Sistemi per l’energia

Note lessicali in relazione al corso

• Dispositivo. Oggetto(materiale o immateriale) utilizzato per compiere una determinata funzione.

• Sistema. Insieme di dispositivi connessi (nel rispetto della compatibilità fisica e funzionale) e coordinati (in ambito spazio-temporale) in grado di perseguire un dato obiettivo.

Note lessicali in relazione al corso

• Processo. Sequenza temporale di attività (denominate anche fasi) mediante le quali si persegue un dato obiettivo (normalmente produttivo). Particolare tipo di sistema.

• Struttura. Complesso degli elementi costitutivi di un sistema (considerati nei loro rapporti ed interdipendenza).

• Impianto. Insieme di dispostivi connessi, nel rispetto della

compatibilità fisica e funzionale, strutturalmete in grado di produrre un bene (materiale o immateriale).

• Infrastruttura. Complesso degli impianti che cosentono e condizionano un’attività.

La terra è un sistema a risorse finite

Per raggiungere l’obbiettivo di uno sviluppo sostenibile occorre minimizzare lo sfruttamento delle

risorse di base :• energia

• materie prime

• ambiente (inteso come territorio geograficamente, socialmente ed economicamente definito)

ENERGIA

MATERIE PRIME

(carbone, petrolio, ecc.)

AMBIENTE(gas serra, residui, ecc.)

Sviluppo sostenibile

• Azioni (comportamento) nello spazio e nel tempo in grado di assicurare le necessarie risorse all’umanità presente e futura.

Risorse naturali

• Sono i materiali esistenti in natura potenzialmente utili a produrre merci e soddisfare bisogni.

• Sono beni economici in quanto hanno le caratteristiche di : limitatezza, accessibilità e utilità.

• L’accessibilità e l’utilità dipendono dal progresso tecnologico che ne rende possibile l’estrazione e la trasformazione.

Variabilità delle risorse nel tempo

• Modifica delle necessità umane che portano a valutare diversamente le risorse.

• Sostituzione di una materia prima con un’altra per ottenere lo steso prodotto.

• Sintesi di nuovi materiali .

Definizioni date da UN e WEC

Risorsa è la concentrazione naturale di materiali solidi, liquidi o gassosi nella o sulla crosta terrestre in forma tale che l’estrazione da essa di

materie prime sia potenzialmente ed effettivamente realizzabile.

Possono essere :

- Identificate (posizione, quantità e qualità note per evidenza fisica supportata da misurazioni strumentali);

- Non ancora scoperte (ipotetiche o supposte)

Si definisce riserva la quota di risorsa identificata dalla quale il materiale utile può essere economicamente estratto al momento della

determinazione (condizioni economiche attuali e tecnologie disponibili)

riserveN

on sfruttabili

possibili

probabili

accertate

Attuale sfruttamento

sconosciute

conosciuteEsplorazioni favorevoli

Aum

ento

di c

once

ntra

zion

e

Classificazione risorse

Energia - Fonte

• Dato un sistema fisico esiste una funzione energia E = f(ai(t)) delle variabili di stato ai(t) osservabili che non dipende dal tempo.

• Più intuitivamente : un sistema fisico contiene energia se potenzialmente può compiere lavoro.

• Un sistema fisico contenente energia è una fonte se è possibile rendere, almeno in parte, l’energia, in esso contenuta, disponibile in quantità e con caratteristiche adatte all’utilizzazione da parte dell’uomo.

• In altre parole se si controlla.

FONTI DI ENERGIA

MECCANICA

TERMICA

RADIANTE

CHIMICA

NUCLEARE

Sole

Animali, vento, cadute d’acqua

Biomasse, combustibili fossili

Calore endogeno

Materie fissili

USI DELL’ENERGIA

TERMICA

ELETTRICA

MECCANICA

Riscaldamento

Illuminazione

Supporto all’informazione

Tratta-mento della

materia

Trasporti

RADIANTE

Il comportamento più naturale sarebbe quello di disporre di unafonte di energia e utilizzarla o convertirla direttamente nella forme dell’energia richiesta per l’uso finale.

Nella maggior parte dei casi questo non si fa.

Con le tecnologie oggi disponibili è preferibile effettuare una serie di trasformazioni che producono

vettori energetici intermedifino ad ottenere quello più adatto per l’uso finale.

L’esempio più evidente è quello del vettore elettrico.

