Sistemi per l

1
Sistemi per lenergia
2
Note lessicali in relazione al corso

• Dispositivo. Oggetto(materiale o immateriale)
  utilizzato per compiere una determinata funzione.
• Sistema. Insieme di dispositivi connessi (nel
  rispetto della compatibilità fisica e funzionale)
  e coordinati (in ambito spazio-temporale) in
  grado di perseguire un dato obiettivo.

3
Note lessicali in relazione al corso

• Processo. Sequenza temporale di attività
  (denominate anche fasi) mediante le quali si
  persegue un dato obiettivo (normalmente
  produttivo). Particolare tipo di sistema.
• Struttura. Complesso degli elementi costitutivi
  di un sistema (considerati nei loro rapporti ed
  interdipendenza).
• Impianto. Insieme di dispostivi connessi, nel
  rispetto della compatibilità fisica e funzionale,
  strutturalmete in grado di produrre un bene
  (materiale o immateriale).
• Infrastruttura. Complesso degli impianti che
  cosentono e condizionano unattività.

4
La terra è un sistema a risorse finite Per
raggiungere lobbiettivo di uno sviluppo
sostenibile occorre minimizzare lo sfruttamento
delle risorse di base

• energia
• materie prime
• ambiente (inteso come territorio
  geograficamente,
• socialmente ed economicamente
  definito)

5
MATERIE PRIME (carbone, petrolio, ecc.)
ENERGIA
AMBIENTE (gas serra, residui, ecc.)
6
Sviluppo sostenibile

• Azioni (comportamento) nello spazio e nel tempo
  in grado di assicurare le necessarie risorse
  allumanità presente e futura.

7
Risorse naturali

• Sono i materiali esistenti in natura
  potenzialmente utili a produrre merci e
  soddisfare bisogni.
• Sono beni economici in quanto hanno le
  caratteristiche di limitatezza, accessibilità e
  utilità.
• Laccessibilità e lutilità dipendono dal
  progresso tecnologico che ne rende possibile
  lestrazione e la trasformazione.

8
Variabilità delle risorse nel tempo

• Modifica delle necessità umane che portano a
  valutare diversamente le risorse.
• Sostituzione di una materia prima con unaltra
  per ottenere lo steso prodotto.
• Sintesi di nuovi materiali .

9
Definizioni date da UN e WEC
Risorsa è la concentrazione naturale di materiali
solidi, liquidi o gassosi nella o sulla crosta
terrestre in forma tale che lestrazione da essa
di materie prime sia potenzialmente ed
effettivamente realizzabile.

• Possono essere
• Identificate (posizione, quantità e qualità note
  per evidenza fisica
• supportata da
  misurazioni strumentali)
• - Non ancora scoperte (ipotetiche o supposte)

Si definisce riserva la quota di risorsa
identificata dalla quale il materiale utile può
essere economicamente estratto al momento della
determinazione (condizioni economiche attuali e
tecnologie disponibili)
10
Classificazione risorse
accertate
riserve
probabili
Aumento di concentrazione
possibili
Attuale sfruttamento
sconosciute
Non sfruttabili
conosciute
Esplorazioni favorevoli
11
Energia - Fonte

• Dato un sistema fisico esiste una funzione
  
  energia E
  f(ai(t))
  delle variabili di
  stato ai(t) osservabili che non dipende dal
  tempo.
• Più intuitivamente un sistema fisico contiene
  energia se potenzialmente può compiere lavoro.
• Un sistema fisico contenente energia è una fonte
  se è possibile rendere, almeno in parte,
  lenergia, in esso contenuta, disponibile in
  quantità e con caratteristiche adatte
  allutilizzazione da parte delluomo.
• In altre parole se si controlla.

12
FONTI DI ENERGIA
Sole
RADIANTE
Animali, vento, cadute dacqua
MECCANICA
Biomasse, combustibili fossili
CHIMICA
Calore endogeno
TERMICA
Materie fissili
NUCLEARE
13
USI DELLENERGIA
Tratta-mento della materia
Trasporti
MECCANICA
Riscaldamento
TERMICA
Illuminazione
RADIANTE
Supporto allinformazione
ELETTRICA
14
Vettori energetici
Il comportamento più naturale sarebbe quello di
disporre di una fonte di energia e utilizzarla o
convertirla direttamente nella forme dellenergia
richiesta per luso finale.
Nella maggior parte dei casi questo non si
fa. Con le tecnologie oggi disponibili è
preferibile effettuare una serie di
trasformazioni che producono vettori energetici
intermedi fino ad ottenere quello più adatto per
luso finale.
Lesempio più evidente è quello del vettore
elettrico.
15
Vettore elettrico
E g(V,1/d)
H f( I,1/d)
Q
Q
s
s
t
t
I
d
H
g
V
P
E
16
trasformazioni
fonti
usi fin.
T
radiante
elettrica
fluido dinamica
M
meccanica
endogena
termica
L
nucleare
chimica
E
H 2
FC
17
Principali elementi caratterizzanti un sistema
per lenergia

