Tecnologie innovative per l'energia e la mobilità Ennio Macchi Dipartimento di Energetica, Politecnico di Milano Convegno "PRESENTE E FUTURO DEL PROTOCOLLO DI KYOTO 15 febbraio 2005 Politecnico di Milano L UTILIZZO SEMPRE PIU INTENSO DEI COMBUSTIBILI FOSSILI E SOTTO ACCUSA NON SOLO PER LE PREOCCUPAZIONI CLIMATICHE, ANCHE: perché inquinano (qualità dell aria), per motivi etici (non sono rinnovabili), per motivi geo-politici (riserve concentrate in aree a rischio)
Cosa può fare la tecnologia? E bene avere chiara la differenza fra: le tecnologie che possono fornire contributi sostanziali anche in un arco temporale limitato (10 anni?) quelle proiettate su scenari a lungo termine Ovviamente, senza dimenticare che: se si vuole che nel lungo termine cambi lo scenario, occorre partire subito le transizioni avvengono in modo graduale, i provvedimenti a breve, medio e lungo termine si sovrappongono temporalmente Dividiamo per semplicità espositiva gli utilizzi energetici dei combustibili fossili in tre grandi settori La produzione di energia elettrica Gli utilizzi termici/frigoriferi Il trasporto In realtà, vi sono molte zone di sovrapposizione: La co-tri-generazione Il vettore idrogeno (la cui produzione, trasporto e distribuzione è trasversale ai tre settori applicativi) Le celle a combustibile (si spera nei grandi numeri del mercato automobilistico, ma ) Vision 21 (approccio modulare)
UNO SCENARIO FUTURIBILE La soluzione Vision 21, basata un integrazione di moduli che realizzano la conversione near- zero emissions dei più disparati combustibili in elettricità, idrogeno, calore La carbon sequestration Impianti alimentati mediante combustibili fossili che generano vettori energetici puliti (idrogeno, elettricità e calore) e, invece di rilasciare in atmosfera la CO 2 generata, la rendono disponibile come flusso a sé stante, pronto per lo stoccaggio di lungo periodo CARBONE IDROCARBURI idrogeno Aria umida CO 2 elettricità calore
Nessuna soluzione è immune da difetti. Sono oggi in corso numerose esperienze internazionali di confinamento geologico dell anidride carbonica.. Soluzioni per il settore elettrico (a breve termine) Aumentare la penetrazione del gas naturale nella generazione termoelettrica: Migliora il rapporto H/C Migliorano i rendimenti di conversione Aumentare gli utilizzi cogenerativi (migliorandone la qualità termodinamica) Eliminare l utilizzo di olio combustibile Migliorare i rendimenti delle centrali a carbone Incentivare le tecnologie di generazione da fonti rinnovabili più vicine alla competitività economica (RSU, eolico, biomassa)
La tecnologia vincente per la generazione di energia in grandi centrali: i cicli combinati Si è vicini al 60% di rendimento (si supererà con il raffreddamento delle pale in ciclo chiuso) E bene ricordare (dati GRTN 2003) che: oltre un terzo dell input energetico complessivo delle centrali termoelettriche aveva origine da prodotti petroliferi (un anomalia tutta italiana) Il (poco) carbone utilizzato era convertito con un rendimento elettrico netto medio annuo del 34,1% (non al passo con le potenzialità dell attuale tecnologia) oltre il 60% del totale del gas naturale utilizzato per la generazione di energia elettrica era destinato a centrali a vapore convenzionale, con rendimenti netti del 41.5% solo il 12% del combustibile utilizzato per generare energia elettrica alimentava cicli combinati i cicli combinati italiani offrono una prestazione energetica di tutto rispetto (rendimento netto medio annuale del 52,4%) Grandi spazi per la cogenerazione industriale (ripotenziamento delle centrali a vapore di cogenerazione esistenti con cicli combinati) Vantaggi: Realizzazioni brown-field sono più accettate (sindrome NIMBY) Si opera in contesti dove già esistono centrali termoelettriche Si ottengono soluzioni imbattibili da un punto di vista energetico per il sistema elettrico e da un punto di vista ambientale (sia locale, sia planetario)
A pari utenza termica: la P el aumenta del 300% Il rendimento elettrico passa dal 28% al 47% Il rendimento complessivo passa dal 59% al 68% GLI EFFETTI COMPLESSIVI DELL OPERAZIONE MW TWh/a MW TWh Mton/a repowering cicli a vapore a contropressione su impianti alimentati a GN 125 37 12.9 3750 11.91 2.40 su impianti alimentati a combustibili liquidi 85 37 7.2 2550 6.79 2.00 totale 210 37 20 6300 18.7 4.40 repowering cicli a vapore a condensazione e spillamento su impianti alimentati a GN 30 76 4.1 1220 4.5 0.91 su impianti alimentati a combustibili liquidi 54 87 7.2 3050 13.4 4.22 totale 84 83 11 4270 17.9 5.13 totale complessivo 294 50 31 10570 36.6 9.53 Oltre 10.000 MW disponibili Grandi risparmi energetici Grandi riduzioni di emissioni di gas serra (50% di quel che è richiesto all intero comparto elettrico!) Risanamento ambientale (sostituzione vecchie caldaie con TG a GN con DLN!)
