Idrogeno da fonte rinnovabile di grande
taglia (14.000 MW) ed analisi di sistemi di
accumulo fisico e chimico
Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*)
(*) DiMSET, Università di Genova e SIIT Genova, Italia
PROBLEMATICHE FONTI RINNOVABILI
-Eolico
Disponibilità temporale
Variazioni ORARIE
-Solare
-Idroelettrico
Variazioni MENSILI
Andamento temporale richiesta elettricità: diagrammi di carico
P [MW]
P [MW]
PUNTE DI
CARICO
ECCEDENZE
CARICO
DI BASE
d
0
365
DIAGRAMMA STAGIONALE
Accumulo dell’energia
in eccedenza
DIAGRAMMA GIORNALIERO
Per sistemi di
grande taglia
Idrogeno da
elettrolisi dell’H2O
Milano, 11 luglio 2011
Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)
Al confine tra Paraguay e Brasile
è la centrale idroelettrica più
grande nel mondo in termini di energia
prodotta.
Milano, 11 luglio 2011
Diga di Itaipu, dimensioni del bacino
• Area
1350 km2
• Lunghezza
170 km
• Larghezza media
7 km
• Volume max
29,000,000,000 m3
• Acqua spillata (max)
62,200 m3/s
Milano, 11 luglio 2011
Impianto idroelettrico di Itaipu
•14.000 MW di potenza installata (20 turbine da 700 MW)
•Record di 95.000 GWh prodotti (2008), 1/3 del fabbisogno italiano
•Acqua spillata (62.000m3/s) disponibile per generare H2
Produzione di energia elettrica
ENERGIA PRODOTTA
 Valore medio (circa 10 GW)
variabile di anno in anno
 Sarebbe divisa a metà, in
realtà il Paraguay ne vende
una parte al Brasile
Milano, 11 luglio 2011
Energia prodotta ed energia spillata
ENERGIA SPILLATA
• Il suo valore medio varia
sensibilmente di anno in anno
• Disponibile per produrre H2
su larga scala
L’energia spillata dipende
dalla portata d’acqua, quindi
varia fortemente con il mese.
Milano, 11 luglio 2011
Potenza spillata e richiesta elettrica
MWe
Paraguay consumption [MWe]
Brazil consumption [MWe]
Total request [MWe]
12000
10000
8000
6000
4000
2000
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
Spilled power [MW]
Tim e [h]
Variazione oraria nel
carico elettrico
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Spilled Pow er
Average value
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dec
Potenza spillata variabile col mese
Necessità di analisi
termo-economica
su base annuale
Milano, 11 luglio 2011
Codice di calcolo ECoMP
CURVE DI CARICO
(CALORE & ELETTRICITA)
OTTIMIZZAZIONE LAY OUT
MIX
1.60E+00
E
C
1.40E+00
~
FILTER
1.20E+00
1.00E+00
8.00E-01
to stack
ECO
EVA
SH
6.00E-01
4.00E-01
Cogeneration
2.00E-01
0.00E+00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
CONNESSIONI
ALLA RETE
ECoMP
SOFTWARE
OTTIMIZZAZIONE TAGLIA
(Tutti i Componenti)
Ottimizzazione
Impianti
OTTIMIZZAZIONE
STRATEGIA
ELECTRIC POWER
WINTER - WEEKDAY
2.00E+00
Purchased Electr. Pow.
Generated Electr. Pow.
Eletcr. Power Demand
1.50E+00
Eletcric Power [kWe]
SCENARIO ECONOMICO
(PREZZI DI VENDITA/ACQUISTO)
1.00E+00
5.00E-01
0.00E+00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Hours
Milano, 11 luglio 2011
24
Impianto per produzione e accumulo H2
Diga di ITAIPU
14.000 MW
Potenza
prodotta
Potenza
spillata
Elettrolizzatori
(1 MWe)
O2
Stoccaggio
H2
Carico elettrico
(PY + BR)
H2
Utenze H2
Milano, 11 luglio 2011
Analisi ECoMP impianto H2
Accumulo fisico in serbatoio
ECoMP
software
Nei periodi in cui non si ha acqua spillata,
La richiesta di H2 è soddisfatta dal serbatoio.
Accumulo fisico alternativo
Nei periodi in cui non si ha acqua spillata si
sceglie di non vendere energia alla rete per
alimentare gli elettrolizzatori.
