zero, un living lab del politecnico di bari e di enea ... · “processo criogenico per il recupero...
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ZERO,unlivinglab
delPolitecnicodiBariediENEABrindisi
perl’efficienzaenerge>caelaproto>pizzazionerapida
Prof. Ing. Massimo La Scala
Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell’Informazione - DEI
• Realizzatonell’ambitodel“Proge(oZERO”:laboratorioperlosviluppodiGreenTecheEfficienzaenerge/cainambienteurbanoeindustriale;
• Usodiapparecchiatureestrumen?disimulazioneperlariduzionedeirischidella
ricercaapplicataeperlaproto/pizzazionerapida
“fromconcepttomarket”
• LabZEROpropostodalDipar>mentodiIngegneriaEleEricaedell’Informazioneefinanziatonell’ambitodelleRe>PubblichediLaboratoridallaRegionePuglia.
IlProge=o“LabZERO”
efficienza
Smartgrids
DovesiconcentreràR&SEnergiain3-5anni?
FonteICOM-PolitecnicodiBariOsservatorioInnovazioneEnerge?ca
LabZEROèconcepitocomeunLivinglabovvero
“auser-centered,open-innova/onecosystem,linked
toitsterritorialareabutwitha“glocal”approach”
Combinaprocessidiricerca,sviluppoe
innovazionetramiteunacollaborazioneconleimprese,iprincipaliEn?territorialieIs?tuzioni.
IlProge=o“LabZERO”
Iprincipisucuisibasal’azionediLabZEROsonoquellideiLivinglabsovvero:• Lapartecipazioneedilcoinvolgimentodegliu/lizzatorifinalisindalleprimefasidel
processodiinnovazione;• Sperimentazioneedimostrazionedeirisulta?scien?ficietecnologicinelmondo
reale;• Sperimentazionedinuovimodellidibusinessedigovernanceperincluderegli
u?lizzatoridellaR&Snelprocessodiinnovazione.
LabZEROsindallafasediproposizionehacoinvolto30partnerassocia/inizialitracuiaziende,En?territorialieComuni,Associazioniindustraili,Laboratoridi
riferimentosuscalanazionale(es.RSE)
IlProge=o“LabZERO”
LabZERO è un laboratorio per laricerca applicata e lo svilupposperimentale nel se(ore dellegreenesmarttechnologies.
Si avvale del know-how delPolitecnico di Bari e di ENEA CRBrindisi ed è a(rezzato construmentazioni per lo sviluppo dimateriali e sistemi innova/vi nelcampo del risparmio energe/co,dellasostenibilitàedell’efficienzaenerge/ca.
IlContestodiricercael’integrazioneIl laboratorio si inserisce in un contesto di ricerca diconsolidata esperienza, u?lizzando le risorse intelle(uali ematerialidelPolitecnicodiBariediENEACRBrindisi.
LabZERO si avvale della collaborazione di altri partner diproge(oedaziendechenellafaseinizialediproge(ohannodato ladisponibilitàallacollaborazione, tracuiRSEe la retedeglialtrilaboratorifinanzia/conlastessamisura.
LeprincipaliaGvitàdelLabZEROCentroperilknow-how,lastrumentazione,lemetodologieper:
• Tecnologie per il miglioramentodell’efficienzaenerge/ca;
• TecnologieperSmartcity;• Componen/esistemiperl’energia;• Prove non distruGve per lacara=erizzazionemeccanica di nuovimateriali;
• Termofis i ca de i mater ia l i dacostruzione;
• Ricerca e cara(erizzazione dimaterialiodisposi/vinanocomposi/enanostru=ura/;
• Smart/E-Mobility…
FastprototypingIl LabZERO si avvale della tecnologiaRTDS per a]vità di verifica, tes?ng e fast-prototyping di componen? ele(rici,ele(roniciemeccaniciindiversiambi?diapplicazioniindustriali,medianteunSimulatore“real/me”digitaleingradodieseguireproveinmodalità“hardwareintheloop”(HIL).
IlLabZerodisponeanchediunamplificatoredipotenzaperapplicazioni“powerhardwareintheloop”(PHIL),concuièpossibilesimulareintemporeale(inpotenza)re?ele(riche,smartgridesistemiibrididienergia.
Mediante tecnichediPHILèpossibile testare su scenari realis?ci il funzionamentodi apparecchiature,diDistributedEnergy Resources (DERs), sistemi V2G, sistemi di accumulo, che possono essere simulate con tecnologie RTDS,amplifica?econnessiadunsistemadidistribuzionereale.
L’abbinamento della tecnologia PHIL con la Microgrid Test Facility consente di provare nuovi componen/ per ilcontrollodellemicrore/.
