ENERGY STORAGE: sviluppi e applicazioni innovative. Il caso Fiamm Relatore: prof. Mauro Andriollo 23 febbraio 2011

3. Basso contributo energetico alla velocità media

5. VARIABILITÀ GIORNALIERA DELL’IRRAGGIAMENTO SOLARE

6. VARIABILITÀ DELLA FONTE EOLICA

7. VARIABILITÀ DELLA FONTE MICROIDROELETTRICA

8. IN CONCLUSIONE… Tutte le fonti rinnovabili sono variabili in modo più o meno aleatorio L’impatto sulla stabilità della rete sarà sempre più pesante all’aumentare del contributo di tali fonti L’utilizzo di centrali a risposta rapida per rispondere alle rapide fluttuazioni di potenza generata è estremamente oneroso  È prevedibile la necessità di sistemi in grado di compensare gli squilibri di breve periodo tra domanda ed offerta (ENERGY STORAGE)

10. Definisce l’autonomia nel funzionamento come ZEV (capacità)

13. Dipende dalla modalità di utilizzo (profondità e frequenza delle scariche)

16. ELECTRICITY STORAGE BY TECHNOLOGY

17. STORAGE TECHNOLOGY APPLICATION COMPARISON

18. TECNOLOGIE DI ACCUMULO AD ELEVATA CAPACITÀ

19. TECNOLOGIE DI ACCUMULO A MEDIA-RIDOTTA CAPACITÀ

21. Costi di investimento relativamente elevati

22. Impatto ambientale

24. Richiede la presenza di adeguati siti (allo studio impianti di superficie)

26. Costi elevati

27. Durabilità

29. Efficienza elevata (≈89%)

30. Tempi di scarica dell’ordine di 6h su base giornaliera

33. Potenzialità regolabile variando la portata

34. Sistema complesso

36. Elettrodo: materiale inerte ad alta porosità per accumulare il maggior numero di ioni (es. carbone attivo)

37. Separatore: membrana a bassa conducibilità elettronica che favorisce la mobilità degli ioni carichi

38. Elettrolita di tipo organico o acquoso che avvolge l’insieme degli elettrodi e del separatore

39. Fase di carica: anioni e cationi ottenuti dalla decomposizione dell’elettrolita vengono attirati verso i due elettrodi (tensioni tipiche 2.5 V/cella per elettroliti organici)

40. Condensatore carico: doppio strato di carica sulla superficie degli elettrodi, assenza di ioni nell’elettrolita

45. l’APU produce energia in eccesso rispetto a quella richiesta in trazione

46. il motore elettrico è in frenatura rigenerativa

47. Erogazione di energia in fase di accelerazione tramite il generatore elettrico

49. Velocità 40000100000 rpm

50. Energia specifica 75 100 Wh/kg

51. Potenza specifica 510 kW/kg

52. Rotazione in camera a vuoto (250400 Pa)

53. Cuscinetti a sfere ceramiche a bassissimo attrito

54. Costo 400 – 800 $/kW

57. Componenti non tossici né inquinanti

58. Cicli di carica/scarica ripetibili per un numero elevatissimo di cicli, senza perdita di prestazioni (indipendenza dall’SOC)

59. Efficienza di ciascun ciclo  98 % (per le batterie 75-80 %)

61. Limiti termici sulla macchina elettrica e l’elettronica

62. Assorbimento di energia per l’impianto di mantenimento del vuoto

63. Effetto giroscopico che può disturbare la guida e sovraccaricare i supporti magnetici

64. Sistema di contenimento per eventuale incidente o scoppioVolano da 45000 rpm P = 1.5 kW Velocità periferica  1000 m/s Diametro esterno 420 mm

66. Macchina elettrica asincrona a 2 poli per contenere la frequenza di lavoro entro 250 Hz

67. Rotore a gabbia in rame/zirconio e /berillio

68. Convertitore a IGBT 1700 V/4 kHz

70. All’anodo fluisce il combustibile (H2), al catodo viene immesso il comburente (aria)

71. anodo: 2H2  4H+ + 4e-catodo: 4H+ + O2 + 4e- 2H2O

73. Classificazione sulla base dell’elettrolita (alcalino, polimerico, acido, a carbonati fusi, ad ossidi solidi) o alla temperatura di funzionamentoTipologie di celle Stack di celle Scarico anodo Scarico catodo

