Trasporto e Stoccaggio dell’Energia:
Come diventare “Smart”
Milano, 11 Luglio 2011
Mario Conte
Unità Tecnica “Tecnologie Avanzate per l’Energia e l’Industria”
Unità di Coordinamento “Sistemi di Accumulo dell’Energia”
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ENEA/UTTEI/MC/11072011/ATI-ANIMP Milano
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Schema della presentazione
L’accumulo di
energia: principi e
metodi
Opportunità per
l’accumulo nelle reti
elettriche
Le attività
sull’accumulo
all’ENEA
Conclusioni
• Perché e come accumulare energia
• Campi di applicazione
• Le funzioni principali
• Criteri di scelta
• La R e S di sistemi al litio innovativi
• Alcune esempi di applicazioni di accumulo
nelle reti elettriche
• Prospettive di applicazione
• Le attività future
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Cosa fa un sistema di accumulo?
L’accumulo di energia consente di adattare efficientemente
ed economicamente l’offerta e la domanda di energia
Nella FORMA (energia chimica, elettrica, meccanica, termica…..)
Nel TEMPO di produzione/disponibilità da quello di uso
Nello SPAZIO (luogo di produzione e di utilizzo)
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I vantaggi dell’accumulo di energia
L’utilizzo dell’accumulo aggiunge
flessibilità e qualità ai sistemi
energetici in funzione della posizione,
dell’applicazione e delle prestazioni
richieste
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L’accumulo: una nuova “dimensione” nelle reti
elettriche
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Come accumulare energia
I metodi e/o le forme di energia
ENERGIA MECCANICA
• Sistemi di pompaggio (energia potenziale)
• Volani (energia cinetica)
• Sistemi ad aria compressa (energia di compressione od elastica)
ENERGIA TERMICA
• Serbatoi di acqua o pietre o acquiferi
• Materiali a transizione di fase
• Pompe di calore
ENERGIA ELETTRICA e ELETTROMAGNETICA
•Supercondensatori
•Magneti superconduttori
ENERGIA CHIMICA/ELETTROCHIMICA
• Batterie
• Idrogeno
6 ammoniaca, ecc.)
• Combustibili convenzionali e innovativi (biocombustibili,
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Come accumulare energia
Caratteristiche principali di alcuni tipi o metodi di accumulo
Tipo di accumulo
COMBUSTIBILI FOSSILI
 Olio
combustibile
 Carbone
 Legno secco
COMBUSTIBILI SINTETICI
 Idrogeno
gassoso
 Idrogeno liquido
 Metanolo
 Etanolo
ACCUMULO TERMICO (Bassa temperatura)
 Acqua
(DT=60°C)
 Rocce (DT=60°C)
 Ferro (DT=60°C)
ACCUMULO TERMICO (Alta temperatura)
 Rocce (DT=200°C)
 Ferro
 Sali
(DT=200°C)
(DT=200°C)
ACCUMULO MECCANICO
 Pompaggio d’acqua
 Aria
compressa
 Volani
ACCUMULO ELETTROCHIMICO
 Batterie al
piombo
 Batterie nickel-cadmio
 Batterie avanzate
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Energia specifica
kWh/kg
Densità di energia
kWh/m3
11.7
8.9
4.2
10270
11670
2780
33.3
33.3
5.8
7.8
2.78
2417
4720
6110
0.07
≈0.01
≈0.01
69
27-112
64
0.04
≈0.03
>0.08
119
222
>83
0.0003
--0.06
0.28
4.2
28
0.03
0.06
0.10
7
28-250
≈97
>100
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Campi di applicazione
Reti elettriche convenzionali
Reti elettriche del futuro prossimo (con
più fonti rinnovabili e gestione smart)
Trazione elettrica stradale
Elettronica di consumo
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8
L’accumulo nelle reti elettriche
e per le fonti rinnovabili
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L’evoluzione delle reti elettriche verso soluzioni “Smart”
Ieri
Oggi
Domani
10
Fonte: IEA 2011
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Le possibili localizzazioni dell’ accumulo
Parti in rosso
Caratteristiche e funzioni variano con la posizione e l’applicazione
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Evoluzione dell’accumulo nelle reti elettriche
Dal pompaggio di acqua a…..
Batterie
redox a
flusso
Micro
CAES
Batterie
avanzate
Volani
FC con
accumulo di
idrogeno
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Micro
SMES
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Uso nelle reti elettriche
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Uso nelle reti elettriche
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Fonte: EPRI 2008
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Le funzioni principali dei sistemi di accumulo
Generazione
Trasmissione e
distribuzione
Fonti rinnovabili
Servizi ausiliari
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•
•
•
•
Energy management
Generazione di picco
Load following
Livellamento del carico
• Controllo della tensione
• Power Quality (PQ)
• Affidabilità di sistema
• Adattamento tra produzione e carico
• Controllo ed integrazione in rete
• Riserva
•
•
•
•
Risposta in frequenza
Riserva rotante
Riserva in standby
Riserva a lungo termine
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Esempi di analisi economica dell’uso dell’accumulo
(Studio SANDIA 2009 su 10 anni)
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CAES (compressed air energy storage)
Principio di funzionamento
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.
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Volani (flywheels): esempi e ricerca
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Accumulo di energia termica: esempi di accumulo di
calore sensibile stagionale (acquiferi)
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Batterie
SODIO - ZOLFO
PIOMBO ACIDO
VANADIO REDOX A FLUSSO
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LITIO-IONE
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Batterie – esempi di applicazioni
Sodio - zolfo
LITIO-IONE
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Principali sistemi di accumulo dell’idrogeno
Sistemi di accumulo convenzionali
Idrogeno compresso
Serbatoi criogenici (dewar)
Combustibili liquidi (metanolo, etanolo, benzina, ecc.)
con reformer
Sistemi di accumulo innovativi
Idruri metallici
Composti chimici (reversibili ed irreversibili)
Nanostrutture di carbonio
Nanotubi
Grafite
Fullerene
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Grado di sviluppo ed applicazione di alcune
tecnologie dell’accumulo di energia
Tecnologia
Potenza del
sistema in MW
Costo Totale in Energia in MWh
$/kW
21
1184.25
14.10
In servizio dal
1992
10
1961
40
In servizio dal
1988
Batteria a flusso
REGENESYS
15
1667
120
Stima progettuale
DS SMES
2
343
0.0007
Pre-serie
SMES x Puerto Rico
10
1963
0.10
Stima
Volano UPS
0.25
400
0.0011
Pre-serie
Bacino di pompaggio
Piastra Edolo ENEL
1020
ND
ND
In servizio dal
1982
Batteria Pb Puerto Rico
Batteria Pb Chino
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Note
Fonte: Sandia (modificato)
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Il mercato mondiale attuale dei sistemi di
accumulo nelle reti elettriche
Pompaggio acqua 99%
365 Na-S
Ni-Cd
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Litio
16
35 Piombo
110.000 MW
440 CAES
3
Redox
24
Fonte: Fraunhofer Institute
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Evoluzione del mercato mondiale dei sistemi di
accumulo nelle reti elettriche
25
Fonte: Fraunhofer Institute
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Le attività dell’ENEA sui sistemi di accumulo
Ricerca
Studi e
caratterizzazione
•
•
•
•
•
Batterie (Litio)
Supercondensatori
Accumulo dell’idrogeno
Superconduttività – SMES
Interfaccia di gestione e controllo
• Progettazione di massima per le
applicazioni
• Sviluppo di procedure di prova
• Stazioni di prova
• Dimostrazioni in scala da laboratorio
ed in scala relae
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26
Accumulo elettrochimico
Ricerca e sviluppo di nuovi materiali per