La test facility al LabZERO è effe(uatamediante tecnologia Opal RT OP5600 RTDSequipaggiato con 12 3.3 GHz core e unaschedaFPGAprogrammabilecon32analogI/O, 64digital I/0, e unamplificatore TriphasePM15A30F30 15 kVA bidirezionale, con 3canalioutputchepossonoessereu?lizza?pervarieconfigurazioniACe/oDC.
Un’apparecchiaturapertu=e…RealTimeDigitalSimula/on
• RapidPrototyping• ClosedLoopTes?ngofPhysicalDevices• Protec?veRelaySystemTes?ng• IEC61850DeviceTes/ng• ControlsystemTes?ng• Educa?on&Training(ancheOTS)• PowerHardwareintheloop
PowerHardwareIntheLoop
Proveaerodinamichediturbineeoliche
§ Mediante la galleria del vento del LabZERO èpossibileanalizzare inmodorealis?co l’effe(odiostacoli e perturbazioni del vento sulleprestazioni di turbine eoliche per applicazioniurbane(SmartCi?es).
§ Tale lineadiricercaèdedicataasperimentazioni
di ?po aerodinamico e acus?co ed in par?colarmodo di turbine per mini-eolico anche in scala1:1,editurbinedimedia-grandetagliainscala.
§ Leprove e le consulenzeper le imprese esternesono effe(uate a(raverso un tunnel del ventoaperto, cara(erizzato da un diametro di 5,4 m,velocità massima del vento di 12 m/s e flussod'ariadi900.000m3/h.
Sperimentazionesusistemaintegratodicombus/oneabiomassa,caldaiaarecuperoperproduzionedivaporeemicroturbina
• Tra le a]vità del LabZERO si riporta anche lasperimentazioneorientata allo sviluppodimotorirota?vi a vapore per impian? alimenta? dacombus?onedibiomasse.
• In par?colare la strumentazione è composta da
una caldaia a recupero combinata ad uncombustoreabiomassa.
• Obie]vo è la possibilità di u/lizzare rotori di
compressore a vite con funzionamento inversoper far espandere le piccole portate di vaporeprodo=einimpian/dipiccolataglia.
Lasceltatecnicadiu?lizzareunacaldaiaarecuperoeuncombustoreabiomassahaconsen?toinoltredirealizzareunproto/po di turbina a gas con componen/di derivazioneautomo>ve, quindi abasso costo,al fine di effe(uaresperimentazioni sugli scambiatori di calore per turbine a gas a combus?one esterna (ad esempio alimentate abiomassa), con lapossibilitàdi realizzaremacchinediquesto?poacos?ben inferiori rispe(oaquelliesisten?sulmercato.
SustainableManufacturing:CryoTes/ngandRecycling
ü IlCRYO-LABèfinalizzatoallasperimentazioneditecnichecriogeniche per la separazione dei materiali nellosmal/mentoericiclaggiodeipannellifotovoltaiciarriva/afinevita.
ü Il CRYO-LAB del laboratorio effe(ua prove a bassissima
temperaturaedè compostodaun sistemadi adduzionedel ve(ore criogenico (azoto liquido), un serbatoioprimario in pressione, da una linea di adduzione ed unsistemadiregolazionedelflusso.
ü Secondo i test preliminari, le tecniche criogeniche consentono diseparare le fe(e di silicio a livello ele(ronico e riu?lizzarlo con bassisforzi di recupero, rendendo il riciclaggio fotovoltaico altamentesostenibile.
ü Ilmetododiseparazionecriogenicaèinnova?voeesclusivodiLabZERO
edè registratomediante ilbreve=o internazionalen.BA2013000021“Processo criogenico per il recupero di materiali rigidi mono/poli-cristalliniodamorfirives//conmaterialiplas/ci”.
ü Un obie]vo di LabZERO è quello di raggiungere un livello diindustrializzazione del breve(o che consenta un livello adeguato diprodu]vità.
HighPerformanceBuildingMaterialsü LabZEROpuòinoltreforniresupportonelse(oredei
materialidacostruzioneper laricerca, l’innovazioneelacer?ficazionediprodo].
ü In par?colare, il laboratorio può testare nuovi
materiali e componen? per la ricerca e laqualificazione in conformità alle norma?ve vigen?.Possono essere collauda/ materiali ad altoisolamentoeadaltatolleranzadell'umidità.
ü Le proprietà igrometriche che possono esseremisurate in questa stru(ura sono la condu]vitàtermica, la diffusività termica, la capacità termicaspecifica, laporosità, lamicrostru(ura, l'isotermadiassorbimento e desorbimento, la permeabilità delvaporeacqueo.
ü Il LabZero nell’ambito della cer?ficazione deimateriali per l’edilizia dispone di camera clima/ca,picnometro a gas per misure di precisione sulladensità dei materiali, Gas absorp/on Analyzer eapparecchiature per la misura di trasmi=anzatermicainopera.