75. Assenza d’organi in movimento (silenziosità)

76. Produzione da carburanti alternativi o da fonti energetiche rinnovabili

77. Efficienza non cala con la taglia del sistema (scalabilità dell’applicazione utilizzando ‘stack’ di celle)

78. Rendimento ottimale anche con carichi parziali

80. Riduzione del rendimento ed incremento delle emissioni con reforming

81. Riduzione delle prestazioni con idrogeno non puro (da reforming)

82. Risposta dinamica lenta nella generazione di potenza elettrica

83. Layout del veicolo ridisegnato attorno al sistema FC

86. Produzione su larga scala (>104 Nm3/h) conveniente solo tramite l’impiego di combustibili fossili (gas naturale, GPL, nafta)  problemi legati alle emissioni (soprattutto CO2) ed al consumo energetico (processi endotermici)

87. Desolforazione dell’idrocarburo

88. Produzione del ‘syngas’ in forni ad altissima temperatura (900-1000 °C)

89. Reazione di ‘water gas shift’  CO + H2  H2 + CO2

90. Produzione su piccola scala (100-5000 Nm3/h) basata sia su processi di reforming di combustibile tradizionale sia sull’uso di fonti rinnovabili (energia solare)

91. Steamreforming del metanolo (processo endotermico a 300-350 °C)

92. Processi termochimici su biomasse (gassificazione, pirolisi)

93. Elettrolisi da fonti rinnovabili (fotovoltaico, idroelettrico, geotermico, eolico)

95. Fondamentale contributo infrastrutture e serbatoi

96. Resta aperto il problema dell’efficienza

98. Metanolo: vantaggio solo con infrastrutture per bassi volumi di auto

99. Benzina: vantaggio infrastrutture completamente annullato dall’incremento di costo del reformer sul veicolo

102. Chevrolet Equinox: 4.2 kgH2-70 MPa in 3 serbatoi CGH2 che alimentano 440 celle di potenza totale 93 kW (autonomia 320 km)

103. Chevrolet Sequel: costruito attorno al sistema FC da 73 kW con 8 kgH2-70 MPa in 3 serbatoi CGH2 (autonomia 480 km) La soluzione 3 risulta assai promettente per quanto riguarda l’impiego di nanotubi di carbone con percentuali fino al 20% in peso contro ~5 % di CGH2 a 70 MPa e ~7 % di LH2 Idruri metallici estremamente convenienti in termini di densità volumetrica fino a 5 volte superiore rispetto al CGH2 e 2 volte superiorerispetto al LH2

104. 35 CONFRONTO SISTEMI DI ACCUMULO H2 (7 kgH2 - autonomia 550 km) ENEA 2003 [kg] [L]

105. CONFRONTO SISTEMI DI ACCUMULO Quantità equivalente di H2 4.6 kg

107. Miglioramento del rendimento complessivodella propulsione (ottimizzazione dell’alimentazione dell’azionamento)

109. speed Tractionunit time DC Bus Aux Loads Fuel Cell Supercap Battery 39 CONTROLLO DEL FLUSSO DI POTENZA Accelerazione Potenza costante (apparato di trazione, carichi ausiliari) fornita dalla FC Scarica dei supercaps dal max al min stato di carica

110. speed Tractionunit time DC Bus Aux Loads Fuel Cell Supercap Battery 40 CONTROLLO DEL FLUSSO DI POTENZA Vicino alla velocità di regime Potenza costante (apparato di trazione, carichi ausiliari) fornita dalla FC Scarica delle batterie entro limiti predefiniti dello stato di carica

111. speed Tractionunit time DC Bus Aux Loads Fuel Cell Supercap Battery 41 CONTROLLO DEL FLUSSO DI POTENZA Funzionamento a regime Potenza costante (apparato di trazione, carichi ausiliari) fornita dalla FC Parziale ricarica delle batterie

112. speed Tractionunit time DC Bus Aux Loads Fuel Cell Supercap Battery 42 CONTROLLO DEL FLUSSO DI POTENZA Frenatura rigenerativa Potenza costante (carichi ausiliari) fornita dalla FC Ricarica dei supercaps tramite la FC e l’energia di frenatura

113. speed Tractionunit time DC Bus Aux Loads Fuel Cell Supercap Battery 43 Controllo del flusso di potenza Fermata Potenza costante (carichi ausiliari) fornita dalla FC Completamento della ricarica delle batteria tramite la FC

114. AUTOBUS FC ‘FULL-ELECTRIC’ ? Direct ethanol fuel cell (DEFC), supercaps (SC). Electric motors for steering (SM), braking (BM) and traction (in-wheel) (WM) motors. Global positioning system (GPS). Powertrain and control components of the FC bus. Control units: main (MCU), steering (SCU), braking (BCU) and traction (TCU) units