Vettori energetici

Vettore elettrico

ss ttrr

V

QQ

I

dP

H

E

H = f( I,1/d) E = g(V,1/d)

g

fonti trasformazioni usi fin.

T

M

L

EH 2 FC

elettrica

termica

meccanica

radiante

fluido dinamica

endogena

nucleare

chimica

Principali elementi caratterizzanti un sistema per l’energia

• Fonte : energia disponibile in natura che, mediante controllo, può essere resa disponibile nelle forme dell’utilizzazione finale.

• Utilizzatore : sistema fisico che permette di ottenere il bene finale atto a soddisfare i bisogni.

• Vettore: sistema fisico che permette il trasferimento e la conversione della forma dell’energia.

• Accumulo : sistema fisico in grado di conservare e scambiare energia con un altro sistema.

Sistema energetico

fonte utilizzazione

Trasformazione della forma dell’energiaTrasformazione del vettoreCollettazioneTrasporto DistribuzioneAccumulo

infrastruttura

funzioni

Il bene energia

• L’energia è un bene in grado di soddisfare un numero sempre crescente di bisogni.

• E’, da tempo, talmente indispensabile da essere considerata una “commodity”.

• E’ talmente rilevante, per la nostra società, la disponibilità e l’accesso a questa risorsa da assurgere ad elemento di “pubblica utilità”.

Il prodotto energia• Se si considera il carbone, la benzina, il gasolio,l’olio

combustibile è, comunemente, immediato parlare di prodotti

• Per il metano è già un po’ meno immediato parlare di prodotto, anzi, per molti, è assimilabile più ad un servizio

• L’energia elettrica per i più è un servizio e non un prodotto : questo aspetto è stato trattato dalla Comunità Europea che nel 1986 ha definito l’energia elettrica un prodotto

• Considerare l’energia un prodotto è fondamentale per definire e strutturare il mercato della stessa, in particolare il libero mercato che è diventato obiettivo prioritario in ambito Comunitario

Il servizio per l’energia

• E’ il rendere disponibile l’energia all’utenza in maniera sicura e di adeguata qualità

• E’ il rende possibile all’utenza l’accesso alla risorsa• Condizione necessaria per un libero mercato

dell’energia e/o per espletare un servizio di pubblica utilità è l’accesso non discriminatorio dei produttori e degli utenti, cioè i soggetti che interagiscono nel mercato, alle infrastrutture energetiche ( TPA)

Il contesto di policy europeo• La decisione del Consiglio Europeo del 6 ottobre 2006 inerente gli

“Orientamenti strategici comunitari per la coesione economica, sociale e territoriale (2007-2013)”, punta a realizzare una stretta sinergia tra le tre dimensioni: economica, sociale ed ambientale

• L’integrazione tra crescita e tutela dell’ambiente viene confermata della nuova politica europea in materia energetica che mira a:

• 1. realizzare un vero mercato interno dell’energia agendo in particolare

su due fattori: una maggiore indipendenza dei soggetti che gestiscono le reti da quelli che producono energia e lo sviluppo delle interconnessioni come fattore indispensabile per la creazione di un mercato comune;

• 2. accelerare il passaggio ad un’economia a basse emissioni di carbonio, agendo sullo sviluppo delle fonti rinnovabili, sulla diversificazione del mix di fonti, sulla ricerca nel campo delle tecnologie energetiche in grado di abbattere le emissioni della produzione di energia;

• 3. dotarsi di un Piano per l’efficienza energetica di impatto multisettoriale, con la proposta di un nuovo accordo internazionale per il raggiungimento di obiettivi quantitativi comuni entro il 2020.

Il contesto di policy nazionale

• Una forte incentivazione alla produzione di energia da fonti rinnovabili ( certificati verdi, conto energia).

• Un premio economico a chi sviluppa azioni di risparmio energetico attraverso un meccanismo di titoli negoziabili TEE (certificati bianchi) e attraverso sconti fiscali.

• Una progressiva apertura, liberalizzazione e regolazione dei mercati nel settore dell’energia

Decreto “Bersani” 79/99Ha recepito la Direttiva Europea 96/92 CE

Decreto “Letta” 164 / 2000Ha recepito la Direttiva Europea 98/30/CE.