ProvenondistruGveperlacara=erizzazionemeccanicadimaterialiestru=ure
Nellaboratoriodinanosonicasonodisponibiliinfrastru(urepereffe(uareprovedi?ponondistru]vo,cheimpieganoillaserperlagenerazionedegliultrasuoni.Le prove sperimentali sono indirizzate alla cara=erizzazionemeccanica deimateriali innova/vi, quali per esempio imateriali composi/ e i materiali biologici, e alla determinazione degli sta? di sforzo, di ?po applicato e/o di ?poresiduo, chepossonoesserepresen?neimateriali, per esempio a seguitodell’applicazionedi una forza esterna e dideformazioniplas?chesubiteduranteunprocessodilavorazione.
La tecnica nota come “ultrasonica laser” risulta esserea(ualmentelapiùprome(entenelcampodelladiagnos?canon distru]va, in quanto consente misure sperimentalimoltoaccurate.
Vantaggi:
ü misurepuntualieaccuratedellevelocitàultrasonoreneimateriali,ancheinprossimitàdilesioniedife];
ü ispezionesugeometriecomplesse;
ü tempi di ispezione più rapidi e conseguentemente cos/minori;
ü elevata ripe/bilità dei risulta/ rispe(o alle classichemodalitàdiprovaperconta(o.
UnitàENEACrBrindisiLe infrastru(ure di competenza dell’ENEA CR-Brindisi, partner del proge(o,sonofinalizzateada]vitàdi:
ü Laboratorio per lo sviluppo e il test di materiali e disposi/vi per lagenerazionetermoele=rica(TEG)dacalorediscartoofontesolare(STEG)inconfigurazione ibrida fotovoltaico-termoele=rico (PV-TEG) e/o termico-termoele=rico(TG-TEG)”.
ü Simulazioneeproge=azionedisistemisolariaconcentrazione.
ü MisuraperladeterminazionediparametriMeteo-Clima/ciedambientali.
ü Testdiimpian/diSolar-Cooling.
PrincipaliaGvitàdimisura,verificaecollaudo
ü Verificaetaraturadisistemidiprotezionediimpian?ele(rici
ü Misuredicampiele=romagne/ciabassafrequenza
ü Provedirigiditàdiele=ricasucaviü Principalimisuredalaboratorioele(rotecnico
ü Principalimisureilluminotecnicheü Proge(azioneecollaudodischededicontrolloü Misureperimpian/diterra
ü Misuredicortocircuitoecorren/diguastoaterra
ü Proto/pizzazionerapidadiapparecchiatureele=richeü Testdicomunicazioneeintegrazioneinretecon
disposi/viIEC61850
ü Testsuimpian/dimini-eolico
ü Cara(erizzazionemeccanicadeimaterialitramiteinterferometrialaserenanosonica
ü Ciclitermicidiprovasuimaterialitramitecameraclima?ca
ü Ciclitermicidiprovaperba(eriealli?o
ü Testdiimpian/diSolar-Cooling
Sonostatesvoltealcunea]vitàdiricercaconpartecipazioneaiseguen?proge]:ü “Studio di faGbilità preliminare per la creazione di uno smart industrial Energy
DistrictnelpoloindustrialediBrindisi”-ConfindustriaBrindisi.ü Proge(o di ricerca “AIUTI A SOSTEGNO DEI CLUSTER TECNOLOGICI REGIONALI PER
L'INNOVAZIONE - Titolo “Energy Router e Strumen/ di Controllo Cloud per SmartGrid”Cod.Id.HX8HXI1.Partnerdiproge(o:
v FinconsSpA,v ALI6Srl,v EMISrl,v GarofoliSpA,v GEMICT–Research&developmentSrl,v GinexGaetano,v SICDivisioneEle(ronicaSrl.
ObieGviprincipalidiproge=o
Costruireunareteprivatadicollegamentotra le impreseaderen?alproge(oalfinedi:• Favorirel’integrazionedelleinfrastru(ureenerge?che• Incrementare l’autoconsumoe l’efficienzaenerge?caall’internodellazonaindustrialediBrindisi
• Garan?reladisponibilitàdicollegamen?dimutuosoccorsotraleimprese
• Incrementare disponibilità e qualità del servizio ele=rico(immunizzazionedabuchiditensioneedisalimentazionidilungadurata)
• RiconoscimentodeibeneficidiSistemadiDistribuzioneChiusooReteInternadiUtenza
• Cos/tuzionediunPremiumPowerParkindustriale
Costodovutoallemicrointerruzionipericlien/industriali
NelDCO42/10dell’AEEGèriportatounostudiocheriportailcostodovutoallemicrointerruzioni(interruzionitransitorieebuchiditensione)periclien?industrialicomesegue:
• se(oriosserva?:lamedianadeicos?dire]totaliannuièstatas?mataa267,8M€/anno(minimo:252,1M€/anno,massimo:296,3M€/anno);
• se(oripotenzialmentesensibilimanonosserva?:icos?dire]totaliannuisonosta?s?ma?a315,6M€/anno;
• icos?indire]totaliannuipermicrointerruzioniperilsistemaeconomicoitalianosonosta?s?ma?a196,8M€/anno.