• Fonte energia disponibile in natura che,
  mediante controllo, può essere resa disponibile
  nelle forme dellutilizzazione finale.
• Utilizzatore sistema fisico che permette di
  ottenere il bene finale atto a soddisfare i
  bisogni.
• Vettore sistema fisico che permette il
  trasferimento e la conversione della forma
  dellenergia.
• Accumulo sistema fisico in grado di conservare
  e scambiare energia con un altro sistema.

18
Sistema energetico
19
Il bene energia

• Lenergia è un bene in grado di soddisfare un
  numero sempre crescente di bisogni.
• E, da tempo, talmente indispensabile da essere
  considerata una commodity.
• E talmente rilevante, per la nostra società, la
  disponibilità e laccesso a questa risorsa da
  assurgere ad elemento di pubblica utilità.

20
Il prodotto energia

• Se si considera il carbone, la benzina, il
  gasolio,lolio combustibile è, comunemente,
  immediato parlare di prodotti
• Per il metano è già un po meno immediato parlare
  di prodotto, anzi, per molti, è assimilabile più
  ad un servizio
• Lenergia elettrica per i più è un servizio e non
  un prodotto questo aspetto è stato trattato
  dalla Comunità Europea che nel 1986 ha definito
  lenergia elettrica un prodotto
• Considerare lenergia un prodotto è fondamentale
  per definire e strutturare il mercato della
  stessa, in particolare il libero mercato che è
  diventato obiettivo prioritario in ambito
  Comunitario

21
Il servizio per lenergia

• E il rendere disponibile lenergia allutenza in
  maniera sicura e di adeguata qualità
• E il rende possibile allutenza laccesso alla
  risorsa
• Condizione necessaria per un libero mercato
  dellenergia e/o per espletare un servizio di
  pubblica utilità è laccesso non discriminatorio
  dei produttori e degli utenti, cioè i soggetti
  che interagiscono nel mercato, alle
  infrastrutture energetiche ( TPA)

22
Il contesto di policy europeo

• La decisione del Consiglio Europeo del 6 ottobre
  2006 inerente gli Orientamenti strategici
  comunitari per la coesione economica, sociale e
  territoriale (2007-2013), punta a realizzare una
  stretta sinergia tra le tre dimensioni
  economica, sociale ed ambientale
• Lintegrazione tra crescita e tutela
  dellambiente viene confermata della nuova
  politica europea in materia energetica che mira
  a
• 1. realizzare un vero mercato interno
  dellenergia agendo in particolare su due
  fattori una maggiore indipendenza dei soggetti
  che gestiscono le reti da quelli che producono
  energia e lo sviluppo delle interconnessioni come
  fattore indispensabile per la creazione di un
  mercato comune
• 2. accelerare il passaggio ad uneconomia a basse
  emissioni di carbonio, agendo sullo sviluppo
  delle fonti rinnovabili, sulla diversificazione
  del mix di fonti, sulla ricerca nel campo delle
  tecnologie energetiche in grado di abbattere le
  emissioni della produzione di energia
• 3. dotarsi di un Piano per lefficienza
  energetica di impatto multisettoriale, con la
  proposta di un nuovo accordo internazionale per
  il raggiungimento di obiettivi quantitativi
  comuni entro il 2020.

23
Il contesto di policy nazionale

• Una forte incentivazione alla produzione di
  energia da fonti rinnovabili ( certificati verdi,
  conto energia).
• Un premio economico a chi sviluppa azioni di
  risparmio energetico attraverso un meccanismo di
  titoli negoziabili TEE (certificati bianchi) e
  attraverso sconti fiscali.
• Una progressiva apertura, liberalizzazione e
  regolazione dei mercati nel settore dellenergia

24
La liberalizzazione dei mercati
Decreto Bersani 79/99 Ha recepito la
Direttiva Europea 96/92 CE
Decreto Letta 164 / 2000 Ha recepito la
Direttiva Europea 98/30/CE.
25
Direttiva 2003/54/CEconsiderazioni

• Perché la concorrenza funzioni occorre che
  laccesso alla rete sia fornito senza
  discriminazioni, in modo trasparente e a prezzi
  ragionevoli. (riduzione delle barriere
  infrastrutturali)
• I clienti dellenergia elettrica dovrebbero poter
  scegliere liberamente il loro fornitore .. essi
  dispongano di un diritto reale ed effettivo di
  scegliere il loro fornitore. (libertà)
• Gli stati membri possono designare un fornitore
  di ultima istanza. (tutela)