La liberalizzazione dei mercati

Direttiva 2003/54/CEconsiderazioni

• Perché la concorrenza funzioni occorre che l’accesso alla rete sia fornito senza discriminazioni, in modo trasparente e a prezzi ragionevoli. (riduzione delle barriere infrastrutturali)

• I clienti dell’energia elettrica dovrebbero poter scegliere liberamente il loro fornitore …….. essi dispongano di un diritto reale ed effettivo di scegliere il loro fornitore. (libertà)

• Gli stati membri possono designare un fornitore di ultima istanza. (tutela)

Intensità energeticai = w/q

dove : W energia necessaria per produrre la quantità q.La quantità q può essere un dato prodotto, un servizio o il PIL di

una data area. Il dato è abbastanza stabile sul brve-medio termine.

Da cui : w = i qdove q è la quantità prodotta con l’intensità i.

Questa formula può essere utilizzata per la previsione dei consumi energetici sul medio termine.

Mentre : q = W/ipuò essere utilizzata per le previsioni economiche a breve termine

Intensità energetica

• E’ dipendente :

- dalle tecnologie utilizzate per la produzione di beni e servizi

- dall’efficienza delle trasformazioni energetiche dalle fonti primarie alla forma utile per la produzione di beni e servizi

Breve storia dell’energia

Uomo

Sole

M

T

L

fonti usi finali

Caratteristica delle fonti : - Sole : periodica (periodicità dovuta al moto degli astri,quindi non controllabile), con una componente aleatoria dovuta alla nuvolosità, sono grossolanamente controllabili gli usi finali mediante schermi. - Uomo : controllabile.

Uomo

Sole

M

T

L

Combustibile

fonti usi finali

fuoco

prometeo

Caratteristiche della fonte:

- controllabile nel tempo, nello spazio

- accumulabile

- trasportabile

Uomo

Sole

M

T

L

E

Combustibile

Animali

Calore endogeno

fonti usi finali

Cadute d’acqua

Vento

fonti usi finali

Uomo

Sole

M

T

L

Combustibile

Animali

Vento

Cadute d’acqua

Calore endogeno

T

macchina a vapore

WATT 1745

Innovazioni • Introduzione di un vettore energetico intermedio

(vettore termico) : l’uso finale non è direttamente collegato alla fonte (energia sotto forma meccanica)

• Si ottiene energia meccanica da un combustibile• La trasformazione energetica può avvenire in

località diversa da quella della fonte ( la fonte ha energia accumulabile)

• Si possono costruire macchine di potenza sempre più grande ( aumento della produttività)

Correlazione tra produttività e potenza

Produttività p = q/t

Dove: q quantità prodotta nel tempo t

Potenza P = W/t

Dove : W energia utilizzata nel tempo t per la produzione

Considerando che q = W/i ( i intensità energetica)

si ottiene p = (1/i) P

Nota : è immediato che per aumentare la produttività occorre incrementare la potenza e diminuire

l’intensità energetica ( miglioramento del processo e delle trasformazioni energetiche)

Uomo

Sole

M

T

L

Combustibile

(en. pot. chimica)

Animali

Calore endogeno

fonti usi finali

T

Epila

Volta 1800

Vento

Cadute d’acqua

1800 Volta presenta la “pila” a Napoleone

Illuminamento • L’illuminamento artificiale è una costante richiesta

dell’umanità ed è iniziato con il fuoco

• Tanto più l’umanità si aggrega e si trasferisce in spazi più strutturati ( città), tanto più la vita sociale chiede illuminamento, prima per gli interni e quindi per gli spazi esterni ( strade, piazze, …)

• La richiesta di energia sottoforma radiante nel visibile costituisce elemento motore per lo sviluppo dell’industria dell’energia ( petrolio, gas, energia elettrica)

Uomo

Sole

M

T

L

E

Combustibile

Animali

Calore endogeno

fonti usi finali

T

EM

lampadina

Edison 1882

Vento

Cadute d’acqua

Edison • Un completo sistema di distribuzione dell'elettricità deve

essere sviluppato, e poiché io debbo competere col gas esso deve essere commercialmente efficiente ed economico, e la rete dei conduttori deve essere capace di alimentazioni da vari punti.

• Io debbo immaginare un sistema per misurare l'elettricità, come si misura il gas, in modo che io possa misurare la quantità di elettricità usata da ciascun consumatore. Questi misuratori ... debbono essere economici da costruire, di facile lettura e manutenzione.

• Mezzi e metodi debbono essere escogitati per mantenere un uguale voltaggio in ogni punto del sistema. Le lampade vicine alle dinamo debbono ricevere la medesima corrente delle lampade più lontane. Il bruciamento e la rottura di lampade non deve influire su quelle che rimangono efficienti nel circuito, e mezzi debbono essere impiegati per impedire violente fluttuazioni di corrente.

