici Al 25

26 Studi sull accumulo mediante aria compressa (CAES) 26

27 Sistema CAES ipotizzato Aria Treno di compressori Scarico Treno espansore/generatore P C P G Intercoolers P C = Potenza compressore P G = Potenza generatore Recuperatore di calore Combustibile (cioè gas naturale) Accumulo aria 27 Caverne, acquiferi o miniere rocciose

28 Valutazione efficienza CAES 28

29 CONCLUSIONI Pompaggio: individuate notevoli potenzialità di incremento della potenza installata Accumulo elettrochimico: tipologie di maggiore interesse per accumulo stazionario: RedOx, Litio costo del ciclo di carica/scarica ancora elevato spazio per ricerca e svilupposviluppare batterie a più basso costo CAES: interessante il fired CAES a gas naturale 29