C_Bossi_L`accumulo di energia_tecnologie applicazi

Milano, 14 dicembre 2011
L’accumulo di energia: tecnologie,
applicazioni e attività di ricerca RSE
Claudio Bossi
Importanza dell’accumulo di energia nelle reti elettriche
I sistemi di accumulo svolgono un ruolo strategico di supporto alla
generazione e allo sviluppo delle smart grid:
 offrono servizi alla rete: bilanciamento, regolazione di
frequenza e di tensione;
 disaccoppiano temporalmente la produzione e l’utilizzo
dell’energia da fonti rinnovabili;
 compensano l’aleatorietà della produzione da rinnovabili, cioè
consentono di immettere in rete l’energia prodotta secondo un
profilo prevedibile;
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Importanza dell’accumulo di energia nelle reti elettriche
 riducono le perdite di produzione per congestioni di rete;
 consentono la gestione dei picchi di carico (peak shaving),
permettendo di dimensionare la rete sulla potenza media;
 permettono di posticipare gli interventi di potenziamento
della rete;
 svolgono funzioni di Power Quality;
 sono necessari per la gestione ottimizzata delle microreti
di generazione distribuita.
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Tipologie di accumulo di energia per le reti
Accumulo di energia meccanica
 Impianti di pompaggio idroelettrico (energia potenziale
gravitazionale)
 Sistemi CAES (Compressed Air Energy Storage): accumulo di
aria compressa in un serbatoio geologico
 Volani (utilizzano energia cinetica rotazionale)
Accumulo di energia elettrochimica
 Batterie
Accumulo di energia elettrostatica
 Supercondensatori
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Gli impianti di pompaggio
L’impianto di pompaggio consente di
generare un flusso ciclico d’acqua tra
due invasi, posti a quote differenti.
E’ caratterizzato da due possibili fasi
di esercizio:
 generazione
 pompaggio
La fase generazione avviene nelle ore di punta dei consumi.
Nelle ore in cui c’è maggiore disponibilità d’energia (notturne e/o festive), l’acqua
accumulata nel serbatoio inferiore è risollevata nell’invaso superiore mediante
pompe azionate dall’alternatore (che funziona da motore).
Efficienza molto elevata con turbine reversibili a velocità variabile, attorno 80%
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Gli impianti di pompaggio
Capacità di pompaggio installata nel mondo: 123 GW.
Si stima una crescita a 203 GW nel 2014 .
In Europa la capacità complessiva è di 45 GW, entro il
2020 saranno costruiti più di 60 impianti per una
capacità complessiva di circa 27GW.
In Italia si è registrata nel periodo 2004-2010 una forte
diminuzione della produzione degli impianti di
pompaggio.
Il potenziale nazionale è sfruttato solo in piccola parte:
potenza installata 7641 MW - produzione 3,2 TWh nel
2010.
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Impianto di pompaggio de La
Muela II in Spagna 852 MW
(foto Iberdrola)
L’impianto pilota Okinawa Giappone pompaggio marino 30 MW
Prototipi di nuova concezione, con centrale in caverna che sfruttano il
mare come serbatoio inferiore.
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Sistemi CAES (Compressed Air Energy Storage)
L’energia accumulata sotto forma di aria compressa viene utilizzata in un
ciclo Brayton.
Un sistema CAES si compone di:
•
un compressore, azionato da un motore elettrico durante i
periodi con bassa richiesta di energia;
•
un sistema di accumulo di aria compressa (caverna salina
caverna in roccia, acquifero profondo, serbatoi metallici);
•
una turbina a gas, dove viene fatta espandere l’aria
accumulata.
La turbina è fisicamente separata dal compressore: i due componenti
sono azionati in modo indipendente, disaccoppiando così temporalmente
le fasi di compressione (consumo di energia) e di espansione
(produzione di energia).
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Sistemi CAES (Compressed Air Energy Storage)
Ciclo ibrido CAES + turbina a gas (progetto EPRI)
Efficienza attorno 65%
Ad oggi, sono operativi solo due impianti CAES, uno in Germania (Huntorf) da
290 MW (anno 1978) ed uno negli Stati Uniti (MacIntosh- Alabama) da 110 MW.
Negli anni ’80, ENEL sperimentò la tecnologia CAES presso Sesta (Si),
realizzando una piccola unità da 25MW.
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Batterie Piombo acido
Trovano largo impiego in applicazioni stazionarie quali UPS, alimentazioni
di emergenza in centrali o sottostazioni elettriche, nelle telecomunicazioni
e nei trasporti.
