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L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti - Giorgio Cau (Sardegna Ricerche)

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L'intervento di Giorgio Cau (Sardegna Ricerche) in occasione del seminario "L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti" che si è svolto il 21 novembre 2019 a Cagliari.

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L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti - Giorgio Cau (Sardegna Ricerche)

  1. 1. L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti Sa Manifattura Viale Regina Margherita, 33 - Cagliari 21 novembre 2019 Incontri formativi in tema di: Gestione intelligente dell’energia
  2. 2. Incontri formativi in tema di: Gestione intelligente dell’energia 1. La cattura dell'anidride carbonica e il suo utilizzo: tecnologie ed economia per una transizione energetica sostenibile 2. L'economia del biometano: vincoli e opportunità nel contesto regionale alla luce del recente Decreto 3. Sistemi di accumulo dell’energia termica: Tecnologie, materiali, campi di impiego 4. Vehicle to Grid: l'integrazione della mobilità elettrica nelle Smart grid 5. L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti 6. Le comunità energetiche
  3. 3. L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microretiL'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti PROGRAMMA
  4. 4. L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti Attività della Piattaforma Energie Rinnovabili sull’idrogeno da FER Prof. Ing. Giorgio Cau DIMCM - Dipartimento di ingegneria meccanica, chimica e dei materiali - Università degli Studi di Cagliari Sardegna Ricerche - Piattaforma Energie Rinnovabili – Laboratorio Tecnologie Solari a Concentrazione e Idrogeno da FER Sa Manifattura Viale Regina Margherita, 33 - Cagliari 21 novembre 2019
  5. 5. La Piattaforma Energie rinnovabili, realizzata da Sardegna Ricerche e gestita in collaborazione con l’Università di Cagliari, ha la propria sede in area industriale di Cagliari, dove vengono svolte attività di ricerca applicata nel settore delle energie rinnovabili e dell’efficienza energetica. Piattaforma Energie rinnovabili  Laboratori tecnologici  Supporto e progettazione  10 unità di personale strutturato  5 unità di personale non strutturato - Attività di ricerca e trasferimento tecnologico, servizi di informazione e formazione, assistenza, consulenza e supporto tecnico e scientifico, a enti e imprese locali - Energie rinnovabili, gestione intelligente dell’energia (Smart Grid, Micro Grid), mobilità elettrica, efficienza energetica, sostenibilità in generale
  6. 6.  programmazione europea POR FESR Sardegna 2014-2020 (Azione 1.2.2) area della Strategia di Specializzazione Intelligente (S3) della Regione Sardegna Progetto Complesso Reti intelligenti per la gestione efficiente dell'energia Obiettivi del progetto • perseguire l'integrazione della generazione distribuita con il consumo e l'accumulo distribuiti, estesa al settore termico e alla mobilità • dimostrare, a diversi livelli, la fattibilità e l’efficacia delle reti intelligenti per la gestione efficiente dell’energia • creare condizioni che stimolino l'avvio del mercato delle reti intelligenti, agevolando e facilitando lo sviluppo, insieme a tutti gli operatori coinvolti, di un processo virtuoso di qualità
  7. 7. WP1 WP2 WP3WP4 ATTIVITÀ DI ANIMAZIONE SVILUPPO E IMPLEMENTAZIONE DELLA MICRO RETE NELLA SEDE DI MACCHIAREDDU ANALISI DI UNA SMART GRID Studio di Smart Grid in ambito comunale e industriale PROGRAMMA DI AIUTI PER LE IMPRESE Azioni del «Progetto Complesso»
  8. 8. Sistemi di generazione elettrica e di accumulo presenti presso la Piattaforma E.R.  impianto fotovoltaico basato su tre sezioni di diversa tecnologia (24,9 kWp): • sezione con moduli in silicio monocristallino per complessivi 10,96 kWp • sezione con moduli in silicio amorfo per complessivi 7,74 kWp • sezione a concentrazione con ottica a lenti di Fresnel da 6,2 kWp  sistema di accumulo elettrochimico basato su tre sezioni di diversa tecnologia (61,9 kWh): • N.2 batterie Kostal Piko BA - LiFePo - da 9,6 kWh ciascuna • N.3 batterie LG Chem a ioni di litio da 6,4 kWh ciascuna • N.1 batteria Fiamm - SoNick da 23,5 kWh  impianto di produzione e accumulo di idrogeno costituito dai seguenti principali componenti: • N. 2 elettrolizzatori da 1,05 Nm3/h ciascuno • N. 4 serbatoi da 1,1 m3 ciascuno, con capacità totale utile di accumulo di circa 50 Nm3 a 13,8 bar  sistema di generazione elettrica con celle a combustibile PEMFC da 5 kWe alimentato a idrogeno  impianto di digestione anaerobica alimentato a biomasse agro-industriali con produzione di 1-2 Nm3/d di biogas con un tenore di metano di circa 55 %
