Idrogeno da fonte rinnovabile di grande taglia ( MW) ed analisi di sistemi di accumulo fisico e chimico

Transcript

1 Idrogeno da fonte rinnovabile di grande taglia ( MW) ed analisi di sistemi di accumulo fisico e chimico Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*) (*) DiMSET, Università di Genova e SIIT Genova, Italia

2 PROBLEMATICHE FONTI RINNOVABILI Disponibilità temporale -Eolico -Solare -Idroelettrico Variazioni ORARIE Variazioni MENSILI Andamento temporale richiesta elettricità: diagrammi di carico P [MW] P [MW] PUNTE DI CARICO ECCEDENZE CARICO DI BASE d DIAGRAMMA STAGIONALE DIAGRAMMA GIORNALIERO Accumulo dell energia in eccedenza Per sistemi di grande taglia Idrogeno da elettrolisi dell H 2 O

3 Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW) Al confine tra Paraguay e Brasile èla centrale idroelettrica più grande nel mondo in termini di energia prodotta.

4 Diga di Itaipu,, dimensioni del bacino Area 1350 km 2 Lunghezza 170 km Larghezza media 7 km Volume max 29,000,000,000 m 3 Acqua spillata (max) 62,200 m 3 /s

5 Impianto idroelettrico di Itaipu MW di potenza installata (20 turbine da 700 MW) Record di GWh prodotti (2008), 1/3 del fabbisogno italiano Acqua spillata (62.000m 3 /s) disponibile per generare H 2

6 Produzione di energia elettrica ENERGIA PRODOTTA Valore medio (circa 10 GW) variabile di anno in anno Sarebbe divisa a metà, in realtà il Paraguay ne vende una parte al Brasile

7 Energia prodotta ed energia spillata ENERGIA SPILLATA Il suo valore medio varia sensibilmente di anno in anno Disponibile per produrre H 2 su larga scala L energia spillata dipende dalla portata d acqua, quindi varia fortemente con il mese.

8 Potenza spillata e richiesta elettrica Paraguay consumption [MWe] Brazil consumption [MWe] Total request [MWe] MWe Time [h] Spilled pow er [M W ] Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dec Potenza spillata variabile col mese Spilled Pow er Average value Variazione oraria nel carico elettrico Necessità di analisi termo-economica su base annuale

9 CURVE DI CARICO (CALORE & ELETTRICITA) Codice di calcolo ECoMP OTTIMIZZAZIONE LAY OUT MIX 1.60E E+00 FILTER C E ~ 1.20E E E-01 to stack ECO EVA SH 6.00E E-01 Cogeneration 2.00E E CONNESSIONI ALLA RETE ECoMP SOFTWARE OTTIMIZZAZIONE TAGLIA (Tutti i Componenti) Ottimizzazione Impianti OTTIMIZZAZIONE STRATEGIA ELECTRIC POWER WINTER - WEEKDAY SCENARIO ECONOMICO (PREZZI DI VENDITA/ACQUISTO) Eletcric Power [kwe] 2.00E E E+00 Purchased Electr. Pow. Generated Electr. Pow. Eletcr. Power Demand 5.00E E Hours

10 Impianto per produzione e accumulo H 2 Diga di ITAIPU MW Potenza spillata Elettrolizzatori (1 MWe) Potenza prodotta Carico elettrico (PY + BR) O 2 H 2 Stoccaggio H 2 Utenze H 2

11 Analisi ECoMP impianto H 2 ECoMP software Accumulo fisico in serbatoio Nei periodi in cui non si ha acqua spillata, La richiesta di H 2 è soddisfatta dal serbatoio. Accumulo fisico alternativo Nei periodi in cui non si ha acqua spillata si sceglie di non vendere energia alla rete per alimentare gli elettrolizzatori. VANTAGGIO: costi capitali serbatoio ridotti Analisi di un intero anno di funzionamento dell impianto Ottimizzazione della taglia del sistema di produzione e confronto delle due tecniche di accumulo

12 Produzione e accumulo H 2 (160 MW) Accumulo fisico in serbatoio di grandi dimensioni ( m 3 )

13 Produzione e accumulo H 2 (160 MW) Serbatoio ridotto (200 m 3 ), acquisto di energia dalla rete

14 Confronto delle due soluzioni di accumulo Accumulo con rete elettrica Minori costi capitali Soluzione economica ottima Auto a idrogeno alimentate: auto al giorno!

15 M Influenza del costo delle auto a Idrogeno Analisi economica (H2, NO auto) NPV CF Years SENZA AUTO Analisi economica ( auto H2) CON AUTO M NPV CF Years Costo di un auto a Idrogeno Costo aggiuntivo totale Grande influenza Dei costi delle auto

16 Difficoltà legate all Idrogeno Costi molto elevati per le auto a Idrogeno Difficoltà nello stoccaggio e nel trasporto (idrogenodotti) Mancanza di utilizzi diversificati La trasformazione di H 2 in CH 4 garantisce alcuni vantaggi: Costi delle auto a metano paragonabili a quelle a benzina Possibilità di adattare le auto a benzina già esistenti Possibili altri impieghi del metano Trasporto nei metanodotti già esistenti

17 Produzione H 2 con accumulo chimico come CH 4 Diga di ITAIPU MW Potenza spillata Elettrolizzatori (1 MWe) Potenza prodotta Carico elettrico (PY + BR) O 2 H 2 CO 2 Metanatori Utenze CH 4

18 Produzione H 2 (160 MW) e accumulo CH 4

19 Influenza del costo delle auto a metano Analisi economica (CH4 NO auto) M NPV CF SENZA AUTO Years Analisi economica ( auto a metano) M NPV CF CON AUTO Years Costo di un auto a CH 4 (adattamento) Costo aggiuntivo totale Influenza modesta Dei costi delle auto

20 Confronto tra accumulo fisico e chimico Ricavi annuali PBP NPV finale Maggiori con accumulo fisico Ridotto con accumulo chimico Risulta praticamente lo stesso per le due soluzioni

21 Conclusioni PRODUZIONE H 2 Accumulo fisico non accettabile, costi del serbatoio troppo elevati La soluzione migliore è acquistare energia dalla rete e installare al limite un serbatoio di piccole dimensioni. I tempi di ritorno sono fortemente influenzati dai costi elevati delle auto. PRODUZIONE CH 4 Stoccaggio chimico, H 2 trasformato in CH 4, di più facile trasporto e utilizzo Costi delle auto molto ridotti rispetto al caso precedente Tempi di ritorno di circa 10 anni Produzione di metano pulito, perché è stato prodotto sequestrando CO 2 Dove prelevare la CO 2? Costo o benefit?

22 Diga di ITAIPU MW Sviluppi futuri Elettrolizzatori (1 MWe) O 2 Potenza spillata Potenza prodotta Carico elettrico (PY + BR) Syngas H 2 Mix gas Gassificatore Metanatori Biomasse Utenze CH 4

23 Idrogeno da fonte rinnovabile di grande taglia ( MW) ed analisi di sistemi di accumulo fisico e chimico Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*) (*) DiMSET, University of Genova and SIIT Genova, Italy