26
Intensità energetica
i w/q dove W energia necessaria per produrre
la quantità q. La quantità q può essere un dato
prodotto, un servizio o il PIL di una data area.
Il dato è abbastanza stabile sul brve-medio
termine.
Da cui w i q dove q è la quantità prodotta
con lintensità i. Questa formula può essere
utilizzata per la previsione dei consumi
energetici sul medio termine. Mentre q
W/i può essere utilizzata per le previsioni
economiche a breve termine
27
Intensità energetica

• E dipendente
• - dalle tecnologie utilizzate per la produzione
  di beni e servizi
• - dallefficienza delle trasformazioni
  energetiche dalle fonti primarie alla forma utile
  per la produzione di beni e servizi

28
Breve storia dellenergia
29
fonti usi
finali
Sole
M
Uomo
T
L
Caratteristica delle fonti - Sole periodica
(periodicità dovuta al moto degli astri,quindi
non controllabile), con una
componente aleatoria dovuta alla nuvolosità,
sono grossolanamente controllabili gli
usi finali mediante schermi. - Uomo
controllabile.
30
fonti usi
finali
Sole
M
Uomo
T
Combustibile
L
fuoco prometeo
31
Caratteristiche della fonte - controllabile
nel tempo, nello spazio - accumulabile -
trasportabile
32
fonti usi
finali
Sole
M
Uomo
T
Combustibile
Animali
L
Vento
Cadute dacqua
E
Calore endogeno
33
fonti usi
finali
macchina a vapore WATT 1745
34
Innovazioni

• Introduzione di un vettore energetico intermedio
  (vettore termico) luso finale non è
  direttamente collegato alla fonte (energia sotto
  forma meccanica)
• Si ottiene energia meccanica da un combustibile
• La trasformazione energetica può avvenire in
  località diversa da quella della fonte ( la fonte
  ha energia accumulabile)
• Si possono costruire macchine di potenza sempre
  più grande ( aumento della produttività)

35
Correlazione tra produttività e potenza
Produttività p q/t Dove q quantità prodotta
nel tempo t Potenza P W/t Dove W energia
utilizzata nel tempo t per la produzione Conside
rando che q W/i ( i intensità
energetica) si ottiene p (1/i) P Nota è
immediato che per aumentare la produttività
occorre incrementare la potenza e diminuire
lintensità energetica ( miglioramento del
processo e delle trasformazioni energetiche)
36
fonti
usi finali
Sole
M
Uomo
Combustibile (en. pot. chimica)
T
T
Animali
L
Vento
pila Volta 1800
Cadute dacqua
Calore endogeno
37
1800 Volta presenta la pila a Napoleone
38
Illuminamento

• Lilluminamento artificiale è una costante
  richiesta dellumanità ed è iniziato con il fuoco
• Tanto più lumanità si aggrega e si trasferisce
  in spazi più strutturati ( città), tanto più la
  vita sociale chiede illuminamento, prima per gli
  interni e quindi per gli spazi esterni ( strade,
  piazze, )
• La richiesta di energia sottoforma radiante nel
  visibile costituisce elemento motore per lo
  sviluppo dellindustria dellenergia ( petrolio,
  gas, energia elettrica)

39
fonti usi
finali
lampadina Edison 1882
Sole
M
Uomo
T
T
Combustibile
Animali
L
M
Vento
Cadute dacqua
Calore endogeno
40
Edison

• Un completo sistema di distribuzione
  dell'elettricità deve essere sviluppato, e poiché
  io debbo competere col gas esso deve essere
  commercialmente efficiente ed economico, e la
  rete dei conduttori deve essere capace di
  alimentazioni da vari punti.
• Io debbo immaginare un sistema per misurare
  l'elettricità, come si misura il gas, in modo che
  io possa misurare la quantità di elettricità
  usata da ciascun consumatore. Questi misuratori
  ... debbono essere economici da costruire, di
  facile lettura e manutenzione.
• Mezzi e metodi debbono essere escogitati per
  mantenere un uguale voltaggio in ogni punto del
  sistema. Le lampade vicine alle dinamo debbono
  ricevere la medesima corrente delle lampade più
  lontane. Il bruciamento e la rottura di lampade
  non deve influire su quelle che rimangono
  efficienti nel circuito, e mezzi debbono essere
  impiegati per impedire violente fluttuazioni di
  corrente.