Evoluzione delle emissioni di CO 2 del comparto termoelettrico nazionale 220 SCENARIO A 200 CT=0 Emissioni, Mtonn 180 160 140 serie storica previsione CT=10 CT=20 CT=30 120 Limite Kyoto CT=40/50 100 2000 2005 2010 2015 2020 Anno Sintesi dei risultati della simulazione Con uno scenario BAU (nessuna CT, CV 2%), le emissioni del comparto elettrico continueranno a crescere E possibile centrare l obiettivo Kyoto, forzando il sistema verso soluzioni a GN con adeguate CT Nel lungo termine, la combinazione CC+GN non è più sufficiente, è indispensabile puntare a soluzioni zero emission. Tre alternative: Nuovo nucleare Rinnovabili Competizione aperta! Carbon sequestration
GENERAZIONE DISTRIBUITA TG Sottostazioni MOTORI Motori MOTORI Fuel cell Utenze Commerciali BATTERIE Volani FUEL CELL Utenti residenziali Turbina a Gas Utenze Commerciali Utenze Industriali Micro-cogenerazione Gas Engine Specifications Gas engine (power generating unit) Power output 1 kw Heat output 3.25 kw Electric system 1 phase, 3 wires, 200/100 V, 60 Hz Electrical efficiency 20% (LHV) Thermal efficiency 65% (LHV) Maximum input 5.5 kw Dimensions (mm) D380 W580 H880 Mass Noise level Durability Frequency of periodic inspections 81 kg 44 db (A) 20,000 hours or 10 years 6,000hours (Approx. 3 years) Engine Oil Tank Generator Gas Engine Package
Un esempio di modulo con motore Stirling In Italia si installano oltre un milione di caldaie a gas monofamigliari (ne esistono oltre 13 milioni) Se si sostituissero con microgeneratori, si installerebbe una potenza di circa 1-2000 MW/anno Il rendimento di conversione da GN a EE è unitario, se la modalità di utilizzo è termico-segue Ipotizzando che operino mediamente 2000 h/anno, si avrebbe un risparmio di: 1.8 TWh/a di energia primaria (18 TWh/a dopo 10 anni) 0.36 Mton CO 2 /a (3.6 dopo 10 anni) Un motore Stirling inserito nella cucina
Miglioramento negli ultimi 20 anni BMW 316 anno 1983 Potenza: 66 kw (90 CV) Massa: 990 kg Consumo*: 11,0 km/l Potenza: + 29% Consumi: 22% Emissioni inquinanti: 95 % Massa vettura: + 32 % dovuto a: dispositivi di sicurezza attiva e passiva maggiori dimensione del veicolo miglioramento del confort * corretto secondo il nuovo ciclo di guida europeo BMW 316 anno 2003 Potenza: 85 kw (116 CV) Massa: 1310 kg Consumo*: 14,1 km/l Un salto di qualità L auto ibrida
TRAZIONE IBRIDA: ACCOPPIA UN MOTORE ELETTRICO A QUELLO TERMICO (A BENZINA) MOTORE E GENERATORE ELETTRICI MOTORE TERMICO SCHEMA DI TRAZIONE TOYOTA PRIUS GENERATORE CONTROLLO BATTERIE MOTORE / GENERATORE connessione meccanica connessione elettrica
IL RISULTATO É UNA CONSISTENTE RIDUZIONE DEI CONSUMI SPECIALMENTE IN CONDIZIONI DI TRAFFICO CONGESTIONATO Velocità max., km/h Accelerazione 400 m, s Consumi km/l a 100 km/h autostrada statale città Benzina 191 17.2 15.8 10.2 12.6 11.7 Ibrida 168 18.4 16.8 10.5 17.2 17.9 A LUNGO TERMINE RICERCA DI UNA SOLUZIONE DEFINITIVA: PASSAGGIO A VETTORI ENERGETICI CARATTERIZZATI DA EMISSIONI DI CO 2 NULLE Auto elettrica Idrogeno (DUE ALTERNATIVE): CELLE A COMBUSTIBILE MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA
IN REALTÀ LA TRAZIONE ELETTRICA NON SI DIMOSTRA IN GRADO DI COMPETERE CON LA TRADIZIONALE PROPULSIONE TERMICA Nissan Hypermini Smart lunghezza, m 2,67 2,50 massa, kg 840 720 velocità, km/h 105 136 accelerazione 400 m, s 24,0 21,1 autonomia, km 100 450 Idrogeno: grande fermento fra i Costruttori (ci piacerebbe provarle nel PMS di Arese!)