Batterie al piombo
Batterie al litio innovative
Supercondensatori elettrochimici
Ricerca e sviluppo di liquidi ionici per vari
sistemi di accumulo
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ENEA/UTTEI/MC/11072011/ATI-ANIMP Milano
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Accumulo elettrochimico per le reti elettriche
Ricerca e sviluppo di nuovi materiali per




Nuovi materiali catodici ed anodici
Benckmarking batterie commerciali
“Second life” batterie al litio
Dimostrazioni
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Una batteria al litio per una funicolare
L’applicazione alla Funicolare di Bergamo




Recupero dell’energia in frenata
Livellamento del carico di potenza
Riserva di energia e potenza in emergenza
Una batteria completa da 100 kW and 17,5
kWh è stata progettata ed acquistata.
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Carro-ponte con l’aggiunta di un sistema di
accumulo (supercondensatori) – Prove al banco
Il massimo risparmio ottenibile dall’aggiunta di un
pacco di supercondensatori elettrochimici è stato
del 31% di energia elettrica rispetto al sistema
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senza supercondensatori.
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Laboratori di prova di sistemi di accumulo
Sistema di laboratori integrati



Stazioni di prova per batterie fino a 450 V e
600 A.
Stazione di prova per supercondensatori
Camere climatiche per prova di componenti a
temperatura controllata (da -40 °C a +100 °C)
Camera climatica
Ciclatori per celle
Ciclatori per batterie
Stazione prova SC
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Conclusioni
L’accumulo di energia svolge un ruolo fondamentale
nell’ottimizzazione e nell’utilizzo di fonti convenzionali e
rinnovabili nelle reti elettriche
I metodi per accumulare energia sono molteplici ed
implicano diversi aspetti scientifici e tecnologici, nonché
economici, vantaggiosi per le reti elettriche (anche in ottica
Smart Grids)
L’accumulo può risultare una risorsa energetica aggiuntiva
pur non essendo un fonte di energia, perché consente di
rendere disponibile l’energia dove, come e quando si vuole.
L’ENEA mette a disposizione risorse umane e strumentali ed
un’esperienza ventennale per la ricerca, lo sviluppo, lo studio e la
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caratterizzazione di sistemi di accumulo per le diverse applicazioni.
ENEA/UTTEI/MC/11072011/ATI-ANIMP Milano
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Per maggiori informazioni
Ringrazio per la cortese attenzione!!!
[email protected]
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