SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA
Gianmario L. Arnulfi (Università di Udine)
[email protected]
Si presenta una panoramica sui dispositivi di accumulo di energia, partendo
dall'opportunità e dalla fattibilità del processo. Si segue un percorso che ha
come guida le cinque classiche domande del giornalista “Chi? Dove? Quando? Come?
Perché?”, sia pure in altro ordine di apparizione, più due caratteristiche
dell’ingegnere “È fattibile? Conviene?”
La trattazione sull’accumulo è preceduta da una breve premessa sulla generazione
(per meglio dire conversione) di energia.
Segue un elenco di tipologie di processi di accumulo e relativi dispositivi. Sono
trattate con maggior dettaglio le due tipologie di impianto che permettono
l’accumulo di grandi quantità di energia: quella, consolidata e abbastanza
diffusa, del pompaggio d’acqua e quella, rarissima ma provata da decenni di
funzionamento senza inconvenienti, della compressione d’aria.
Concludono la trattazione alcune considerazioni sulla eventuale convenienza della
pratica dell’accumulo da diversi punti di vista: economico, energetico,
ambientale, politico, anche in considerazione dell’alternativa all’accumulo
stesso.
Segue un’appendice sull’unità di misura.
L’autore ha svolto attività scientifica sui dispositivi contrassegnati da una
stellina accanto al numero di pagina.
Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni
1
SISTEMI PER
L’ACCUMULO DI ENERGIA
Gianmario L. Arnulfi - Università di Udine

Perché?

Quando?

È possibile?

Come?

Dove?

Conviene?

Chi?
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2
COME SI “PRODUCE” L’ENERGIA
 Quasi tutta l’energia elettrica è
prodotta da gruppi turbinaalternatore.
 Il fluido (acqua, aria, vapore o gas)
entra a contenuto energetico alto
ed esce a basso.
 Parte dell’energia sottratta al fluido
è convertita dalla turbina in lavoro
all’albero.
 Parte del lavoro è a sua volta
convertito dall’alternatore in
energia elettrica.
 La doppia conversione è
necessaria per il trasporto a grandi
distanze.
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PERCHÉ E QUANDO ACCUMULARE
 La domanda varia in modo
abbastanza prevedibile.
 L’offerta è modulabile:
centrali di base e di punta.
 L’opportunità di accumulo è
da valutare.
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PROSPETTIVE
 Generazione distribuita
– reti
– sistemi isolati
– impianti “accoppiati”
 Fonti rinnovabili stocastiche
– eolico
– solare
 Impianti non-stop
– carbone
– uranio
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DISPOSITIVI DI ACCUMULO
 Chimico
– elettrolisi

– “estrazione”+ossidazione 
batteria
idrogeno
 Elettrico

magneti superconduttori
 Termico
– caldo
– freddo


geotermia, matrici porose
aria ingresso turbina
 Meccanico
– cinetico
– gravitazionale
– elastico



volano
pompaggio
gas compresso
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ACCUMULO CHIMICO
Batteria al piombo
PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb  2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E
Batteria alcalina
2 Ni(OH)2 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe(OH)2  2 Ni(OH)3 + {X K+ Y Li(OH)2} + Fe + E
Energia
1
GJ
Potenza
1
MW
Rendimento
90
%
Periodo
10
h
Costo
30
k€
 Aeromotore isolato
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“ACCUMULO” A IDROGENO
 L’idrogeno è diffuso in natura.
 Sulla terra esiste in natura solo
“combinato” (H2O, CH4…)
 La sua “estrazione” è costosa
– economicamente
– energeticamente
 H + sole/vento = 100% ecologico
 Carica (ore vuote) = estrazione
– idrocarburi (reforming)
– acqua (elettrolisi)
 Immagazzinamento
– gas (4-20 MPa, 288 K)
– liquido (100 kPa, 20 K)
 Trasporto
– bombole
– gasdotto
 Scarica (ore piene)
– combustione pulita
– conversione diretta (celle a
combustibile)
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ACCUMULO ELETTRICO
 Induttori e Condensatori
I2
EL
2
V2
E C
2
 Magneti superconduttivi
– Minime perdite
– Ni Ti
– He liquido T < 4 K
Supercoducting Magnetic Energy Storage
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ACCUMULO TERMICO
 Sali eutettici
 Sfere criogene
 Sonde geotermiche
 Pompe di calore geotermiche

m c T f  Ti
E
m q

 sensibile
 latente
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ACCUMULO TERMICO – CRIOGENICO
Energia
30
GJ
Potenza
1
MW
103
%
1
giorno
200
k€
Rendimento
Periodo
Costo
 Ritorno economico
– scarso
– rapido
Thermal Energy Storage gas Turbine Inlet Air Cooling
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ACCUMULO CINETICO
 Volani di “regolarizzazione”
– cuscinetti a sfere
– periodo = 1 s
– alte perdite d’energia
 Volani di “accumulo”
– resine epossidiche + vetro
– sospensione magnetica
– vuoto criogenico (1 mPa)
– basse perdite d’energia
– tecnologia non matura

EJ
2
2
2
D
J m
8
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ACCUMULATORI A VOLANO
 Attualmente esistono solo
prototipi (es. gruppo di
continuità).
 Esiste uno studio per un
volano ∅ 6 m.