Tecnologia matura ed economica, utilizzo di materie prime poco costose.
Vita attesa breve, bassa energia e potenza specifica.
Efficienza energetica:
70 ÷ 85 [%]
Vita attesa DOD 80%:
800 [cicli]
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Batterie nichel/cadmio
Sono impiegate in diverse applicazioni industriali, militari e nel trasporto
dove si richiedono sistemi robusti e affidabili.
Buona durata di vita e buone prestazioni a basse e alte temperature.
Per ragioni ambientali (cadmio) può venire sostituito dall’accumulatore
nichel/idruri metallici (più costoso).
Efficienza energetica:
60 ÷ 70 [%]
Vita attesa DOD 80%:
1000 ÷ 1200 [cicli]
Temperatura di lavoro:
-50 ÷ 70°C
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Batteria Redox a flusso di elettrolita al Vanadio (VRB)
Disaccoppiamento tra potenza ed energia: a parità di potenza installata si
può aumentare la capacità della batteria aumentando il volume dei serbatoi.
 Il costo per ciclo di lavoro e per sistemi di grossa taglia è contenuto.
 Adatta ad applicazioni che richiedono prestazioni in energia.
 Maggior manutenzione per la presenza del circuito idraulico e di organi in
movimento.
 Intervallo di temperatura di funzionamento limitato.
Efficienza energetica:
60 ÷ 85 [%]
Vita attesa DOD 80%:
> 10000 [cicli]
Temperatura di lavoro:
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Sistema VRB per peak shaving da 45 kW – 90 kWh in RSE
0 ÷ 40°C
Batterie ad alta temperatura
Comprendono le sodio/zolfo e le sodio/cloruro di nichel.
Lavorano ad una temperatura interna tra 240 e 320 °C.
Elevati rendimenti energetici, prestazioni indipendenti dalla temperatura
ambiente, buona vita attesa.
L’elettrolita ceramico è un componente critico della batteria nel caso di rottura:
 Na/S contatto sodio e zolfo con sviluppo di una reazione molto violenta;
 Na/NiCl ridotta pericolosità (reazione diretta tra il sodio e il
tetracloroalluminato di sodio)
BMS (Battery Management system System) per gestione e sicurezza delle
batterie.
Efficienza energetica: 70 ÷ 90 [%]
Vita attesa DOD 80%: 4500 [cicli] Na/S,
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2500 ÷ 3000 [cicli] Na/NiCl
Batterie Litio-ioni
Le prestazioni delle celle litio-ioni dipendono dalla tipologia dei materiali
elettrodici/ elettroliti utilizzati, presentando differenti vantaggi/svantaggi in termini
di energia specifica, potenza specifica, vita, costi e sicurezza.
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Batterie Litio-ioni
La stessa tipologia di cella può essere realizzata per applicazioni in
potenza oppure in energia.
Le celle litio-ioni possono dare origine a situazioni di pericolo se
sottoposte a condizioni di sovraccarico elettrico e/o termico, per questo
è necessario l’utilizzo di un sistema di bilanciamento delle tensioni di cella
e di un BMS.
Efficienza energetica:
80 ÷ 95 [%]
Vita attesa DOD 80%:
1500 ÷ 5000 [cicli]
Temperatura di lavoro:
-30 ÷ 60°C in scarica
0 ÷ 60°C in carica
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Confronto tra i sistemi di accumulo nelle principali applicazioni
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Le attività di Ricerca RSE sull’accumulo di energia
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Valutazione delle potenzialità di sviluppo del pompaggio
Banca dati dei serbatoi e delle infrastrutture
idroelettriche italiane con indicazione delle relative
condizioni di esercizio e delle attuali limitazioni di
invaso.
Studio delle possibilità di connessione tra serbatoi
esistenti (idroelettrici e non) a fini di pompaggio.
Individuazione dei serbatoi esistenti che potrebbero
essere collegati con impianti di pompaggio di mediagrande taglia (> 200 MW).
Banca dati di siti idonei per l’installazione di impianti di
pompaggio marino di media-grande taglia.
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Valutazione siti idonei per applicazioni CAES
Identificazione delle tipologie di serbatoio geologico idonee per applicazioni
CAES presenti sul territorio nazionale.
Sviluppo di un codice per l’analisi dinamica della pressione di carica/scarica
di un serbatoio realizzato in formazioni rocciose porose (acquiferi salini,
giacimenti esausti petrolio/gas).