41
Edison

• Uno dei maggiori problemi era di costruire dinamo
  più efficienti e più grandi di quanto fosse stato
  fatto. Molti avevano stabilito che la resistenza
  interna dell'armatura dovesse essere uguale alla
  resistenza esterna ma io mi misi in mente che
  avevo bisogno di vendere tutta la elettricità che
  producevo e non dovevo perderne nelle macchine e
  perciò feci la resistenza interna piccola, ed
  ebbi disponibile per la vendita il 90 della
  energia prodotta.
• Oltre tutti questi molti altri elementi dovevano
  essere inventati o perfezionati, come artifici
  per impedire correnti eccessive, interruttori,
  sostegni di lampade, candelabri, e tutti i
  dettagli indispensabili per realizzare un sistema
  completo di illuminazione elettrica, che potesse
  competere con successo col sistema a gas.
• Tale era il lavoro da compiere nella prima parte
  del 1878. Il compito era enorme, ma noi mettemmo
  i nostri soldati alla ruota, ed in un anno e
  mezzo avemmo un sistema di illuminazione
  elettrica che fu un successo.

42
Edison

• Una questione che si riferisce a questo sistema è
  stata spesso fatta. Perché fissai 11 0 volt come
  tensione normale per la lampada a filamento di
  carbone? La risposta è che io basai il mio avviso
  sul meglio che potessi per ridurre il costo del
  rame, e le difficoltà che si incontravano per
  costruire lampade a voltaggio elevato. Pensai che
  110 volt fossero sufficienti per assicurare lo
  sviluppo commerciale del sistema e 110 volt è
  ancora il voltaggio normale .

43
Thomas Alva Edison was born in Milan, Ohio in
1847. The picture is from 1878.
Edison, nellarco della sua vita, presentò più di
1600 brevetti
44
PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO
L
Combustibile
T
E
M
per PRATICITA DUSO
45
fonti usi
finali
Altre fonti
M
T
Combustibile
T
M
Calore endogeno
L
Cadute dacqua
Stato della tecnologia a metà del 900
46
fonti usi
finali
fissione nucleare Fermi 1942
Altre fonti
M
T
Combustibile
T
Calore endogeno
M
L
Cadute dacqua
T
Materie fissili
47
(No Transcript)
48
PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO
T
Materie fissili
T
E
M
per UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE
49
fonti usi finali
M
T
Combustibile
T
Calore endogeno
M
L
Eolico,cadute dacqua, ..
T
materie fissili
solare
Stato attuale
50
Tecnica dellenergia
51
Filiera dellenergia

• Estrazione/Raccolta
• Collettazione
• Pretrattamento produzione di vettori energetici
• Accumulo
• Trasporto
• Accumulo
• Trasformazione (materia/forma dellenergia)produz
  ione di vettori energetici
• Accumulo
• Utilizzo (trasformazione finale nella forma
  utile)
• Recupero/collocazione ambientale residui

52
TRASFERIMENTO DELL ENERGIA

• imposto da
• la diversa localizzazione delle aree di
  produzione e di utilizzo
• TRASPORTO
• lelevato frazionamento degli apparati di uso
  finale
• DISTRIBUZIONE
  

53
Il trasferimento dellenergia può essere
effettuato

• trasportando materia in cui lenergia è
  accumulata (ad es. combustibili)
• trasmettendo lenergia senza trasferimento di
  materia (ad es. alberi rotanti, linee elettriche)

54
energia contenuta nellunità di massa
combustibili nucleari
combustibili fossili
accumulatori elettrochimici
H2
condensatori industriali
10 6
1
10-6
kWh / kg
55
I principali trasferimenti di energia si
effettuano

• per ogni uso trasportando combustibili
• con mezzi discontinui (ad es navi)
• con mezzi continui ( ad es. oleodotti)
• solo per usi elettrici trasmettendo con
  elettrodotti

56
confronto tra
trasporto combustibile
fonte
rete elettrica
trasmissione di energia elettrica
57
Raggio dazione
Distanza massima cui è economicamente conveniente
trasportare la merce.
Dipende da - modalità di trasporto - percorso
possibile - efficienza della trasmissione
58
Alcuni esempi

• Combustibili solidi e liquidi ad alto potere
  calorifico non hanno limiti, in pratica si
  possono solo avere concorrenza in base alla
  struttura logistica presente o da realizzare.
• Combustibili gassosi alcune migliaia di km se
  trasportati in gasdotti, come i combustibili
  liquidi se liquefatti.
• Energia elettrica alcune migliaia di km.
• Energia meccanica fino al centinaio di metri
  con alberi rotanti, fino ad alcuni km per le
  trasmissioni a fune e a nastro.
• Energia termica alcune centinaia di m con acqua
  calda, alcuni km con vapore.