Las?madeicos/totaliannuisostenu?daiclien?industrialiperlemicrointerruzioniportaavaloriinunintervallocompresotraun valoreminimopari a 449M€/anno (con l’ipotesi estrema che i se4ori potenzialmente sensibili nonosserva8abbianocos8nulli)eunvaloremassimoparia809M€/anno.Tu]ivalori riporta?sonoriferi?amonetadell’anno2006.
Cos/dellemicrointerruzioniperdiversise=oriindustriali:costodire=opereventoperkW(espressoineurodell’anno2006).Fonte:DIGdelPolitecnicodiMilano
Analisideicos/direGdeidisposi/viperlami/gazionedeidisturbi
Ilnumeroannuoa(esodiinterruzionialdiso(odellacurvadiclasse3:• 15÷20pergliuten?conun’alimentazionediqualità“media”;• almeno70nelcasodiWSC95%.
Ques?da?sitraduconoincos?dire]causa?daglieven?diPQedunas?madeicos??picidelleinterruzionièriportatanellatabella:
Cos//picidelleinterruzionitransitorieperse=oriindustriali(in$/kW).Fonte:EPRI,2005
Qualità del Servizio (media buchi di tensione)
Valori medi (Puglia 2014) – fonte QuEEN
Valori medi (Puglia 2015) – fonte QuEEN
Tensione residua
20-200 ms
200-500 ms
500-1000 ms
1-5 s 5-60 s
80-90% 55,1 12,5 1,7 0,2 0,070-80% 13,2 10,6 0,1 0,0 0,040-70% 12,9 10,4 0,7 0,0 0,05-40% 3,5 2,3 0,3 0,0 0,01-5% 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Tensione residua
20-200 ms 200-500 ms
500-1000 ms
1-5 s 5-60 s
80-90% 51,3 14,7 1,2 0,4 0,070-80% 14,9 9,1 0,5 0,0 0,040-70% 14,6 16,4 0,6 0,3 0,05-40% 9,2 4,6 0,1 0,0 0,01-5% 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Qualità del Servizio (benefici attesi )
• L’Autorità (AEEGSI) stima che il costo di ogni buco di tensione sia di 2,9 €/kW (sottostimato per il nostro caso).
• Nel caso del sistema in esame, considerando le imprese attualmente non collegate in una RIU, la stima di costo è di circa 100.000 €/buco di tensione (stima conservativa poiché alcune aziende stimano il costo di ogni interruzione nello stabilimento tra 50.000 – 500.000€)
• Assunto che il sistema riesca a garantire immunità dal 90% dei buchi di tensione i benefici sono:
• Caso medio: 3.600.000 €/anno • Caso peggiore: 10.620.000 €/anno • Caso atteso: 6.300.000 €/anno
Sintesi dei risultati preliminari
• Costo dell’investimento circa 50.000.000 € • Benefici per incremento di qualità del servizio e
immunizzazione da buchi di tensione tra 3.600.000- 10.600.000 €/anno (valore atteso 6.300.000 €/anno)
• Eventuali benefici per riduzione costi su servizi di rete (1.800.000 €/anno)
• Eventuali benefici per riduzione costi su oneri generali (9.400.000 €/anno)
• Stime a vantaggio di sicurezza: Ø tutti i benefici sono stati calcolati considerando le sole
imprese partecipanti e non eventuali altre imprese aderenti Ø le apparecchiature principali del sistema elettrico sono state
dimensionate per la potenza massima disponibile localmente (circa 100-150 MVA)
Conclusioni
IlLaboratoriooperainuncontestodiesperienzadiricercaconsolidatocos?tuitodalPolitecnicodiBariedelCentrodiRicercaENEAdiBrindisi;Sindallasuaproposizionecollaboraconpartnerassociateesterniedintendeestenderequestacollaborazioneconleaziende.Lasuamissioneconsisteinunacooperazionestrategicaconleimprese,Iprincipalistakeholdersedaltricentridiricercapromuovendounapprocciomul/disciplinareessenzialeperlosviluppoditecnologieinnova?venell’areadellaefficienzaenerge/caedellasostenibilitàambientale.Intendesvilupparenuovimodellidiorganizzazioneegovernancetraen?tàanalogheeconilmondoindustriale.IlPianoIndustria4.0offrestrumen?concre?dicollaborazioneperlepartnershippubblico-private.