Tecnica dell’energia

1. Tecnica dell’energia

2. Filiera dell’energia • Estrazione/Raccolta • Collettazione • Pretrattamento :produzione di vettori energetici • Accumulo • Trasporto • Accumulo • Trasformazione (materia/forma dell’energia):produzione di vettori energetici • Accumulo • Utilizzo (trasformazione finale nella forma utile) • Recupero/collocazione ambientale residui

3. TRASFERIMENTO DELL’ ENERGIA • imposto da: - la raccolta dalle strutture di produzione diffuse COLLETTAZIONE - la diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo TRASPORTO • l’elevato frazionamento degli apparati d’uso finale DISTRIBUZIONE

4. Il trasferimento dell’energia può essere effettuato: • trasportando materia in cui l’energia è accumulata (ad es. combustibili) • trasmettendo l’energia senza trasferimento di materia (ad es. alberi rotanti, linee elettriche)

5. energia contenuta nell’unità di massa combustibili nucleari combustibili fossili accumulatori elettrochimici H2 condensatori industriali 10 6 1 kWh / kg 10-6

6. 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

7. confronto tra: trasporto combustibile fonte rete elettrica trasmissione di energia elettrica

8. Raggio d’azione Distanza massima cui è economicamente conveniente trasportare la merce. Dipende da: - modalità di trasporto - percorso possibile - efficienza della trasmissione

9. 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.

10. sistemi • Isolati • Interconnessi : con rete fisica con rete logistica • Con accumulo • Senza accumulo

11. RETE DI TRASMISSIONE E INTERCONNES. RETE DI DISTRIB.MT RETE DI DISTRIB.PRIMARIA CENTRALE STAZIONE CABINA PRIMARIA CABINA MT- BT CARICO RETE DI DISTRIB.BT Struttura di un grande sistema

12. Schema di principio rete gas MP BP BBP AP s G

13. Infrastrutture per il trasporto dell’energia elettrica e del gas

14. Rete elettrica MT

15. Rete gas MP

16. conversioni • Della forma dell’energia • Del vettore

17. Accumulo

18. 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.

19. a2 f Cem Cm a1 a3 Accumulo cinetico(esempio di accumulo intrinseco)

20. +j E’ V q wm w0 r wm Equazione cinematica

21. · × W J = C - C m m em · 1 ( ) × W J = P - P m m em W m EQUAZIONE ELETTROMECCANICA Nel sistema elettrico è l’accumulo intrinseco (l’energia cinetica acculata nelle masse rotanti) che permette il mantenimento dell’equilibrio fisico nei tempi brevi (minori di quelli di intervento dei regolatori) quando si ha una variazione del carico

22. En. elettrica Esempi di configurazioni EV e HEV (HEV=ICE+EV) HEVs EVs SHEV M Azionamento elettrico PHEV En. Potenz. chimica En. meccanica

23. Ibridizzazione di tipo serie GENERATORE ELETTRICO MOTORE ELETTRICO Potenza fornita alla propulsione SISTEMA DI ACCUMULO (BATTERIE) RUOTA tempo Potenza fornita dal motore termico con la massima efficienza Potenza fornita dalla propulsione Potenza scambiata dall’azionamento Gestione Flussi energetici • 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

24. Fase: velocità costante Fase: Coasting Fase: Frenatura Fase: accelerazione Profilo di missione elementare per l’automotrice ALn668

25. Fase: Coasting Fase: Frenatura Fase: velocità costante Fase: accelerazione Sosta iniziale Sosta finale L’energia è fornita dall’accumulo strategio Ptenza scambiata dall’accumulo geionale L’energia per il moto è fornita dall’accumulo intrinseco

26. 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] Stato di carica batterie Consumo gasolio [kg/km] *stime per difetto in quanto non tengono conto dei transitori (accelerazione – decelerazione). Dal confronto dei due power train si evidenzia la convenienza dell’ibrido in termini di minori consumi ed emissioni di inquinanti.

27. Layout ALN668 ibrida diesel Tutto il POWER TRAIN è collocabile sottocassa, non impegna, quindi volume utile di trasporto.

28. 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 l’arco di vita utile del veicolo).

29. strategico Gestione combustione Minimo inquinamento S Gestione potenza Minimo consumo S Sistemi di propulsione ibridi gestionale intrinseco Produzione Convert . Serbatoio Combustibile Stoccaggio Accumulo Convert . Reversibile Attriti e servizi ausiliari di bordo Trasmiss . Gestione En. cinetica Frenatura moto En. potenziale Utilizzo controllo accumulo convers . dissipaz .

30. 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

31. 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 l’energia prelevata dalla rete elettrica e accumulata nelle batterie. Si può stimare un consumo di enegia elettrica di circa 0,15kWh/km • Nell’ipotesi di produrre l’energia elettrica con il parco termoelettrico nazionale, considerando l’efficienza media, si può stimare il consumo in termini di energia primaria in circa 0,4kWh/km

32. Benefici nell’esercizio 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: nell’ipotesi 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.

33. Benefici nell’esercizio del sistema elettrico • Spostamento del punto di lavoro con miglioramento del rendimento energetico dei gruppi marginali e maggiore utilizzazione degli impianti esistenti. • Maggiore utilizzazione dell’energia da fonti rinnovabili aleatorie, in specie quella eolica • Maggiore utilizzazione delle reti esistenti con la carica notturna.

34. Inserzione di un accumulo gestionale • Sincronizzare sistemi di produzione e utilizzazione temporalmente asincroni. • Le potenze in ingresso e in uscita possono essere di valore diverso: si conserva l’energia. • Conseguenze del punto precedente: - è possibile effettuare il down size della produzione - è possibile scegliere il miglior punto di lavoro della produzione - è possibile migliorare l’utilizzazione di una struttura - è possibile effettuare il «livellamento dei prezzi»

35. TENOLOGIE

36. Accumulo di energia meccanica • Pompaggio di acqua • Accumulo di aria compressa • Volani (flywheels)

37. Pompaggio di acqua: esempi

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

39. CAES (compressed air energy storage) L’aria 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 l’aria accumulata in una turbina.

40. 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.

41. VANTAGGI • Buon 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

42. 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. L’energia 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.

43. Volani (flywheels):

44. Accumulo di energia termica: classificazione

45. Accumulo di energia termica CALORE SENSIBILE x Unità di massa CALORE LATENTE x Unità di massa

46. Accumulo di energia termica: campi di applicazione

47. Accumulo del freddo L’accumulo di energia forse più antica è quella associata all’utilizzazione del ghiaccio proveniente da laghi e fiumi, che veniva accumulata in ambiente ben isolati per poter essere utilizzato per tutto l’anno 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.

48. Accumulo del freddo: varie applicazioni industriali • Acqua fredda • Ghiaccio • Ice-on-Coil • Ice Maker • Sistemi a glicole • Ice balls • Ghiaccio incapsulato • Sali eutettici

49. Esempi di applicazioni industriali

50. 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