59
sistemi

• Isolati
• Interconnessi
• con rete fisica
• con rete logistica
• Con accumulo
• Senza accumulo

60
Struttura di un grande sistema
61
Schema di principio rete gas
MP
BP
BBP
AP
s
G
62
Infrastrutture per il trasporto dellenergia
elettrica e del gas
63
Rete elettrica MT
64
Rete gas MP
65
conversioni

• Della forma dellenergia
• Del vettore

66
Accumulo
67
Classificazione funzionale degli accumuli

• Intrinseco insito nei dispositivi di un
  processo.
• Gestionale dispositivi addizionali inseriti per
  migliorare la gestione dei processi.
• Strategico dispositivi che contengono il bene
  necessario al funzionamento del processo, se
  isolato, o al funzionamento in emergenza, se
  collegato ad una rete di alimentazione del bene.

68
Accumulo cinetico(esempio di accumulo
intrinseco)
69
Equazione cinematica
70
EQUAZIONE ELETTROMECCANICA
Nel sistema elettrico è laccumulo intrinseco
(lenergia cinetica acculata nelle masse rotanti)
che permette il mantenimento dellequilibrio
fisico nei tempi brevi (minori di quelli di
intervento dei regolatori) quando si ha una
variazione del carico
71
CONSIDERAZIONI ENERGETICHE(integrale primo
dellenergia)
q
q


(
)
q
q
q
ò
ò
J
d


C
-
C
d
m
em
q
q
0
0
lavoro eseguito dalle coppie meccaniche
variazione di energia cinetica
2
2
q


1
1
(
)
q
q
q
ò
J
-
J



C
-
C
d
0
m
em
2
2
q
0
72
Esempi di configurazioni EV e HEV (HEVICEEV)
HEVs
EVs
SHEV
M


Azionamento elettrico
PHEV

En. Potenz. chimica
En. meccanica


73
Sistemi di propulsione ibridi
gestionale
intrinseco
Produzione
Convert
.
Serbatoio
Combustibile
Stoccaggio
Accumulo
Convert
.
Reversibile
Trasmiss
.
En.
cinetica
Gestione
Attriti
Frenatura
En.
potenziale
moto
Utilizzo
controllo
accumulo
convers
.
dissipaz
.
74
Consumo specifico medio di un veicolo in ambito
urbano

• Il consumo medio del parco veicoli con motore a
  combustione interna in ambito urbano è stimabile
  in circa 8 l per 100 km, che riportato in termini
  di energia primaria è stimabile in 1kWh/km.
• Per un veicolo IBRIDO nelle stesse condizioni è
  stimabile, in termini di energia primaria, in 0,6
  kWh/km

75
Stima del consumo di un veicolo ibrido plug-in in
ambito urbano

• Il veicolo ibrido plug-in in ambito urbano è come
  un veicolo elettrico, per la trazione utilizza
  lenergia prelevata dalla rete elettrica e
  accumulata nelle batterie. Si può stimare un
  consumo di enegia elettrica di circa 0,15kWh/km
• Nellipotesi di produrre lenergia elettrica con
  il parco termoelettrico nazionale, considerando
  lefficienza media, si può stimare il consumo in
  termini di energia primaria in circa 0,4kWh/km

76
Benefici nellesercizio del sistema elettrico

• Ipotizzando di avere cumulato una sostituzione di
  500.000 veicoli con plug-in e di effettuare la
  ricarica in circa 4 ore di notte con una potenza
  impegnata di 1kW, aggiungeremmo un carico alla
  rete elettrica di 500MW.
• Questo permetterebbe di caricare di più i gruppi
  marginali che funzionano al minimo tecnico con
  consistenti benefici in termini di rendimento
  nellipotesi del parco nazionale i 500MW
  permetterebbero di migliorare di circa il 7 il
  rendimento di tre grandi gruppi termici in
  funzione al minimo tecnico ( 1/3 della potenza
  nominale).
• Ia perdita di energia per la trasmissione dalle
  centrali alle prese è, in condizioni di alto
  carico, circa 8-9, durante la notte, al minimo
  carico, è circa il 5-6.
• In queste condizioni il consumo di energia
  primaria imputabile al plug-in sarebbe di
  0,3kWh/km.

77
Benefici nellesercizio del sistema elettrico

• Spostamento del punto di lavoro con miglioramento
  del rendimento energetico dei gruppi marginali e
  maggiore utilizzazione degli impianti esistenti.
• Maggiore utilizzazione dellenergia da fonti
  rinnovabili aleatorie, in specie quella eolica
• Maggiore utilizzazione delle reti esistenti con
  la carica notturna.

