Accumulo e Trasporto di Energia

Corso di laurea magistrale in accumulo e trasporto di energia

Prof. Eliodoro Chiavazzo

Appunti di Fabio Galizia

Lezione 1

Introduzione al corso

Richiesta mondiale di energia sotto forma di calore per il 40% del totale, comprendendo nel totale elettricità e trasporto.

1. Richiami termodinamica applicata
2. Energia solare termica
3. Cenni sulle tecnologie sviluppate per l'accumulo di energia in varie forme, accumulo elettrico e l'accumulo magnetico-meccanico; importante è per le energie rinnovabili. Accumulo sensibile e latente.
4. Analisi energetiche e exergetiche.
5. Materiali compositi per migliorare le prestazioni di sistemi di accumulo
6. Micro fluidi e nano fluidi per trasporto di energia termica.
7. Laboratorio di elaborazione macroscopica (COMSOL)
8. Due laboratori su simulazione microscopica, atomistica

Le membrane a scambio ionico fanno passare ioni ad un solo segno, membrane cationiche o anioniche. Si alternano membrane anioniche e membrane cationiche. Si avrà impoverimento di sale a set alterni.

Nella prima fase attiva l'acqua passa e gli ioni vengono trattenuti dalle spugne. Quando le spugne si saranno riempite si inverte la polarità e si instaura la fase di sciacquo collezionando l'acqua più ricca di sale in un altro recipiente.

Si usano membrane micro-porose idrofobiche. Sono fatte di materiali plastici idrofobici (Teflon). Sono membrane che presentano fori molto più grandi delle membrane per osmosi diretta o inversa (per osmosi diretta o inversa si usano fori dell'ordine dei nanometri).

Si separano le fasi liquide ma mette in stretto contatto le due tensioni di vapore dei due liquidi. Se a sinistra si innalza la temperatura, si ha che la tensione di vapore a sinistra sarà maggiore di quella a destra e quindi si instaura un flusso di massa.

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Appunti di Fabio Galizia

Lezione 2

Richiami di termodinamica applicata

Potenza installata in calo negli ultimi anni.

Non conveniente usare potenza solare termica solo per acqua calda sanitaria perché la richiesta è troppo bassa.

Il problema non è direttamente sulla tecnologia ma sulla sostenibilità economica.

La situazione potrebbe cambiare con i prossimi sistemi di accumulo termico. Interessanti sono i materiali di prossima generazione.

L'accumulo termico non è solo solare termico:

1. Accumulo termico a bordo auto. Possibilità di scaricare velocemente l'accumulo in 90 secondi. Cere paraffiniche che possono fondere in un range di temperature, materiale sintetico molto simile alle cere delle candele; il problema è che queste cere hanno una conducibilità termica molto bassa quindi molto difficile caricare e scaricare questi sistemi in modo rapido. Le palline di paraffina vengono inserite all'interno di una matrice metallica per poter raccogliere la paraffina e farsi attraversare anche dal fluido. La matrice metallica è stata realizzata tramite DLMS processing (direct laser metal syntering).

Rilascio calore da materiale adsorbente

La cera di prima era un materiale scarico di calore. In questo caso il materiale solido è carico (contiene già calore) perché lo contiene in forma potenziale. Ci sono dei fori nanometrici, sono quindi materiali microporosi, i nanopori sono idrofilici, igroscopici quindi trattengono l'acqua; se i pori sono vuoti inizialmente, il materiale è asciutto, successivamente nel momento in cui l'acqua viene assorbita nei pori, l'acqua viene trattenuta. Se il materiale viene scaldato, viene fornita energia sufficiente a rilasciare l'acqua.

Richiami generali di termodinamica applicata

Sistema termodinamico è una porzione di spazio delimitata da un volume di controllo.

L'accumulo termico dipende direttamente dalla capacità termica della sostanza.

Se nel materiale scelto per l'accumulo si verifica un passaggio di fase, si ha anche una parte legata al calore latente della sostanza. Si riesce ad avere una densità di energia molto elevata grazie al calore latente.

Negli accumuli è molto importante la variazione di densità nel passaggio di fase. Possono creare problemi e limita le applicazioni degli accumuli al passaggio di fase liquido-solido perché è l'unico passaggio di stato dove si può limitare questo fenomeno di variazione di densità.

Nelle cere paraffiniche la variazione è del 15%. Ovviamente bisogna stare sotto la temperatura critica del materiale altrimenti non si ha alcun passaggio di fase. Per pressioni piccole la Z è intorno a 1 (vedere grafico) quindi vale l'equazione dei gas perfetti, quindi se un gas è sufficientemente rarefatto vale la trattazione di un gas perfetto.

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Lezione 3

Politropica, deflussi, conduzione, convezione, irraggiamento

Problema: quando n=1 l'espressione del lavoro assume una forma indeterminata (isoterma).

Richiami generali sui deflussi

Flussi uniformi o non uniformi, a regime o non a regime, campi di moto stazionari o transitori, comprimibili o incomprimibili, laminare o turbolento.

Numero di Reynolds: confronto tra forze di inerzia e forze viscose all'interno del fluido.