Edison• Uno dei maggiori problemi era di costruire dinamo più efficienti e più

grandi di quanto fosse stato fatto. Molti avevano stabilito che la resistenza interna dell'armatura dovesse essere uguale alla resistenza esterna; ma io mi misi in mente che avevo bisogno di vendere tutta la elettricità che producevo e non dovevo perderne nelle macchine: e perciò feci la resistenza interna piccola, ed ebbi disponibile per la vendita il 90% della energia prodotta.

• Oltre tutti questi molti altri elementi dovevano essere inventati o perfezionati, come artifici per impedire correnti eccessive, interruttori, sostegni di lampade, candelabri, e tutti i dettagli indispensabili per realizzare un sistema completo di illuminazione elettrica, che potesse competere con successo col sistema a gas.

• Tale era il lavoro da compiere nella prima parte del 1878. Il compito era enorme, ma noi mettemmo i nostri soldati alla ruota, ed in un anno e mezzo avemmo un sistema di illuminazione elettrica che fu un successo.

Edison

• Una questione che si riferisce a questo sistema è stata spesso fatta. Perché fissai 11 0 volt come tensione normale per la lampada a filamento di carbone? La risposta è che io basai il mio avviso sul meglio che potessi per ridurre il costo del rame, e le difficoltà che si incontravano per costruire lampade a voltaggio elevato. Pensai che 110 volt fossero sufficienti per assicurare lo sviluppo commerciale del sistema; e 110 volt è ancora il voltaggio normale ….

Thomas Alva Edison was born in Milan, Ohio in 1847. The picture is from 1878. Edison, nell’arco della sua vita,

presentò più di 1600 brevetti

T EMLCombustibile

PREFERENZA ALVETTORE ELETTRICO

perPRATICITA’ D’USO

Altre fonti

M

T

L

E

Combustibile

Calore endogeno

fonti usi finali

T

ME

Cadute d’acqua

Stato della tecnologia a metà del ‘900

Altre fonti

T

L

E

Combustibile

Calore endogeno

fonti usi finali

T

ME

Materiefissili T

fissione nucleareFermi 1942

M

Cadute d’acqua

               

                                                

            Enrico Fermi works with an

electronic control for a neutron chopper during his

Argonne days.

T EM

T

PREFERENZAAL VETTORE ELETTRICO

perUTILIZZO ENERGIA NUCLEARE

Materiefissili

solaresolare

fonti usi finali

L

E

Combustibile

Eolico,cadute d’acqua, …..

Calore endogeno

T

ME

materiefissili T

M

T

Stato attuale

Tecnica dell’energia

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

• imposto da:–la diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo

TRASPORTO- l’elevato frazionamento degli apparati di uso finale

DISTRIBUZIONE

TRASFERIMENTO DELL’ ENERGIA

• trasportando materia in cui l’energia è accumulata (ad es. combustibili)

• trasmettendo l’energia senza trasferimento di materia (ad es. alberi rotanti, linee elettriche)

Il trasferimento dell’energia

può essere effettuato:

energia contenuta nell’unità di massa

combustibili nucleari

combustibili fossili

10 6 10-61

accumulatorielettrochimici

condensatoriindustriali

kWh / kg

H2

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

confronto tra:

fonte rete elettrica

trasporto combustibile

trasmissione di energia elettrica

Raggio d’azione

Distanza massima cui è economicamente conveniente trasportare la merce.

Dipende da:

- modalità di trasporto

- percorso possibile

- efficienza della trasmissione

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.

sistemi• Isolati

• Interconnessi :con rete fisicacon rete logistica

• Con accumulo • Senza accumulo

CENTRALE CENTRALE

RETE DI RETE DI TRASMISSIONETRASMISSIONE

E INTERCONNES.E INTERCONNES.RETE DI RETE DI

DISTRIB.MTDISTRIB.MT

STAZIONE STAZIONE CABINA CABINA PRIMARIA PRIMARIA

CABINACABINAMT- BT MT- BT

RETE DI DISTRIB.BTRETE DI DISTRIB.BT

CARICOCARICO

RETE DI RETE DI DISTRIB.PRIMARIADISTRIB.PRIMARIA

Struttura di un grande sistema

Schema di principio rete gas

AP MP BP BBP

sG

Infrastrutture per il trasporto dell’energia elettrica e del gas

Rete elettrica MT

Rete gas MP

conversioni

• Della forma dell’energia

•Del vettore

Accumulo

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.