78
Gestione Flussi energetici
Ibridizzazione di tipo serie

• Definizione Veicoli ibridi sono veicoli con
  almeno due differenti sorgenti di energia per la
  propulsione di cui almeno una sia elettrica.
• Due sorgenti per la propulsione
• Generatore elettrico (gruppo elettrogeno con
  motore a combustione interna e/o Fuel Cell)
• Accumulo elettrochimico

Energia fornita dalle batterie in
accelerazione Energia generata in più per
ricaricare le batterie Energia recuperata in
frenatura con motore termico spento
79
Fase velocità costante
Fase Coasting
Fase Frenatura
Fase accelerazione
Profilo di missione elementare per lautomotrice
ALn668
80
Fase Coasting
Fase Frenatura
Fase velocità costante
Fase accelerazione
Sosta iniziale
Sosta finale
Lenergia è fornita dallaccumulo strategio
Ptenza scambiata dallaccumulo geionale
Lenergia per il moto è fornita dallaccumulo
intrinseco
81
Confronto dei consumi ed emissioni di una ALN668
ibrida e la stessa attualmente in esercizio su
una tratta reale Firenze Borgo S.Lorenzo -
Faenza
Emissioni g/km
ALN668 ibrido ALN668 attuale
NOx 8.3 22.5
HC 0.02 1.5
CO 0.22 5.7
CO2 1230 1480
PM 0.013 non disponibile
Stato di carica batterie
Consumo gasolio kg/km
ALn668 ibrido ALn668 attuale
0.39 0.48
stime per difetto in quanto non tengono conto
dei transitori (accelerazione decelerazione).
Dal confronto dei due power train si evidenzia la
convenienza dellibrido in termini di minori
consumi ed emissioni di inquinanti.
82
Veicoli interessati alla trasformazione
Automotrice Leggera Nafta ALN668 Trasporto
regionale 1. Ibridizzazione con motore termico
(ICE) 2. Ibridizzazione con ICE e Fuel Cell (FC)
Locomotore di Manovra D141 Operazione
smistamento Ibridizzazione con generatore a Fuel
Cell
83
Automotrice ALN668 ibrida con motore termico a
ciclo diesel

• POWER TRAIN OTTIMIZZATO oggetto della fattibilità
• Gruppo elettrogeno con motore termico IVECO
  260kW
• Accumulo elettrochimico Na-NiCl2 (ZEBRA) 285 kWh
  (sostituzione del pacco ogni due anni circa)
• Azionamenti elettrici con motore asincrono a
  velocità variabile da 160kW ciascuno.

84
Layout ALN668 ibrida diesel

• Tutto il POWER TRAIN è collocabile sottocassa,
  non impegna, quindi volume utile di trasporto.

85
Ibridizzazione ALN668
Vantaggi
Svantaggi

• Consumi di combustibile ridotti di almeno il 20
  rispetto al veicolo attuale.
• Elevata affidabilità del sistema
• Basso impatto ambientale relativamente ad
  emissioni inquinanti in atmosfera e acustiche
• - Funzionamento in puro elettrico (max
  30km) in prossimità di centri urbani (emissioni
  zero)
• - Funzionamento misto (emissioni di
  inquinanti notevolmente ridotte rispetto al
  veicolo attuale).

• Costo di trasformazione
• Costi di esercizio (legati alla manutenzione e
  sostituzione di alcuni componenti durante larco
  di vita utile del veicolo).

86
TENOLOGIE
87
Accumulo di energia meccanica

• Pompaggio di acqua
• Accumulo di aria compressa
• Volani (flywheels)

88
Pompaggio di acqua esempi
89

• VANTAGGI
• Alto rendimento
• Relativamente bassi costi unitari di impianto
• Tecnologia consolidata
• SVANTAGGI
• Difficoltà di localizzare siti adatti
• Tempi lunghi di realizzazione
• Possibile impatto ambientale

90
CAES (compressed air energy storage)
Laria 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 laria accumulata in
una turbina.
91
CAES (compressed air energy storage)
The first commercial CAES was a 290 MW unit built
in Hundorf, Germany in 1978. The second
commercial CAES was a 110 MW unit built in
McIntosh, Alabama in 1991. The construction took
30 months and cost 65M (about 591/kW). This
unit comes on line within 14 minutes. The third
commercial CAES, the largest ever, is a 2700 MW
plant that is planned for construction in Norton,
Ohio. This 9-unit plant will compress air to 1500
psi in an existing limestone mine some 2200 feet
under ground.
92

• VANTAGGI
• Alto rendimento
• Relativamente bassi costi unitari di impianto
• Tempi rapidi di costruzione
• SVANTAGGI
• Difficoltà di localizzare siti adatti
• Necessità di utilizzare combustibile pregiato
• Incerta competitività con altri sistemi di
  accumulo

