SISTEMI VERSATILI PER LA CONVERSIONE DI ENERGIA RINNOVABILE IN AMBIENTE MARINO, CON ACCUMULO DI ENERGIA

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1 SISTEMI VERSATILI PER LA CONVERSIONE DI ENERGIA RINNOVABILE IN AMBIENTE MARINO, CON ACCUMULO DI ENERGIA Prof. Giampaolo Manfrida Dipartimento di Energetica S. Stecco, Università di Firenze, c/o Centro Didattico Morgagni III piano - Viale Morgagni 40/44, Firenze, manfrida@unifi.it

2 Introduzione al sistema - Problema risorse rinnovabili: discontinuità della disponibilità, che comporta l impossibilità di prevedere con certezza quando si può produrre energia. - Possibile soluzione: Accumulo energia generata. Le tipologie di accumulo energetico integrate nel sistema proposto sono: Aria compressa Termico Calore in rocce Batterie - Sistema proposto: piattaforma galleggiante che produce l energia necessaria alla compressione dell aria grazie a tecnologie di conversione energetica delle tre fonti rinnovabili presenti in ambiente marino. Radiazione Solare Moto Ondoso Vento

3 Fase di compressione Compressore a velocità variabile: Funzionamento da Potenza MIN a Potenza MAX Se P> P MAX (P-P MAX ) Accumulo termico in letto di rocce Se P< P MIN P Scambiatore di calore con acqua di mare

4 Fase di produzione Metano Gas combusti Riduttore di pressione ~ Espansione in Turbina a gas

5 Ipotesi di funzionamento 1. Posizionamento Condizioni climatiche Profondità fondale Radiazione solare, velocità del vento, moto ondoso Rapporto di compressione, β Profondità: 100 m ; davanti costa Nord Toscana: P IDROSTATICA 10 bar - β= Cicli di funzionamento Durata fasi compressione e produzione Caratteristiche compressore e gruppo turbogas Cicli giornalieri ; V = 500 m 3 ; Compressore:18-75 kw, (0.06<Q<0.2 kg/s) Turbina a gas: Q=0.79 kg/s ; P=284 kw Pressione in CC: 4.5 bar Volume serbatoio aria compressa Ipotesi di progetto (produzione): 284 kw per 2 ore/giorno

6 Energia del moto ondoso Sistema a tracimazione Il principio di conversione scelto è assimilabile ad una versione semplificata del Wave Dragon, inventato Braccia riflettenti da Erik Friis-Madsen (Wave Dragon Aps -DK) e sviluppato dall Università di Aalborg (DK). Per favorire la tracimazione, spesso a queste strutture sono accoppiate braccia riflettenti, cioè elementi galleggianti che concentrano il moto ondoso sulla rampa.

7 Piattaforma rendering (1) -Clima marino - Potenza moto ondoso : 3 kw/m Volume serbatoio 14 Turbine idrauliche Portata variabile Geometria fissa P = 25 kw/l una (Hmax=1.8 m) 750 m 3 Larghezza rampa 52 m Lunghezza braccia 57 m

8 Piattaforma - layout (2) pannelli da 305 Wp - Inclinazione delle file : 45 - Area effettiva occupata : 961 m 2 4 Turbine eoliche ad asse verticale: Potenza nominale (12 m/s) = 3 kw Altezza torri = 16 m

9 Piattaforma - layout (3)

10 Altre forme di accumulo di energia integrate nel sistema - Accumulo termico : -serbatoio cilindrico del volume di 7,5 m 3 nel quale sono poste rocce di 12 cm di diametro medio equivalente che occupano il 60% di tale volume - Batterie : Dimensionate per fornire l energia necessaria per il riempimento del serbatoio di aria compressa (600 kwh/giorno) per 2,5 giorni consecutivi di assenza delle fonti rinnovabili. Sistema di 1200 batterie al piombo acido per Ah totali

11 Modello del sistema - Il funzionamento del sistema è stato simulato integrando tre software (Trnsys, Matlab, EES) TRNSYS : interfaccia principale, simulazi one dinamica oraria nell anno medio in funzione dei dati meteo della località scelta.

12 Risultati fase compressione L energia destinabile al compressore varia da un mese all altro, sia per quantità (kwh), sia in termini di fonte rinnovabile utilizzata. Le prestazioni sono condizionate dal dimensionamento del parco batterie, effettuato per il breve periodo (2,5 giorni consecutivi di assenza di produzione dagli impianti rinnovabili).

