SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA Gianmario L. Arnulfi (Università di Udine)

1. SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIA Gianmario L. Arnulfi (Università di Udine) gianmario.arnulfi@uniud.it 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

2. SISTEMI PER L’ACCUMULO DI ENERGIAGianmario L. Arnulfi - Università di Udine • Perché? • Quando? • È possibile? • Come? • Dove? • Conviene? • Chi? Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

3. COME SI “PRODUCE” L’ENERGIA Quasi tutta l’energia elettrica è prodotta da gruppi turbina-alternatore. 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. Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

4. 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. Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

5. PROSPETTIVE Generazione distribuita reti sistemi isolati impianti “accoppiati” Fonti rinnovabili stocastiche eolico solare Impianti non-stop carbone uranio Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

6. DISPOSITIVI DI ACCUMULO Chimico elettrolisi batteria “estrazione”+ossidazione  idrogeno Elettrico  magneti superconduttori Termico caldo  geotermia, matrici porose freddo  aria ingresso turbina Meccanico cinetico  volano gravitazionale  pompaggio elastico  gas compresso Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

7. ACCUMULO CHIMICO PbO2 + 2 H2SO4 + {X H2O} + Pb  2 PbSO4 + {X H2O} + 2 H2O + E • Batteria al piombo • Batteria alcalina  Aeromotore isolato 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 Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

8. “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) Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

9. ACCUMULO ELETTRICO Induttori e Condensatori Magneti superconduttivi Minime perdite Ni Ti He liquido T < 4 K Supercoducting Magnetic Energy Storage Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

10. ACCUMULO TERMICO • Sali eutettici • Sfere criogene • Sonde geotermiche • Pompe di calore geotermiche Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

11. ACCUMULO TERMICO – CRIOGENICO • Ritorno economico • scarso • rapido Thermal Energy Storage gas Turbine Inlet Air Cooling Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

12. 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 Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

13. ACCUMULATORI A VOLANO Attualmente esistono solo prototipi (es. gruppo di continuità). Esiste uno studio per un volano ∅ 6 m.  Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

14. ACCUMULO GRAVITAZIONALE Maglio a gravità (berta) Impianti idraulici di pompaggio Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

15. IMPIANTI DI POMPAGGIO Una centrale idroelettrica a bacino “modificata”. Attualmente è l’unica tecnologia significativa per l’accumulo di grandi quantità d’energia. Italia 7,6 GW 20 PJ/anno Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

16. 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 Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

17. 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) Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

18. ACCUMULO ELASTICO Molla metallica Molla pneumatica Aria compressa Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

19. ACCUMULO AD ARIA COMPRESSA Carica: un compressore insuffla aria in un “serbatoio”. Scarica: il gas* espande in turbina verso l’atmosfera. Bisogna riscaldare l’aria prima di espanderla, es. mediante combustione interna (gas*). • “Serbatoio” • caverna rocciosa • giacimento esaurito HC • miniera esaurita NaCl • caverna porosa • falda Compressed Air Energy Storage Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

20. IMPIANTI DI ACCUMULO AD ARIA Impianti Huntorf (Sassonia D) 1978 McIntosh (Alabama USA) 1992 Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

21. IMPANTI A PRESSIONE COMPENSATA Le turbomacchine lavorano male in condizioni fuori-progetto. Mettere in comunicazione il ”serbatoio” con un “lago” limita le oscillazioni di pressione. Il “serbatoio” deve essere molto profondo. Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

22. USO DELLE FALDE ACQUIFERE Accumulo di gas (CH4) in falda: tecnologia matura ma con periodo 1 anno. Roccia sollecitata a fatica con periodo 1 giorno: da studiare. • Attacco e sottrazione dell’ossigeno: da valutare. • Effetto Champagne. Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

23. CONVENIENZA Economica impianti molto costosi differenza prezzo energia ore piene-vuote pareggio “lontano” Energetica perdite A / R maggiori rendimenti dei restanti impianti Ambientale rilevante impatto sul sito nulli o quasi i gas tossici e gas serra Politica economica diversificazione fonti import\export energetico Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

24. ALTERNATIVA ALL’ACCUMULO Base+ Accumulo =Punta Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

25. CHI Accumulo idraulico ritorno a lungo termine rischio economico Accumulo ad aria tecnologia non matura rischio tecnico Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

26. 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. Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

27. UNITÀ DI MISURA 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 J = 0,000 278 W h 1 J = 0,000 239 kcal 1 J = 0, 000 000 000 023 883 TEP Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni

28. FORMULE Gemona del Friuli, 27 marzo 2010 - Scuola dell'energia sul lago dei tre comuni