Energia
36
MJ
Potenza
3
kW
Rendimento
99
%
Periodo
10
min
Costo
?
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ACCUMULO GRAVITAZIONALE
 Maglio a gravità (berta)
 Impianti idraulici di
pompaggio
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IMPIANTI DI POMPAGGIO
 Una centrale idroelettrica a
bacino “modificata”.
 Attualmente è l’unica
tecnologia significativa per
l’accumulo di grandi quantità
d’energia.
Energia
10
GJ
Potenza
250
MW
Rendimento
70
%
1
giorno
1
anno
250
M€
Periodo
Costo
 Italia
– 7,6 GW
– 20 PJ/anno
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TIPOLOGIE DI POMPAGGIO
 Configurazioni
– quaternario
– ternario (rendimento, inversione)
– binario (costo)
 Classificazione
– gronda (2 bacini inferiori)
– puro
– misto (reintegro > 5%)
 Esempi
– Fadalto (BL) ternario misto
– Presenzano (CS) binario puro
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POMPAGGIO A BASSO SALTO
 Costi molto minori
 Impianti ex novo
 “Densità energetica” bassa
 Impatto ambientale alto
 Maree artificiali (accumulo):
– nessun impianto oggi
 Maree naturali:
– Rance (F)
Energia
5
GJ
Potenza
240
MW
Rendimento
66
%
Periodo
1
giorno
Costo
?
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ACCUMULO ELASTICO
 Molla metallica
 Aria compressa
 Molla pneumatica
x2
Ek
2
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ACCUMULO AD ARIA COMPRESSA
 Carica:
un compressore insuffla aria
in un “serbatoio”.
 Scarica:
il gas* espande in turbina
verso l’atmosfera.
 “Serbatoio”
– caverna rocciosa
– giacimento esaurito HC
– miniera esaurita NaCl
– caverna porosa
– falda

Bisogna riscaldare l’aria
prima di espanderla, es.
mediante combustione
interna (gas*).
Compressed Air Energy Storage
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IMPIANTI DI ACCUMULO AD ARIA
 Impianti
– Huntorf (Sassonia D)
1978
– McIntosh (Alabama USA)
1992
D
USA
Energia
2
10
TJ
Potenza (carica)
60
60
MW
Potenza (scarica)
290
110
MW
Rendimento
66
78?
%
Periodo
1
1
giorno
200 ?
?
M€
Costo
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IMPANTI A PRESSIONE COMPENSATA
 Le turbomacchine lavorano
male in condizioni fuoriprogetto.
 Mettere in comunicazione il
”serbatoio” con un “lago” limita
le oscillazioni di pressione.
 Il “serbatoio” deve essere molto
profondo.
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USO DELLE FALDE ACQUIFERE
 Accumulo di gas (CH4) in
falda: tecnologia matura ma
con periodo 1 anno.
 Attacco e sottrazione
dell’ossigeno: da valutare.
 Roccia sollecitata a fatica
con periodo 1 giorno: da
studiare.
 Effetto Champagne.
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CONVENIENZA
 Economica
 Ambientale
– impianti molto costosi
– rilevante impatto sul sito
– differenza prezzo energia
– nulli o quasi i gas tossici
ore piene-vuote
e gas serra
– pareggio “lontano”
 Energetica
– perdite A / R
– maggiori rendimenti dei
restanti impianti
 Politica economica
– diversificazione fonti
– import\export energetico
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ALTERNATIVA ALL’ACCUMULO
Base + Accumulo = Punta
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CHI
 Accumulo idraulico
– ritorno a lungo termine
– rischio economico
 Accumulo ad aria
– tecnologia non matura
– rischio tecnico
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CONCLUSIONI
 Accumulare grandi quantità
di energia è possibile.
 La scelta del sito è imposta,
ma la disponibilità sembra
vasta.
 L’impatto ambientale è forte,
nel bene e nel male.
 L’accumulo può portare a un
uso più razionale delle fonti.
 La convenienza economica è
da valutare.
 Attualmente sembra esserci
un rinnovato interesse.
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UNITÀ DI MISURA
E   P dt
Wh  W h
k
1 J = 1 W s = 1/3600 W h
1 TEP = 10 000 000 kcal
1 kcal = 4187 J
1 J = 1/4187 kcal
1 000
M 1 000 000
1 J = 0,000 278 W h
G 1 000 000 000
1 J = 0,000 239 kcal
T 1 000 000 000 000
1 J = 0, 000 000 000 023 883 TEP
P 1 000 000 000 000 000
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FORMULE
F dv

m dt
M d

J
dt
V dI

L dt
I dV

C
dt
v2
Em
2
2
EJ
2
I2
EL
2
V2
E C
2
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