93
Volani (flywheels)
Volani di alta potenza sono sviluppati ed
impiegati in UPS e nello spazio, mentre uno
sforzo è rivolto allo sviluppo di volani
commerciali per lunghe durata (fino ad alcune
Sistemi da 2kW / 6kWh sono usati nelle
telecomunicazioni. Megawatts per minuti o ore
possono essere accumulati in flywheel farm. 40
25kW / 25 kWh volani possono accumulare 1MW per 1
ora efficientemente, occupando poco spazio.
Lenergia accumulata è data da dove w è la
velocità rotazionale (rad/sec), I il momento di
inerzia della massa rotante, m è la massa rotante
e v è la velocità lineare.
94
Volani (flywheels)
95
Accumulo di energia termica classificazione
96
Accumulo di energia termica
CALORE SENSIBILE x Unità di massa
CALORE LATENTE x Unità di massa
97
Accumulo di energia termica campi di applicazione
Campi di applicazione Livello di temperatura
Processi industriali gt100 C
Calore per riscaldamento ed acqua calda sanitaria 45-90 C
Riscaldamento ad aria 30-60 C
Riscaldamento in accoppiamento con pompe di calore 10-30 C
Aria condizionata (accumulo del freddo) lt10 C
98
Accumulo del freddo
Laccumulo di energia forse più antica è quella
associata allutilizzazione del ghiaccio
proveniente da laghi e fiumi, che veniva
accumulata in ambiente ben isolati per poter
essere utilizzato per tutto lanno per le
applicazioni tipiche di conservazione del cibo e
condizionamento. Per esempio. Il Palazzo del
Parlamento ungherese a Budapest è ancora
condizionato con il ghiaccio proveniente dal Lago
Balaton in inverno.
99
Accumulo del freddo varie applicazioni
industriali

• Acqua fredda
• Ghiaccio
• Ice-on-Coil
• Ice Maker
• Sistemi a glicole
• Ice balls
• Ghiaccio incapsulato
• Sali eutettici

100
Esempi di applicazioni industriali
101

• VANTAGGI
• Aumento di rendimento degli impianti solari
• Flessibilità di sistema
• Uso di fonti rinnovabili
• SVANTAGGI
• Nuovi materiali
• Materiali di contenimento
• Scambiatori di calore e convertitori

102
Accumulo di energia elettrica e/o magnetica

• Magneti superconduttori
• Supercondensatori elettrochimici

103
SMES (superconducting magnets energy storage)
104

• Supercondensatori elettrochimici a doppio strato
  (EDLC)
• Un dispositivo elettrochimico, concettualmente
  simile ad una batteria, ma anche ad un
  condensatore convenzionale, che accumula energia
  sotto forma di carica elettrostatica, in uno
  strato polarizzato al confine o nellinterfaccia
  tra lelettrodo e lelettrolita.
• Pseudocondensatori
• In alcuni casi alla carica elettrostastica del
  doppio strato si aggiungono reazioni faradiche
  tra elettrolita e materiali elettrodici che
  aggiungono ulteriore trasferimento di carica (ed
  una pseudo-capacità che dipende dalla tensione di
  lavoro), come nei processi di
• Adsorbimento superficiale di ioni
  dallelettrolita
• Reazioni redox in ossidi metallici (di rutenio o
  di iridio)
• Drogaggio p- o n- di materiali polimerici
  conduttori
• Energia in un SC

105
Schema di un supercondensatore a doppio strato
106
Accumulo di energia chimica

• Accumulatori elettrochimici (batterie)
• Il caso dellidrogeno

107
Caratteristiche fondamentali delle batterie

1. Capacità
2. Energia Specifica
3. Densità di energia
4. Potenza specifica
5. Densità di potenza
6. Tempo ed efficienza di ricarica
7. Vita ciclica
8. Costo e disponibilità dei materiali

108
I sistemi di accumulo elettrochimico

• Accumulatori elettrochimici commerciali
• Piombo-acido
• Nichel-cadmio
• Nichel-idruri metallici
• Accumulatori elettrochimici avanzati
• Litio-ione
• Litio metallo
• Zebra

109
Batterie
PIOMBO ACIDO
VANADIO REDOX FLOW
SODIO - ZOLFO
110
Stato dellarte dei sistemi di accumulo in
batterie

111
Accumulatori o supercondensatori?
112
Stato della tecnologia
113
Confronto per applicazioni
114
Confronto per contenuto energetico
115
Confronto in termini di efficienza
116
Confronto economico
117
Confronto economico per ciclo
118
Laccumulo dellidrogeno
119
Il punto di partenza
Lidrogeno ha il più alto contenuto di energia
per unità di peso di qualsiasi combustibile 120
MJ/kg (pci) - 144 MJ/kg (pcs)
Putroppo a 300 K e 1 atm, 1 Litro di idrogeno
contiene soltanto 10,7 kJ (3 ordini di
grandezza meno di quanto servirebbe)
120
Principali sistemi di accumulo dellidrogeno