a2

a3

a1

f

Cm

Cem

Accumulo cinetico(esempio di accumulo intrinseco)

p = = +m m 0

V

E’

0

m

m

m = 1p

r

+j

Equazione cinematica

Jm m em = C - C

J

mm

m em = 1

P - P

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

CONSIDERAZIONI ENERGETICHE(integrale primo dell’energia)

J d = C - C dm em0

0

12

12

2

J - J = C - C d0

2

m em0

lavoro eseguitodalle coppie meccaniche

variazione dienergia cinetica

Esempi di configurazioni EV e HEV (HEV=ICE+EV)

EVs

HEVs

M

ICE GenSys

SHEV

ME ME

ICE

PHEV

M

Azionamento elettrico

En. Potenz. chimica

En. elettrica En. meccanica

Attriti

Produzione

Utilizzo

En. cinetica En. potenziale

Gestionecombustione

Minimo inquinamento

Gestionemoto

Gestionepotenza

Minimo consumo

Serbatoio Combustibile

AccumuloReversibile

Convert.

Convert.

Trasmiss .Frenatura

controllo accumulo convers . dissipaz .

Sistemi di propulsione ibridistrategico gestionale intrinseco

Stoccaggio

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

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

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.

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.

Gestione Flussi

energeticiRUOTA

MOTORE ELETTRICO

SISTEMA DI ACCUMULO (BATTERIE)

GENERATORE ELETTRICO

Ibridizzazione di tipo serie 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

Potenza fornita dal Potenza fornita dal motore termico con la motore termico con la massima efficienzamassima efficienza

Po

ten

za f

orn

ita

Po

ten

za f

orn

ita

alla

alla

pro

pu

lsio

ne

pro

pu

lsio

ne

Potenza scambiata dall’azionamentoPotenza scambiata dall’azionamento

Po

ten

za f

orn

ita

Po

ten

za f

orn

ita

dal

lad

alla

pro

pu

lsio

ne

pro

pu

lsio

ne

tempotempo

Energia fornita dalle Energia fornita dalle batterie in batterie in accelerazioneaccelerazione

Energia generata in Energia generata in più per ricaricare le più per ricaricare le batteriebatterie

Energia recuperata in Energia recuperata in frenatura con motore frenatura con motore termico spentotermico spento

0 50 100 150 200 250 300 3500

20

40

60

80

100

120

time [s]

Ve

loc

ità

[k

m/h

]

riferimentoeffettiva

Fase: Coasting

Fase: accelerazione

Fase: velocità costante

Fase: Frenatura

Profilo di missione elementare per l’automotrice ALn668

0 50 100 150 200 250 300 350-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

time [s]

Po

ten

ze [

kW

]

Sistema Generazione

Accumulo Elettrochimico

Azionamento

Carichi Ausiliari

Fase: accelerazione

Fase: velocità costante

Fase: Coasting

Sosta iniziale

Fase: Frenatura

Sosta finale

L’energia per il moto è fornita dall’accumulo intrinseco

L’energia è fornita dall’accumulo strategio Ptenza scambiatadall’accumulo geionale

Confronto dei consumi ed emissioni di una ALN668 ibrida e la stessa attualmente in esercizio su una tratta

reale: Firenze – Borgo S.Lorenzo - Faenza

ALN668 ibrido ALN668 attuale*

NOx 8.3 22.5

HC 0.02 1.5

CO 0.22 5.7

CO2 1230 1480

PM 0.013 non disponibile

Emissioni [g/km]

Consumo gasolio [kg/km]ALn668 ibrido ALn668 attuale*

0.39 0.48

Stato di carica batterie

*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.

Veicoli interessati alla trasformazione

Automotrice Leggera NaftaALN668Trasporto regionale

1. Ibridizzazione con motore termico (ICE)

2. Ibridizzazione con ICE e Fuel Cell (FC)

Locomotore di Manovra D141

Operazione smistamento

Ibridizzazione con generatore a Fuel Cell

Automotrice ALN668 ibrida con motore termico a ciclo diesel

POWER TRAIN OTTIMIZZATO oggetto della fattibilità• Gruppo elettrogeno con motore termico IVECO 260kW;• Accumulo elettrochimico Na-NiCl2 (ZEBRA) 285 kWh

(sostituzione del pacco ogni due anni circa);• Azionamenti elettrici con motore asincrono a velocità variabile da

160kW ciascuno.

