Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*)
Idrogeno da fonte rinnovabile di grande taglia (14.000 MW) ed analisi di sistemi di
accumulo fisico e chimico
(*) DiMSET, Università di Genova e SIIT Genova, Italia
PROBLEMATICHE FONTI RINNOVABILI
PROBLEMATICHE FONTI RINNOVABILI
Disponibilità temporale
Andamento temporale richiesta elettricità: diagrammi di carico
P [MW]
CARICO DI BASE
PUNTE DI CARICO
ECCEDENZE
DIAGRAMMA STAGIONALE DIAGRAMMA GIORNALIERO
P [MW]
3650
d
Accumulo dell’energia in eccedenza
Per sistemi di grande taglia
Idrogeno da elettrolisi dell’H2O
Milano, 11 luglio 2011
-Eolico
-Solare
-Idroelettrico
Variazioni ORARIE
Variazioni MENSILI
Milano, 11 luglio 2011
Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)Impianto idroelettrico di Itaipu (14 GW)
Al confine tra Paraguay e Brasileè la centrale idroelettrica più grande nel mondo in termini di energia prodotta.
• Area 1350 km2
• Lunghezza 170 km• Larghezza media 7 km• Volume max 29,000,000,000 m3
• Acqua spillata (max) 62,200 m3/s
Diga di Itaipu, dimensioni del bacinoDiga di Itaipu, dimensioni del bacinoDiga di Itaipu, dimensioni del bacinoDiga di Itaipu, dimensioni del bacino
Milano, 11 luglio 2011
Impianto idroelettrico di ItaipuImpianto idroelettrico di ItaipuImpianto idroelettrico di ItaipuImpianto idroelettrico di Itaipu•14.000 MW di potenza installata (20 turbine da 700 MW)
•Record di 95.000 GWh prodotti (2008), 1/3 del fabbisogno italiano
•Acqua spillata (62.000m3/s) disponibile per generare H2
Milano, 11 luglio 2011
Produzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaENERGIA PRODOTTA
Valore medio (circa 10 GW) variabile di anno in anno
Sarebbe divisa a metà, in realtà il Paraguay ne vende una parte al Brasile
Milano, 11 luglio 2011
Energia prodotta ed energia spillataEnergia prodotta ed energia spillataEnergia prodotta ed energia spillataEnergia prodotta ed energia spillataENERGIA SPILLATA • Il suo valore medio varia sensibilmente di anno in anno• Disponibile per produrre H2
su larga scala
L’energia spillata dipende dalla portata d’acqua, quindi varia fortemente con il mese.
Milano, 11 luglio 2011
Potenza spillata e richiesta elettricaPotenza spillata e richiesta elettricaPotenza spillata e richiesta elettricaPotenza spillata e richiesta elettrica
0100200300400500600700800900
1000
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dec
Spill
ed p
ower
[MW
]
Spilled Pow er
Average value
Necessità di analisi termo-economicasu base annuale
Variazione oraria nel carico elettrico
Potenza spillata variabile col mese
02000400060008000
1000012000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Time [h]
MW
e
Paraguay consumption [MWe] Brazil consumption [MWe] Total request [MWe]
Milano, 11 luglio 2011
Codice di calcolo ECoMPCodice di calcolo ECoMPCodice di calcolo ECoMPCodice di calcolo ECoMP
SCENARIO ECONOMICO(PREZZI DI VENDITA/ACQUISTO)
ECoMP
SOFTWARE
OttimizzazioneImpianti
OTTIMIZZAZIONE LAY OUT
C E
MIX
SH EVA ECO
FILTER
to stack
~
Cogeneration
OTTIMIZZAZIONE TAGLIA(Tutti i Componenti)
CONNESSIONI ALLA RETE
OTTIMIZZAZIONE STRATEGIA
ELECTRIC POWERWINTER - WEEKDAY
0.00E+00
5.00E-01
1.00E+00
1.50E+00
2.00E+00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hours
Ele
tcri
c P
ow
er
[kW
e]
Purchased Electr. Pow.
Generated Electr. Pow.
Eletcr. Power Demand
0.00E+00
2.00E-01
4.00E-01
6.00E-01
8.00E-01
1.00E+00
1.20E+00
1.40E+00
1.60E+00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
CURVE DI CARICO(CALORE & ELETTRICITA)
Milano, 11 luglio 2011
Impianto per produzione e accumulo H2
Carico elettrico (PY + BR)
Diga di ITAIPU 14.000 MW
Potenza prodotta
Potenza spillata
Elettrolizzatori(1 MWe)
Utenze H2Stoccaggio H2
H2O2
Milano, 11 luglio 2011
Analisi ECoMP impianto HAnalisi ECoMP impianto H22 Analisi ECoMP impianto HAnalisi ECoMP impianto H22
• Analisi di un intero anno di funzionamento dell’impianto
• Ottimizzazione della taglia del sistema di produzione e confronto delle due tecniche di accumulo
ECoMPsoftware
Accumulo fisico in serbatoioNei periodi in cui non si ha acqua spillata,La richiesta di H2 è soddisfatta dal serbatoio.