  9. 9. Analisi della produzione e della domanda Principio informatore: opportunità di trattare separatamente il carico di base (10 kWe - 7/24) e il carico variabile. Partendo da tale assunto, la riconfigurazione prevede le seguenti azioni chiave:  copertura del carico di base con un sistema pilota di celle a combustibile SOFC  potenziamento della produzione da solare fotovoltaico e del sistema di accumulo  integrazione nella microrete dell’impianto per l'accumulo e il riutilizzo del surplus di energia da fonte rinnovabile attraverso le tecnologie dell'idrogeno  integrazione nella micro-rete dell’impianto di digestione anaerobica, di una sezione di upgrading del biogas e di una sezione di metanazione biologica  sviluppo di un sistema per la produzione e l’accumulo di energia termica  sviluppo di un sistema di gestione e controllo della micro-rete  integrazione della mobilità elettrica
  10. 10. Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu COMPENSAZIONE DEI PICCHI DI PRODUZIONE DI ENERGIA DA FER MEDIANTE ELETTROLISI ACCUMULO DI ENERGIA DA FER IN ECCESSO SOTTO FORMA DI IDROGENO PRODUZIONE DI NUOVI CHEMICALS MEDIANTE IDROGENAZIONE DI CO2 ANTROPICA
  11. 11. GENERATORE ELETTRICO PEMFC (per carico di punta) ARIA GENERATORI DI IDROGENO ACCUMULO ELETTROCHIMICO ACQUA IMPIANTI FOTOVOLTAICI CARICHIDELLA PIATTAFORMA ENERGIA ELETTRICA ENERGIA TERMICA GAS E MATERIE PRIME ACCUMULO CON ACQUA CALDA UNITÀ DI GESTIONE DELLA MICRORETE METANATORE BIOLOGICO CO2 H2 H2 GPL CH4 COGENERATORE m-CHP SOFC (per carico di base) ARIA H2 MICRORETE DELLA PIATTAFORMA ENERGIE RINNOVABILI POMPE DI CALORE REVERSIBILI MATERIALE ORGANICO DIGESTORE ANAEROBICO CH4 UPGRADING STAZIONE DI RICARICA VEICOLI ELETTRICI ACCUMULO DI IDROGENO ACCUMULO CON PCM A BASSA TEMPERATURA
  12. 12. Impianto di produzione, accumulo e impiego dell’idrogeno da FER Micro-rete Fuel Cell 5.0 kW 48 V 46 % eff. GENERATORE PEMFC PV + micro-rete ACCUMULO H2 H2H2 storage 4x1 m3 40 kWp 16 kW e 2 l/h di acqua 2 Nm3/h 50 Nm3 in 25 h 5 kWe per 10 h GENERATORI H2 H213.8 bar 1.0 Nm3/h H2 generator H2 generator 13.8 bar 1.0 Nm3/h
  13. 13. Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu Sistema di generazione (a sinistra) e di accumulo (a destra) dell’idrogeno
  14. 14. Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu Generatori PEM di idrogeno HOGEN S 40 Proton Energy Systems • Alimentazione: Acqua demineralizzata (ASTM-I) • Consumo di acqua: 0,94 l/h • Consumo di energia: 8,3 kWh/Nm3 • Produzione: H2(g) e O2(g) puri • Produzione H2: 1,05 Nm3/h • Pressione H2: 13,8 bar • Purezza: >99.9995% (5N) • Temperatura di esercizio: 5-40 °C Elettrolizzatore PEM Generatore H2 Generatore di idrogeno HOGEN S 40
  15. 15. Laboratorio tecnologie solari a concentrazione e idrogeno da FER
  16. 16. Celle a combustibile PEM da 5 kW (a sinistra) e da 1,2 kW (al centro e a destra) Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu
  17. 17. Cella a combustibile PEM da 5 kW Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu PEMFC Power System PS-5 (1-5 kW) PowerCell • Tecnologia PEM con rapido start up • Potenza elettrica netta: 5,0 kWe • Efficienza massima: 50% • Potenza termica: 0 - 7,5 kWt • Tensione in uscita: 48 V • Tempo di avvio: 25-50 s • Tempo di vita: 10 anni • N. cicli avvio/spegnimento: 2500 • Temperatura di esercizio: 2-45°C
  18. 18. Sistema elettrico per la connessione in rete della Cella a combustibile PEMFC da 5 kW Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu DC/AC BP PEMFC DC/DC Sistema Elettrico Solax-Pylontech • Inverter ibrido monofase, taglia 4,6 kVA, doppio MPPT, on-grid, controllabile in lettura e scrittura secondo protocollo MODBUS, • Caricabatteria di taglia 100 A/48 V – 5,0 kVA • Modulo di 4 batterie al litio di taglia 50 A/48 V - 2,4 kVA, DOD 60 % EOL, Life Cycles > 6000 • Meter monofase
  19. 19. Cella a combustibile PEM da 1,2 kW Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu PEMFC Nexa Power Module (1,2 kW) Heliocentris - Ballard Power Systems • Stack Ballard, potenza nominale 1,2 kW • Tensione in uscita: 22-50 V • Tempo di avvio: 2 min • Tempo di vita 1500 hours • N. cicli avvio/spegnimento: 500 • Temperatura di esercizio: 3-40°C • 2 batterie al piombo da 12 V per lo start up • DC/DC inverter ed unità di controllo • DC/AC inverter
  20. 20. Bombola strumentata e banco prova per l’accumulo di idrogeno a idruri metallici Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu
  21. 21. Le tecnologie dell’idrogeno nella microrete di Macchiareddu Stazione di prova (a sinistra) per celle a combustibile PEMFC di piccola taglia (a destra) per la caratterizzazione di singoli assemblati membrana-elettrodo
  22. 22. Grazie per l’attenzione Prof. Ing. Giorgio Cau Dipartimento di ingegneria meccanica, chimica e dei materiali Università degli Studi di Cagliari gcau@unica.it - http://people.unica.it/giorgiocau

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