Layout ALN668 ibrida diesel

Tutto il POWER TRAIN è collocabile sottocassa, non impegna, quindi volume utile di trasporto.

Ibridizzazione ALN668

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).

Vantaggi Svantaggi

TENOLOGIE

Accumulo di energia meccanica

• Pompaggio di acqua• Accumulo di aria compressa

• Volani (flywheels)

• Pompaggio di acqua• Accumulo di aria compressa

• Volani (flywheels)

Pompaggio di acqua: esempi

VANTAGGI

Alto rendimento

Relativamente bassi costi unitari di impianto

Tecnologia consolidata

SVANTAGGI

Difficoltà di localizzare siti adatti

Tempi lunghi di realizzazione

Possibile impatto ambientale

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.

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.

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.

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.

VANTAGGI

Alto 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

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.

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.

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.

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.

22222

2

1*

2

1*

2

1mvrmIEacc

Volani (flywheels):

Accumulo di energia termica: classificazione

Accumulo di energia termica

Calore sensibile Calore latente di transizione di fase Termochimico

LIquidi Solidi Solido-solido Solido-liquido Dissoluzione termica Reazioni chimiche

Acqua Rocce, cemento Composti inorganici Composti organici

Sali idratiParaffine e

acidi grassi

Accumulo di energia termica

CALORE SENSIBILE x Unità di massaCALORE SENSIBILE x Unità di massa

12

2

1

TTCdTCQT

T

pp

CALORE LATENTE x Unità di massaCALORE LATENTE x Unità di massa

2

1

21

T

T

p

T

T

Tp

T

T

dTCHdTCQ

Accumulo di energia termica: campi di applicazione

Campi di applicazioneLivello di

temperatura

Processi industriali >100 °C

Calore per riscaldamento ed acqua calda sanitaria

45-90 °C

Riscaldamento ad aria 30-60 °C

Riscaldamento in accoppiamento con pompe di calore

10-30 °C

Aria condizionata (accumulo del freddo)

<10 °C

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.

Accumulo del freddo: varie applicazioni industriali

Acqua fredda GhiaccioIce-on-CoilIce MakerSistemi a glicoleIce ballsGhiaccio incapsulatoSali eutettici

Esempi di applicazioni industriali

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

Accumulo di energia elettrica e/o magnetica

• Magneti superconduttori• Supercondensatori elettrochimici• Magneti superconduttori• Supercondensatori elettrochimici

SMES (superconducting magnets energy storage)

Supercondensatori elettrochimici a doppio strato (EDLC)• Un dispositivo elettrochimico, concettualmente simile ad una

batteria, ma anche ad un condensatore convenzionale, che accumula energia sotto forma di carica elettrostatica, in uno strato polarizzato al confine o nell’interfaccia tra l’elettrodo e l’elettrolita.

Pseudocondensatori• In alcuni casi alla carica elettrostastica del doppio strato si

aggiungono reazioni faradiche tra elettrolita e materiali elettrodici che aggiungono ulteriore trasferimento di carica (ed una pseudo-capacità che dipende dalla tensione di lavoro), come nei processi di:– Adsorbimento superficiale di ioni dall’elettrolita– Reazioni redox in ossidi metallici (di rutenio o di iridio)– Drogaggio p- o n- di materiali polimerici conduttori

• Energia in un SC: 22

1CV

Schema di un supercondensatore a doppio strato

Accumulo di energia chimica

• Accumulatori elettrochimici (batterie)• Il caso dell’idrogeno• Accumulatori elettrochimici (batterie)• Il caso dell’idrogeno

Caratteristiche fondamentali delle batterie

1. Capacità2. Energia Specifica3. Densità di energia4. Potenza specifica5. Densità di potenza6. Tempo ed efficienza di ricarica 7. Vita ciclica8. Costo e disponibilità dei materiali

I sistemi di accumulo elettrochimico

Accumulatori elettrochimici commerciali

• Piombo-acido• Nichel-cadmio• Nichel-idruri metallici

Accumulatori elettrochimici avanzati• Litio-ione• Litio metallo• Zebra

Batterie

SODIO - ZOLFO

PIOMBO ACIDO

VANADIO REDOX FLOW

Stato dell’arte dei sistemi di accumulo in batterie

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 100000Specific power (W/kg)

Spe

cifi

c en

ergy

(W

h/kg

)

Ultracapacitor

Pb

Li metal

NiCd

NiMH

Li ionNaNiC

P/E= 1 P/E= 10 P/E= 50

P/E= 100

Accumulatori o supercondensatori?