13 Risultati fase di produzione (TG TURBEC modificata 284 kwe) Il funzionamento base proposto è di produrre energia elettrica a pieno carico (284 kw) per 2 ore al giorno. In caso di ripetuti giorni con scarsa energia prodotta dalle fonti rinnovabili, non è possibile avviare il compressore. L energia annuale prodotta è minore del 14% rispetto all energia teoricamente producibile. Mese Energia mensile generata Energia teorica Differenza di energia prodotta Volume di gas Naturale (kwh) (kwh) (kwh) (%) (Nm 3 ) Gennaio 11563, ,0 5982,7-34,1 2404,6 Febbraio 13259, ,0 2588,7-16,3 2783,8 Marzo 13821, ,0 3724,5-21,2 2887,3 Aprile 16651, ,0 328,6-1,9 3542,6 Maggio 13818, ,0 3727,1-21,2 2868,7 Giugno 16368, ,0 612,0-3,6 3474,3 Luglio 17498, ,0 47,9-0,3 3722,8 Agosto 17215, ,0 331,0-1,9 3656,5 Settembre 15515, ,0 1465,0-8,6 3248,9 Ottobre 11837, ,0 5708,7-32,5 2405,7 Novembre 15237, ,0 1742,4-10,3 3223,0 Dicembre 14099, ,0 3446,4-19,6 2917,7

14 Valutazione preliminare del costo È stata condotta un analisi preliminare del costo della piattaforma off-shore. La valutazione preliminare si è concentrata su due aspetti: - Costo della piattaforma - Costo dei componenti Il costo della piattaforma è stato stimato in funzione del peso dei componenti posti sopra la piattaforma, pari a circa 110 tonnellate, ed ipotizzando un prezzo di 5 /kg di peso sostenuto dalla piattaforma. La stima preliminare del costo è quindi pari a Ovviamente, questo è un costo preliminare, che dipende fortemente dal tipo di materiale scelto e dalle tecnologie scelte per realizzare la piattaforma.

15 Valutazione preliminare del costo: componenti Ipotesi per il costo dei componenti: - impianto fotovoltaico: 2800 /kwp - impianto eolico: 4000 /kwp - batterie: 0,5 /Ah - microturbina: 1000 /kwn - Turbine idrauliche: da relazioni prezzo/potenza - Compressore: da preventivo - Accumulo aria compressa: dal peso dell acciaio duplex, con prezzo pari a 4500 /tonnellata. Costo d impianto componenti: 4500 /kw picco COMPONENTI e CONSUMI Compressore [10 bar, kw, mc/s] COSTO TOTALE (acquisto + installazione) [ ] Scambiatore di calore RBTS [serbatoio 5 mc acciaio, spessore 5 mm] Turbina & Camera di combustione [da Turbogas 100 KW] Accumulo di aria compressa [serbatoio 500 mc, acciaio duplex 2205, spessore 5 mm] Batterie [1200 batterie, da 420 Ah e 6 V] Impianto Fotovoltaico [234 moduli monocristallino da 305 Wp] Impianto Eolico [4 VAT da 3.6 KWp] Impianto Idroelettrico [14 Turbine idrauliche da 25 KW] Totale componenti Il costo totale dei componenti è pari a circa euro.

16 Piattaforma rinnovabile Off-shore: predizione del prezzo - Esempio per il mese di Giugno: in rosso è riportato il prezzo reale, in blu il prezzo stimato

17 Piattaforma rinnovabile Off-shore: ricavo con controllo produzione Quattro versioni di controllo: -Modello lineare -Modello lineare senza i dati all'ora precedente -Rete Neurale - Rete Neurale senza i dati all'ora precedente Una conduzione con un semplice modello predittivo lineare consente margini di guadagno rilevanti (15%) rispetto ad una gestione standard

18 Piattaforma rinnovabile Off-shore: Conclusioni - Sistema innovativo per l accumulo di energia prodotta da fonti rinnovabili e riutilizzo della stessa, con rivalutazione (con gas naturale) nei periodi di massima richiesta - Applicazioni per piccole utenze isolate in ambiente marino (villaggi, porti turistici, isole,.) che spesso impiegano impianti obsoleti, di bassa efficienza e di alto costo per coprire i periodi di massima richiesta di energia. - I consumi energetici esterni al sistema sono attribuibili solo all utilizzo di metano in camera di combustione - Una conduzione che curi il controllo delle ore di produzione in funzione della stima in tempo reale del prezzo dell energia elettrica migliora considerevolmente le prestazioni economiche della piattaforma