La viscosità dinamica correla le forze di taglio alle deformazioni, se accade il fluido è detto Newtoniano. Il fluido newtoniano è caratterizzato da equazioni di Navier-Stokes.

Equazione di continuità: si conserva portata massica e volumica.

Strato limite: se una lastra di materiale solido è lambita in modo tangenziale a partire dal bordo di attacco, il campo di moto iniziale dato cambia nel tempo e nello spazio della piastra, potrò distinguere il fluido in due parti, per un certo spessore il fluido risente della presenza della piastra e viene frenato, oltre lo strato limite, il fluido è imperturbato dalla presenza della piastra. Per un certo valore di Reynolds si passa da un regime laminare, di transizione e poi turbolento.

Se si ha differenza di temperatura tra lastra e fluido si avrà uno scambio termico, può essere positivo o negativo.

Perdite di carico: distribuite e localizzate, tramite diagramma di Moody.

Conduzione:

Convezione:

Irraggiamento:

Cenni su scambiatori di calore

Utile alettare il lato più sfavorito dal punto di vista di scambio termico (solitamente lato aria).

La punta dell'aletta non funziona in maniera identica alla radice dell'aletta, quindi le efficienze sono diverse. Si introduce quindi un'efficienza globale dell'aletta.

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Lezione 4

Tipologie di accumulo

Scarsa flessibilità dei combustibili.

Risparmio su combustibili più pregiati.

Un primo esempio di accumulo di energia ricorda uno dei primi motori a vapore. L'accumulo viene creato tramite volano. L'energia in eccesso viene immagazzinata sotto forma di energia cinetica del volano la quale viene poi restituita in seguito. (Volano è un accumulatore di tipo meccanico)

• Sistemi meccanici o idraulici (volano, sistemi di pompaggio o aria compressa (tecnologie mature per le grosse centrali termoelettriche))
• Sistemi elettrochimici (batterie)
• Sistemi a calore sensibile e latente
• Sistemi biologici (biomassa, raccolta e stoccaggio tramite fotosintesi, efficienza però pessima per la conversione dell'energia dei fotoni)
• Accumulo magnetico (problema è la disponibilità di materiali adatti, superconduttività)
• Produzione idrogeno

L'energia meccanica può essere accumulata sotto forma di:

Energia cinetica rotazionale (volano). L'energia cinetica rotazionale si conserva per un certo periodo di tempo.

• Uno dei modi per accumulare tantissime quantità di energie nelle centrali termoelettriche, sono gli impianti di pompaggio. Lo stoccaggio energetico è quindi sotto forma potenziale quindi durante la fase di accumulo non si hanno perdite di energia, ma si perde energia nelle fasi di pompaggio e scarica (30% in carica e 20% in scarica). Sistema interessante se si usano macchine reversibili (può fungere sia da motore elettrico che da alternatore. La pompa è una Francis.

Esistono delle varianti a questo sistema di pompaggio.

Si possono usare sistemi di pompaggio sotterranei, con un bacino superiore e un bacino sotterraneo con la Francis che funge da convertitore elettrico.

Impianto ad aria compressa

• Viene eliminato l'accoppiamento tra turbina e compressore. Si avrà un motore elettrico che guida il compressore. Il compressore prende aria in condizioni ambientali e comprimendola non la manda nella camera di combustione ma viene stoccata in un reservoir (grosse caverne, grossi volumi). L'idea è che quando ho eccesso di energia accumulo aria compressa nella cavità. Quando ho bisogno di un surplus di energia estraggo aria compressa dalla cavità. Questo perché il lavoro per guidare il compressore è notevole (2/3) quindi è bene usare una riserva di aria compressa. Si crea però un problema di accumulo termico in carica (si scalda il gas che potrebbe avvantaggiare dato che mi serve poi in camera di combustione) ma poi in scarica il gas si espande e si raffredda ma mi servirebbe caldo in camera di combustione.

Per risolvere questo è bene prevedere un accumulo dal lato sensibile (eventuale accumulo calore di compressione).

Un'altra variante è recuperare il calore sensibile dell'uscita della turbina e utilizzarlo per pre-riscaldare l'aria in camera di combustione.

Si potrebbe avere una ulteriore variante allo schema dell'impianto per regolare la variazione di pressione.

La caverna viene riempita fino ad una certa altezza con acqua. Il volume a disposizione è quindi diminuito. Si ha una certa colonna d'acqua che sovrasta la caverna. La colonna d'acqua aggiusta la pressione della caverna mantenendola più o meno costante a 50 bar (entro certi limiti).

Si usano quindi eccessi di aria superiori di 3 volte rispetto allo stechiometrico.

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Lezione 5

Volani, batterie, energia elastica molle, maglio gravitazionale, aria compressa

Volani

Forma di accumulo di energia primitiva, ovvero un'idea tra le più antiche. Grosse ruote, grosse masse messe in rapida rotazione attraverso macchine elettriche. Finora sono stati utilizzati per frenata rigenerativa, che può essere implementata a bordo di veicoli. Invece di dissipare energia frenando, si riversa l'energia cinetica dell'auto al volano. Soluzione non comune su auto ma consolidata sui tram o treni. Questa soluzione è stata dimostrata utile alla diminuzione dell'uso del combustibile del 30-50%.