Un nuovo progetto The carbike model design (left) should seat 2 persons (driver and passenger) and be light enough to be propelled by muscular power as well as by the 4.3 kw fuel cell with a 350 bar pressurized hydrogen tank. cargobike carbike LE CELLE A COMBUSTIBILE SOSTITUISCO- NO LE BATTERIE NEL FORNIRE L ENERGIA NECESSARIA AL FUNZIONAMENTO DEL MOTORE ELETTRICO
Effettuano una conversione diretta da energia chimica del combustibile a energia elettrica Richiedono l impiego di idrogeno emissioni di CO 2 nulle Emissioni inquinanti virtualmente nulle Elevate efficienze e quindi bassissimi consumi (45 km/l BE ) Componente statico silenziosità e confort di marcia QUALI PROBLEMI OSTACOLANO LA DIFFU- SIONE DELLE AUTO DOTATE DI CELLE A COMBUSTIBILE ALIMENTATE A IDROGENO? Tecnologia ancora in fase dimostrativa Costi tuttora molto più elevati rispetto ai motori a combustione interna Accumulo di idrogeno a bordo del veicolo Mancano tutte le infrastrutture: per produrre trasportare distribuire l idrogeno
ACCUMULO DI IDROGENO A BORDO DEL VEICOLO: STATO LIQUIDO A 253 C 70 strati di materiale coibente per garantire il dovuto isolamento termico LA CREAZIONE DI UNA RETE DI DISTRIBUZIONE DI IDROGENO
CARBONE acqua -252 C 1.3 bar LH 2 idrogeno LH 2 CO2 calore elettricità 60 bar -252 C 1.3 bar LH 2 LH 2-252 C Alternativa 1 CGH 2 fino a 800 bar CARBONE idrogeno acqua LH 2 Alternativa 2-252 C 1.3 bar calore LH 2 LH 2 CO2 elettricità 60 bar -252 C 1.3 bar LH 2-252 C 230 bar CGH 2 200 bar 400 bar 850 bar CGH 2 CGH 2 CGH 2 30 bar
Conclusioni studio Poli-BMW In termini economici, il costo all utente finale dell idrogeno liquido e gassoso è simile: il valore qui calcolato è pari a circa 18 /GJ, all incirca 4 volte rispetto al costo medio di importazione del gas naturale dei contratti più recenti. Se espresso nei termini più familiari di equivalenza in litri di benzina, il costo all utente finale dell idrogeno equivale a circa 0.6 /litro, un valore quasi doppio rispetto agli attuali prezzi al consumo (al netto delle imposte) di benzina e gasolio. Il costo dell idrogeno all utente finale è circa doppio rispetto al costo di produzione in centrale dell idrogeno compresso, a dimostrazione di quanto sia importante per questo vettore energetico la problematica del trasporto e dell immagazzinamento. Conclusioni studio Poli-BMW Da un punto di vista di strategia di approvvigionamento energetico per il nostro Paese, l alternativa proposta comporterebbe una minore importazione di prodotti petroliferi e una maggiore importazione di carbone. In termini energetici, si dovrebbe importare carbone in misura doppia rispetto all evitata importazione di petrolio. In termini economici, la bilancia dei pagamenti ne trarrebbe beneficio, dal momento che il costo del petrolio è ben più che doppio rispetto a quello del carbone.
Conclusioni studio Poli-BMW Gli investimenti necessari per l ipotizzata (20%) penetrazione del vettore idrogeno, con riferimento alle tecnologie proposte, sono ingenti: circa 8.500 M per le centrali di produzione dell idrogeno da carbone, circa 2.300 M per gli impianti di liquefazione, 4.000 M per le stazioni di servizio, circa 1.000 M per le autocisterne criogeniche in totale, circa 16.000 M : su 30 anni, circa 530 M /anno. Una cifra importante, ma che si ridimensiona, se si considera che rappresenta circa il 2% di quanto il sistema trasporti paga annualmente in termini di imposte sui carburanti per autotrazione.