Accumulo fisico alternativo Nei periodi in cui non si ha acqua spillata si sceglie di non vendere energia alla rete per alimentare gli elettrolizzatori. VANTAGGIO: costi capitali serbatoio ridotti
Milano, 11 luglio 2011
Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Accumulo fisico in serbatoio di grandi dimensioni (70.000 m3)
Milano, 11 luglio 2011
Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Produzione e accumulo HProduzione e accumulo H22 (160 MW) (160 MW)Serbatoio ridotto (200 m3), acquisto di energia dalla rete
Milano, 11 luglio 2011
Confronto delle due soluzioni di accumuloConfronto delle due soluzioni di accumuloConfronto delle due soluzioni di accumuloConfronto delle due soluzioni di accumulo
Accumulo con
rete elettrica Minori costicapitali
Soluzione economica ottima
Auto a idrogeno alimentate: 15.000 auto al giorno!
Milano, 11 luglio 2011
Influenza del costo delle auto a IdrogenoInfluenza del costo delle auto a Idrogeno Influenza del costo delle auto a IdrogenoInfluenza del costo delle auto a Idrogeno
Costo di un’auto a Idrogeno 40.000 €Costo aggiuntivo totale 600.000.000 €
Analisi economica (H2, NO auto)
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Years
M€
NPV
CF
Analisi economica (15.000 auto H2)
-1100
-900
-700
-500
-300
-100
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Years
M€ NPV
CF
Grande influenza Dei costi delle auto
SENZA AUTO
CON AUTO
Milano, 11 luglio 2011
Difficoltà legate all’IdrogenoDifficoltà legate all’IdrogenoDifficoltà legate all’IdrogenoDifficoltà legate all’Idrogeno
Costi molto elevati per le auto a Idrogeno
Difficoltà nello stoccaggio e nel trasporto (idrogenodotti)
Mancanza di utilizzi diversificati
La trasformazione di H2 in CH4 garantisce alcuni vantaggi:
Costi delle auto a metano paragonabili a quelle a benzina
Possibilità di adattare le auto a benzina già esistenti
Possibili altri impieghi del metano
Trasporto nei metanodotti già esistenti
Milano, 11 luglio 2011
Produzione H2 con accumulo chimico come CH4
Carico elettrico (PY + BR)
Diga di ITAIPU 14.000 MW
Potenza prodotta
Potenza spillata
Elettrolizzatori(1 MWe)
Utenze CH4
Metanatori
H2O2
CO2
Milano, 11 luglio 2011
Produzione HProduzione H22 (160 MW) e accumulo CH (160 MW) e accumulo CH44Produzione HProduzione H22 (160 MW) e accumulo CH (160 MW) e accumulo CH44
Milano, 11 luglio 2011
Influenza del costo delle auto a metanoInfluenza del costo delle auto a metano Influenza del costo delle auto a metanoInfluenza del costo delle auto a metano
Costo di un’auto a CH4 (adattamento) 1.000 €Costo aggiuntivo totale 15.000.000 €
Influenza modestaDei costi delle auto
SENZA AUTO
CON AUTO
Analisi economica (15.000 auto a metano)
-350-300-250-200-150-100-50
050
100150
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Years
M€ NPV
CF
Analisi economica (CH4 NO auto)
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Years
M€
NPV
CF
Milano, 11 luglio 2011
Confronto tra accumulo fisico e chimicoConfronto tra accumulo fisico e chimicoConfronto tra accumulo fisico e chimicoConfronto tra accumulo fisico e chimico
Milano, 11 luglio 2011
Ricavi annuali Maggiori con accumulo fisico
PBP Ridotto con accumulo chimico
Risulta praticamente lo stesso
per le due soluzioniNPV finale
Conclusioni Conclusioni Conclusioni Conclusioni
Milano, 11 luglio 2011
PRODUZIONE H2
Accumulo fisico non accettabile, costi del serbatoio troppo elevatiLa soluzione migliore è acquistare energia dalla rete e installare al limite
un serbatoio di piccole dimensioni.I tempi di ritorno sono fortemente influenzati dai costi elevati delle auto.
PRODUZIONE CH4
Stoccaggio chimico, H2 trasformato in CH4, di più facile trasporto e utilizzo
Costi delle auto molto ridotti rispetto al caso precedenteTempi di ritorno di circa 10 anniProduzione di metano “pulito”, perché è stato prodotto sequestrando CO2
Dove prelevare la CO2?
Costo o benefit?
Sviluppi futuri
Carico elettrico (PY + BR)
Diga di ITAIPU 14.000 MW
Potenza prodotta
Potenza spillata
Elettrolizzatori(1 MWe)
Utenze CH4
Metanatori
H2
O2
Mix gas
Syngas
Gassificatore
Biomasse
Milano, 11 luglio 2011
Autori: M. Rivarolo(*), A.F. Massardo(*)
Idrogeno da fonte rinnovabile di grande taglia (14.000 MW) ed analisi di sistemi di
accumulo fisico e chimico
(*) DiMSET, University of Genova and SIIT Genova, Italy