500

1000

1500

2000

W/kg Wh/kg

10

20

30

40

50

60

70

0 0Batterie Pb Batterie NiMh Batterie Litio Supercondensatori

Potenza specifica

Energia specifica

Stato della tecnologia

Sistema di accumulo Stato di sviluppo Batteries Lead-acid batteries are commercially available and widely used. Research is

ongoing for advanced batteries.

Flywheels Flywheels are commercially available as individual products or integrated with prime movers such as engines. Significant research is also underway to develop new flywheel products.

Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

Superconducting magnetic energy storage is commercially available using superconductors in liquid helium. Superconductors in liquid nitrogen are in the development stage.

Supercapacitors Small supercapacitors are commercially available for use in electronic devices. Large Supercapacitors are currently under development.

Compressed Air Storage Systems (CAES)

CAES use existing technologies but is not widely utilized because of the significant space requirements.

Confronto per applicazioni

Confronto per contenuto energetico

Confronto in termini di efficienza

Confronto economico

Confronto economico per ciclo

L’accumulo dell’idrogeno

Il punto di partenza

L’idrogeno ha il più alto contenuto di energia per unità di peso di qualsiasi combustibile:

120 MJ/kg (pci) - 144 MJ/kg (pcs)

L’idrogeno ha il più alto contenuto di energia per unità di peso di qualsiasi combustibile:

120 MJ/kg (pci) - 144 MJ/kg (pcs)

Putroppo a 300 K e 1 atm, 1 Litro di idrogeno contiene soltanto:

10,7 kJ

(3 ordini di grandezza meno di quanto servirebbe)

Putroppo a 300 K e 1 atm, 1 Litro di idrogeno contiene soltanto:

10,7 kJ

(3 ordini di grandezza meno di quanto servirebbe)

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 e composti chimici (reversibili ed irreversibili)

Nanostrutture di carbonio

Nanotubi

Grafite

Fullerene

0

100

200

300

400

500

600

700

MassaVolume

Massa 297 224 168 202 168 616 168 392 71

Volume 700 509 311 431 255 233 170 280 72

H2-gassoso @

250 bar

H2-gassoso @

345 bar

H2-gassoso @

690 bar

H2-liquido (<300 mm

dia)

H2-liquido (>540 mm

dia)

idruri metallici

AB5

idruri metallici al

MgReformer ICE

Volume e massa del sistema per accumulare 7 kg di H2 (circa 550 km autonomia) Volume e massa del sistema per accumulare 7 kg di H2 (circa 550 km autonomia)

obiettivi

Obiettivo FreedomCAR

Alanati (futuro)

Materiali a base di C (2002)

H2 compresso (2002) 350-700 bar

Obiettivo Programma DoE

Idruri metallici

H2 compresso

Materiali abase di C

H2 liquido

Benzina

DieselIdruri chimici / Slurry organici

0,5 1 2 5 10 20

200

100

50

10

20

5

Obiettivo FreedomCAR

Alanati (futuro)

Materiali a base di C (2002)

H2 compresso (2002) 350-700 bar

Obiettivo Programma DoE

kg H2/m3

% peso H2

Gestione energetica dell’accumulo

Accumulo elettrostatico

+ C E V

R

Processo classico di carica di un condensatore

La carica avviene attraverso un generatore di tensione; all’istante t=0 l’interruttore viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo infinito, quando la tensione del condensatore è pari a quella del generatore (V=E).

Wg = C V 2

L’energia erogata dal generatore per la carica:

L’energia immagazzinata nel condensatore:

Wc = ½ C V 2

L’efficienza di carica del condensatore: =Wc / Wg = ½

Accumulo elettrostatico

Carica di un condensatore con generatore di corrente

+ I Ri C

V S1

S2 D

IC La carica avviene attraverso un generatore di corrente; all’istante t=0 l’interruttore S1 viene aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo quando:

Q = I = C V da cui = C V / I

Da cui:

L’efficienza di carica del condensatore è:

Wi = ½ C V2 t

Q I

IC

i

ppi

i

W

WWW

W

1

1 dove:

e

iii R

Vdt

R

tvW

3

2

0

2

IRV

CR ii 32

1

1

32

1

1

Se RiI molto maggiore di V il rendimento è prossimo ad 1

Accumulo elettrochimico

+ E

R

g

g

E b

R b R u

S 1 S 2

I

Carica di un accumulatore con generatore di tensione

La carica avviene attraverso un generatore di tensione costante, l’accumulatore è modellato da una f.e.m. costante ed una resistenza interna.