19 Sistemi CAES isobari di grossa taglia a supporto di impianti eolici offshore Courtesy: Prof. R. Leithner, TU of Braunschweig

20 Sistema a gas naturale taglia 50 MWp Storage Mode (night) 1 12 CC/A 10 CC/B S T/A C/A C/B T/B S MSHR 6 MSHE 4 SWHE - Precedentemente alla soluzione integrata con risorse rinnovabili (onde, vento, sole), si sono proposti sistemi di taglia più grande con combustione di metano, finalizzati alla produzione di energia di picco, costruiti su turbine a gas commerciali (GE 10 MW nominali). -Modo Accumulo (16 ore) Underwater reservoir 8 Water Out -Usa un accumulo isobaro di aria compressa di 80,000m3 ad una profondità di m -L accumulo termico viene proposto con l utilizzo di Sali Fusi

21 Sistema a gas naturale taglia 50 MWp S T/A CC/A Production Mode (day) C/A C/B CC/B T/B S - Si utilizzano 2 TG GE 10 MW nominali, con disposizione back-to-back e giunto di separazione sull asse che consente di sezionare i due compressori.. 5 MSHR 6 MSHE -Modo Produzione (5,5 ore) MSHR Int. Energy [GJ] T 6 [C] MSHR Ref. Temp SWHE 135 Limit of Operation 290 Underwater reservoir 8 90 MSHR Int. Energy Water In Hours

22 [GJ] Stored Energy Int. Energy (Mass) Reserv. E th MSHR E press Reserv. Hours L energia viene accumulata in tre diverse forme: accumulo di materia (energia interna serbatoio), energia di pressione, energia termica accumulata nei Sali Fusi - L impianto ha una taglia importante (45 MWe in produzione), adatta ad esempio a supportare le attività di un terminal di rigassificazione, riquaificandolo come sistema di produzione di energia elettrica di punta di elevato valore economico, oltre alla produzione di gas naturale Q MSHE [kw] W [kw] Hours

23 Sistemi ACAES Senza uso di combustibili fossili (Green) MD C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CAR TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 EG Air In IC1 IC2 IC3 IC4 IC5 IC6 IC7 RH1 RH2 RH3 RH4 RH5 RH6 Air Out TES (HWR) CWR Il treno di compressione viene frazionato con molte interrefrigerazioni e recupero energia termica (accumulo acqua calda). L acqua è utilizzata a circuito chiuso. Anche il treno di espansione è frazionato, con scambiatori rigenerativi che restituiscono calore a bassa temperatura prima di ogni espansione.

24 Macchine di tecnologia esistente Le simulazioni mostrano un aumento del costo dell energia di punta dell ordine del 180% rispetto all energia di base utilizzata per la compressione. Le fasce di oscillazione del prezzo dell energia sono considerevolmente più alte (il sistema si presenta quindi conveniente, con payback in 6-10 anni a seconda delle ipotesi sui costi futuri dell energia. MD C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CAR TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 EG Air In IC1 IC2 IC3 IC4 IC5 IC6 IC7 RH1 RH2 RH3 RH4 RH5 RH6 Air Out TES (HWR) CWR Geared Turboexpander Taglia: 8 MWe Compressore multistadio La versione proposta utilizza 2115 bombole di aria compressa a bar, ciascuna da 3 m 3. Il sistema è assolutamente proponibile con accumulo isobaro sottomarino, con importanti vantaggi dal punto di vista del funzionamento delle macchine, sempre vicino alle condizioni di progetto.

25 Sistemi Micro-Cogenerazione - ACAES Senza uso di combustibili fossili (Green) La tecnologia ACAES, utilizzando energia elettrica da rinnovabili (eolico, solare, moto ondoso), si presta a proporre accumuli separati di energia elettrica e termica. L impianto (Proposta FDS POR CREO RT 2012) propone un micro-impianto di cogenerazione (elettricità disponibile anche fuori dall orario di produzione ed energia termica) per applicazioni Off-Grid.

26 La parte iniziale di questo lavoro è stata presentata al Quarto Simposio Internazionale: "Il monitoraggio costiero mediterraneo: problematiche e tecniche di misura" 12 giugno, 2012, Livorno Grazie per l attenzione Per maggiori informazioni contattare: Prof. Giampaolo Manfrida Dipartmento di Energetica S.Stecco Università di Firenze, c/o Centro DidatticoMorgagni III piano -VialeMorgagni40/44, Firenze ITALY Tel: manfrida@unifi.it