VANTAGGIO: costi capitali serbatoio ridotti
• Analisi di un intero anno di funzionamento dell’impianto
• Ottimizzazione della taglia del sistema di produzione e
confronto delle due tecniche di accumulo
Milano, 11 luglio 2011
Produzione e accumulo H2 (160 MW)
Accumulo fisico in serbatoio di grandi dimensioni (70.000 m3)
Milano, 11 luglio 2011
Produzione e accumulo H2 (160 MW)
Serbatoio ridotto (200 m3), acquisto di energia dalla rete
Milano, 11 luglio 2011
Confronto delle due soluzioni di accumulo
Accumulo con
rete elettrica
Minori costi
capitali
Soluzione
economica ottima
Auto a idrogeno alimentate: 15.000 auto al giorno!
Milano, 11 luglio 2011
Influenza del costo delle auto a Idrogeno
Analisi economica (H2, NO auto)
700
600
500
400
SENZA AUTO
M€
300
NPV
200
CF
100
0
-100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
12
13
14
15
-200
-300
Years
Analisi economica (15.000 auto H2)
100
-100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
CON AUTO
M€
-300
NPV
-500
CF
-700
-900
-1100
Costo di un’auto a Idrogeno
Costo aggiuntivo totale
Years
40.000 €
600.000.000 €
Grande influenza
Dei costi delle auto
Milano, 11 luglio 2011
Difficoltà legate all’Idrogeno
Costi molto elevati per le auto a Idrogeno
Difficoltà nello stoccaggio e nel trasporto (idrogenodotti)
 Mancanza di utilizzi diversificati
La trasformazione di H2 in CH4 garantisce alcuni vantaggi:
Costi delle auto a metano paragonabili a quelle a benzina
Possibilità di adattare le auto a benzina già esistenti
Possibili altri impieghi del metano
Trasporto nei metanodotti già esistenti
Milano, 11 luglio 2011
Produzione H2 con accumulo chimico come CH4
Diga di ITAIPU
14.000 MW
Potenza
spillata
Potenza
prodotta
Elettrolizzatori
(1 MWe)
O2
Carico elettrico
(PY + BR)
H2
CO2
Metanatori
Utenze CH4
Milano, 11 luglio 2011
Produzione H2 (160 MW) e accumulo CH4
Milano, 11 luglio 2011
Influenza del costo delle auto a metano
Analisi economica (CH4 NO auto)
150
100
50
SENZA AUTO
0
0
M€
-50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
-100
NPV
-150
CF
-200
-250
-300
-350
Years
M€
Analisi economica (15.000 auto a metano)
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
-250
-300
-350
CON AUTO
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
NPV
CF
Years
Costo di un’auto a CH4 (adattamento) 1.000 €
Costo aggiuntivo totale
15.000.000 €
Influenza modesta
Dei costi delle auto
Milano, 11 luglio 2011
Confronto tra accumulo fisico e chimico
Ricavi annuali
PBP
NPV finale
Maggiori con accumulo fisico
Ridotto con accumulo chimico
Risulta praticamente lo stesso
per le due soluzioni
Milano, 11 luglio 2011
Conclusioni
PRODUZIONE H2
Accumulo fisico non accettabile, costi del serbatoio troppo elevati
La soluzione migliore è acquistare energia dalla rete e installare al limite
un serbatoio di piccole dimensioni.
I tempi di ritorno sono fortemente influenzati dai costi elevati delle auto.
PRODUZIONE CH4
Stoccaggio chimico, H2 trasformato in CH4, di più facile trasporto e utilizzo
Costi delle auto molto ridotti rispetto al caso precedente
Tempi di ritorno di circa 10 anni
Produzione di metano “pulito”, perché è stato prodotto sequestrando CO2
Dove prelevare la CO2?
Costo o benefit?
Milano, 11 luglio 2011
Sviluppi futuri
Diga di ITAIPU
14.000 MW
Potenza
spillata
Potenza
prodotta
Elettrolizzatori
(1 MWe)
Carico elettrico
(PY + BR)
O2
H2
Syngas
Mix gas
Metanatori
Gassificatore
Biomasse
Utenze CH4
Milano, 11 luglio 2011
Idrogeno da fonte rinnovabile di grande
taglia (14.000 MW) ed analisi di sistemi di
accumulo fisico e chimico
Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*)
(*) DiMSET, University of Genova and SIIT Genova, Italy