• Sistemi di accumulo convenzionali
• Idrogeno compresso
• Serbatoi criogenici (dewar)
• Combustibili liquidi (metanolo, etanolo, benzina,
  ecc.) con reformer
• Sistemi di accumulo innovativi
• Idruri e composti chimici (reversibili ed
  irreversibili)
• Nanostrutture di carbonio
• Nanotubi
• Grafite
• Fullerene

121
Volume e massa del sistema per accumulare 7 kg di
H2 (circa 550 km autonomia)
122
obiettivi
kg H
/m
3
2
200
Idruri chimici /
Slurry
organici
Diesel
Obiettivo
FreedomCAR
Obiettivo
FreedomCAR
100
Benzina
Obiettivo Programma
DoE
Obiettivo Programma
DoE
50
Idruri
metallici
Alanati
(futuro)
H
liquido
Alanati
(futuro)
2
20
Materiali a
base di C
Materiali a base di C (2002)
Materiali a base di C (2002)
10
H
compresso
2
H
compresso (2002)
H
compresso (2002)
2
2
350
-
700 bar
350
-
700 bar
5
0,5
1 2
5
10 20
123
Gestione energetica dellaccumulo
124
Accumulo elettrostatico
Processo classico di carica di un condensatore
La carica avviene attraverso un generatore di
tensione allistante t0 linterruttore viene
chiuso e il processo di carica termina dopo un
tempo infinito, quando la tensione del
condensatore è pari a quella del generatore (VE).
Lenergia erogata dal generatore per la carica
Wg C V 2
Lenergia immagazzinata nel condensatore
Wc ½ C V 2
h Wc / Wg ½
Lefficienza di carica del condensatore
125
Accumulo elettrostatico
Carica di un condensatore con generatore di
corrente
La carica avviene attraverso un generatore di
corrente allistante t0 linterruttore S1 viene
aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di
carica termina dopo un tempo t quando Q I t
C V da cui t C V / I
Lefficienza di carica del condensatore è
dove
Wi ½ C V2
e
Da cui
Se RiI molto maggiore di V il rendimento è
prossimo ad 1
126
Accumulo elettrochimico
Carica di un accumulatore con generatore di
tensione
La carica avviene attraverso un generatore di
tensione costante, laccumulatore è modellato da
una f.e.m. costante ed una resistenza interna.
Lenergia erogata dal generatore per la carica
Ib I (Eg-Eb)/(RgRb)
Wg Eg I t
Lenergia immagazzinata nellaccumulatore
Wb Q Eb I t Eb
hc Wb / Wg Eb / Eg
Lefficienza di carica dellaccumulatore
127
Accumulo elettrochimico
Scarica di un accumulatore su un carico
Lenergia immagazzinata precedentemente nella
carica non può essere fornita completamente ad un
carico.
Lenergia erogata dallaccumulatore
Wb Eb I t
Lenergia assorbita dal carico
Wc Ru I2 t
Lefficienza di scarica dellaccumulatore
Lefficienza complessiva di carica-scarica
dellaccumulatore
h hc hs
128
Accumulo elettrochimico
Carica di un accumulatore con generatore di
corrente
La carica avviene attraverso un generatore di
corrente allistante t0 linterruttore S1 viene
aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di
carica termina dopo un tempo t.
Lenergia immagazzinata nel accumulatore
Wb Eb I t
Lenergia erogata dal generatore per la carica
Wg Wb Rb I2 t
Lefficienza di carica dellaccumulatore
Lefficienza di scarica invece non cambia.
129
Andamento della energia erogata in scariche a
potenza costante per un accumulatore al
Piombo-Acido
Potenza erogata W Energia erogata Wh
225 4,25
30,8 30,8
12,7 38,1
130
Requisiti fondamentali del sistema di accumulo
131
I sistemi di accumulo di energia maggiormente
candidati per veicoli elettrici stradali

• Accumulatori elettrochimici commerciali
• Piombo-acido
• Nichel-cadmio
• Nichel-idruri metallici
• Accumulatori elettrochimici avanzati
• Litio-ione
• Litio metallo
• Zebra
• Supercondensatori
• Volani

132
Caratteristiche fondamentali delle batterie

1. Capacità
2. Energia Specifica
3. Densità di energia
4. Potenza specifica
5. Densità di potenza
6. Tempo ed efficienza di ricarica
7. Vita ciclica
8. Costo e disponibilità dei materiali

133
Stato dellarte dei sistemi di accumulo per
veicoli

134
Interconnessione
135
Interconnessione di reti energetiche
136
Interconnessione di reti per lenergia
Vantaggi
Svantaggi

• Maggiore capacità di gestione della domanda della
  risorsa
• Riduzione delle riserve
• Maggiore sicurezza della disponibilità della
  risorsa per lutilizzatore finale

• Ridondanze impiantistiche
• Complessità