Wg = Eg I

L’energia erogata dal generatore per la carica:

L’energia immagazzinata nell’accumulatore:

Wb = Q Eb = I Eb

L’efficienza di carica dell’accumulatore: c=Wb / Wg = Eb / Eg

t

Q

Ib

I

Ib = I = (Eg-Eb)/(Rg+Rb)

Accumulo elettrochimico

+ E

R

E b g

g R b

R u

S 1 S 2

I

Scarica di un accumulatore su un carico

L’energia immagazzinata precedentemente nella carica non può essere fornita completamente ad un carico.

Wb = Eb I L’energia erogata dall’accumulatore:

L’energia assorbita dal carico:

Wc = Ru I2 L’efficienza di scarica dell’accumulatore:

L’efficienza complessiva di carica-scarica dell’accumulatore: =c ∙s

u

bb

cs

RRW

W

1

1

Accumulo elettrochimico

Carica di un accumulatore con generatore di corrente

+ I Ri S1

S2

D

Ib

E

b

R b

La carica avviene attraverso un generatore di corrente; all’istante t=0 l’interruttore S1 viene aperto mentre S2 viene chiuso e il processo di carica termina dopo un tempo .

Wg = Wb + Rb I2

L’energia erogata dal generatore per la carica:

L’energia immagazzinata nel accumulatore:

Wb = Eb I

L’efficienza di carica dell’accumulatore: t

Q I

Ib

b

bg

bc

ERW

WI

1

1

L’efficienza di scarica invece non cambia.

Potenza erogata [W] Energia erogata [Wh]

225 4,25

30,8 30,8

12,7 38,1

Andamento della energia erogata in scariche a potenza costante per un accumulatore al Piombo-Acido

Requisiti fondamentali del sistema di accumulo

Short-term Long-termPower Assist

(bassa energia)Dual Mode (Alta

energia)Energia specifica al regime di scarica C/1(Wh/kg) (entro il range di Stato di Carica)

80-100 (C/3)

150-200 (C/3)

70 200

Potenza specifica di scarica [W/kg] (secondo profilo PNGV)

75 200 625 450

Tempo di ricarica, ore 6 3-6 NN NNEfficienza carica/scarica [%] (80% DOD)

75 80 90 88

Cicli vita (per un range di Stato di Carica definito)

600 1000 300.000 3750

Densità di energia (Wh/L) (entro il range di Stato di Carica)

130 300 65 115

Densità di potenza [W/L] (secondo profilo PNGV)

250 600 800 500

Costo totale del sistema batterie [$/kWh] (per 100.000 unità/anno)

150 100 1000 350

Puro elettrico Ibridi

I sistemi di accumulo di energia maggiormente candidati per veicoli elettrici stradali

Accumulatori elettrochimici commerciali• Piombo-acido• Nichel-cadmio• Nichel-idruri metallici

Accumulatori elettrochimici avanzati• Litio-ione• Litio metallo• Zebra

Supercondensatori

Volani

Caratteristiche fondamentali delle batterie

1. Capacità2. Energia Specifica3. Densità di energia4. Potenza specifica5. Densità di potenza6. Tempo ed efficienza di ricarica 7. Vita ciclica8. Costo e disponibilità dei materiali

Stato dell’arte dei sistemi di accumulo per veicoli

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000 100000Specific power (W/kg)

Spe

cifi

c en

ergy

(W

h/kg

)

Ultracapacitor

Pb

Li metal

NiCd

NiMH

Li ionNaNiC

P/E= 1 P/E= 10 P/E= 50

P/E= 100

Interconnessione

High pressure

Medium pressure

Low pressure

High voltage

Mediumvoltage

Low voltage

Areas covered by district heating

30MWt-500MWt up to 10km large grid

2

2-30MWt up to 1km medium grid

2

0.5-2MWt building local grid

Pressure reduction station

Power plant (cogeneration)

Electricity grid

Gas pipelines Power transformer

Interconnessione di reti energetiche

Interconnessione di reti per l’energia

• Maggiore capacità di gestione della domanda della risorsa

• Riduzione delle riserve

• Maggiore sicurezza della disponibilità della risorsa per l’utilizzatore finale

• Ridondanze impiantistiche

• Complessità

Vantaggi Svantaggi