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Valutazioni tecnico-economiche di sistemi CAES
Stima dei costi d’investimento e analisi tecnico-economiche.
Sviluppo di un codice che, per ogni zona di mercato,
fissata la taglia dell’espansore e individuati gli intervalli di acquisto e vendita
dell’energia elettrica,
consente d’identificare la taglia ottimale del treno di compressione e del volume
del serbatoio geologico,
così da minimizzare il costo dell’energia elettrica prodotta.
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Accumulo elettrico: prove di caratterizzazione di base
Litio-ferro-fosfato
Litio NCA
Batteria Na/NiCl
Prove di scarica a corrente costante a
diverse temperature ambiente
In collaborazione con ENEA è stata prodotta una Procedura
di prova per batterie litio-ione e supercondensatori.
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Caratterizzazione batterie in applicazioni stazionarie e veicolari
16,00
Valutazione delle prestazioni e della
vita delle batterie in applicazioni
smart grid e veicolari.
Potenza assorbita dal carico
Potenza Fotovoltaico
Potenza da rete
Potenza Cogeneratore
14,00
12,00
Potenza [kW]
10,00
Prove di vita su batterie Li-ioni, Na/NiCl
e Piombo.
8,00
6,00
4,00
Definizione di procedure di gestione
ottimizzata.
2,00
0,00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo [h]
8,00
6,00
Potenza [kW]
CARICA
4,00
2,00
Batteria
0,00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
-2,00
-4,00
SCARICA
-6,00
-8,00
Tempo [h]
Impiego veicolare: prova di sollecitazione dinamica
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Bilanciamento potenza in una microrete
Sperimentazione di dispositivi per Power Quality
Volani e supercondensatori sono utilizzati per la compensazione dei
disturbi di rete e per alimentare carichi sensibili durante le microinterruzioni.
Prove di caratterizzazione e di vita dei supercondensatori
Efficienza energetica: 85 ÷ 98 [%] Vita attesa: 500000 ÷1000000 [cicli]
Temperatura di lavoro: - 40 ÷ 65°C
Volano installato presso RSE:
 Potenza massima 100 kW per 30 s
 Tensione di uscita 450-850 Vcc
 Velocità di rotazione 36000 giri/min
 Vita attesa: oltre 20 anni
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23
Sviluppo di sistemi con accumulo elettrico
Filtro attivo con supercondensatori
Il sistema è dimensionato per un carico trifase da 10 kVA, svolge le
funzioni di:
 compensazione delle interruzioni fino a un massimo di 10s
 peak shaving sulla corrente di alimentazione del carico
 correzione degli squilibri nelle correnti delle fasi
 filtraggio delle armoniche di corrente.
Sistema per il controllo del profilo di immissione in rete da FV
E’ in corso lo sviluppo di un sistema con batterie al litio asservito a
un campo fotovoltaico di un’utenza domestica, per controllare il
profilo di immissione in rete.
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Sviluppo di batterie ad alta temperatura Na/NiCl
L’attività si svolge in collaborazione con IENI-CNR di Padova.
Il CNR sta sviluppando nuovi materiali per batterie ad alta temperatura, ha
prodotto una serie di dischi di ”-allumina da impiegare come elettrolita nelle
monocelle.
L’elettrolita è sottoposto a prove di caratterizzazione da parte di RSE: prove di
tenuta corpo cella-membrana ceramica e misure di conducibilità ionica.
Progetto di nuove geometrie di cella.
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Cella realizzata da RSE per la caratterizzazione dei materiali
La Test facility di Generazione Distribuita di RSE
Microrete AC
Microrete
DC
FV
22 kW
Dish Stirling
10 kW
Turbina
100 kW
160 kWth
Batteria VRB
Volano
45 kW
100 kW
90 kWh Batterie Na/NiCl
INVERTER
AC/DC
Batterie Pb
FV
Diesel
23 kV
10 kW
10 kW
90 kWth
Quadro di
configurazione e
protezione
96 kW 54 kWh
INVERTER
AC/AC
400 V
LAN,powerline
MV/LV
800 kVA
3 kW
Carichi
Mini-eolico
simulato
26
Casa
Domotica
ORC
Biomassa
Celle a
combustibile
Supervision &
Control system
Batterie Litio
69 kW 36 kWh
100 kW + 70 kVAR
Grazie per l’attenzione !
Per ulteriori informazioni:
http://www.rse-web.it/
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