Efficienza dell'80-90%.

Dove è il problema?

Il problema è cercare di aumentare la quantità di energia accumulata a parità di massa, quindi in volumi sempre più piccoli si vuole stoccare maggiori quantità di energia. Il segreto è lo sviluppo di nuovi tipi di materiali di utilizzo. Velocità non trascurabile ma energia generata molto bassa.

Solitamente volani fatti in materiali compositi in fibra di vetro o fibra di carbonio dove il rapporto sigma/rho può essere anche superiore a 7.

Uno dei problemi del volano è la sua esplosione se non si rispettano determinati parametri.

Nel progetto di un volano, nel caso di esplosione i pezzi devono rompersi in determinati modi, pezzi sottili e lunghi. Quindi il fattore sicurezza è molto importante.

Il volano è progettato per minimizzare la quantità di energia persa tramite attriti e energia meccanica.

I volani sono contenuti all'interno di uno statore:

• Per isolarli e per creare un vuoto per abbattere gli attriti fluidodinamici
• Per l'utilizzo di cuscinetti magnetici

Il volano è in concorrenza con le batterie. L'unica differenza è che stocca l'energia in forma diversa. Il vantaggio è che è possibile caricarlo e scaricarlo completamente, cosa che con le batterie non è possibile perché perderebbero le loro proprietà. E altro vantaggio è la vita dei componenti, essendo un componente meccanico non è soggetto a degradazione elettrochimica. L'energia stoccata tramite volano è possibile mantenerla per diversi mesi.

Nelle applicazioni aerospaziali l'utilizzo dei volani è utilizzato sia come stoccaggio ma anche come aiuto nel movimento.

Utilizzi futuri

• Sostituzione batterie elettrochimiche per impianti di telecomunicazione come backup.
• Autoveicoli elettrici (tram e treni).

Batterie elettrochimiche

Ottima densità di potenza, stabili.

L'uso delle batterie anche al piombo non è limitato solo all'ambito automobilistico ma anche di stoccare energia da fonte rinnovabile.

Il problema è che non consentono una buona modularità. Non accettano grosse quantità di energia da stoccare ma possono essere usate assieme a sistemi di pompaggio ad esempio, quindi insieme a sistemi ibridi; sistema elettrochimico per coprire un carico immediato, perché tempi di risposta molto rapido. Caratterizzate da alte efficienze (70%).

Batteria a piombo/acido

Come tutte le batterie elettrochimiche, sono le celle galvaniche.

Quindi consistono in una soluzione elettrochimica e l'elettrolita è acido solforico. (H₂SO₄).

Si produce solfato di piombo tutto attorno all'anodo e quindi si perde superficie attiva mentre allo stesso tempo consumo soluzione. Al catodo ho deposito di solfato di piombo solido e consumo cationi e anioni dalla soluzione e in più immetto acqua nella soluzione e per questo si diluisce. Ad un certo punto, sia per soluzione troppo diluita, sia per elettrodi con poca superficie attiva, la batteria smette di funzionare.

La cosa positiva è che dal punto di vista chimico, queste reazione sono invertibili applicando una tensione alla batteria, ripristinando la batteria convertendo il solfato di piombo in piombo all'anodo e ossido di piombo al catodo.

Il problema è che gli elettrodi sono solidi quindi spingendo troppo la scarica della batteria, a lungo andare non si riesce più ad invertire il processo. Quindi la batteria non supporta il Deep Cycling; quindi queste batteria infatti vanno bene per l'auto quando appunto la batteria rimane sempre carica.

Altri tipi di batterie

1. Nichel-Zinco
2. Nichel-Ferro
3. Nichel-Cadmio (decine o centinaia Wh/kg)
4. Sodio-Zolfo

Tutte queste batterie soffrono quando gli elettrodi sono solidi perché si consumano come abbiamo visto prima.

Interesse è caduto dove almeno un elettrodo è fatto da liquido o gas, in modo tale che non ci sia questo fenomeno del degrado di almeno un elettrodo. (Batterie metallo-aria).

Batterie metallo-aria

• Alluminio-Aria
• Litio-Aria

Utilizzo il carbone attivo perché è microporoso quindi si aumenta la superficie di contatto del catodo. La densità di energia per una batteria di questo tipo si aggira attorno ai 6000-8000 Wh/kg (teorico).

Dal punto di vista pratico si realizza qualcosa oltre ai 1000 Wh/kg.

Ricordiamo che le batterie delle auto sono attorno ai 30 Wh/kg. Questa batteria però è difficilissimo da caricare perché l'idrossido di alluminio non si riesce più a riconvertire quindi questo tipo di batteria è stato proposto per soluzioni di emergenza, quindi molto utile solo in scarica, consumando l'anodo. Alcuni studi suggeriscono che sia conveniente la sostituzione dell'anodo ad ogni scarica della batteria.

Vantaggi: bassissimo costo con prestazioni assurde.

Densità di energia di 11140 Wh/kg (teorici).

Deep cycling è un grosso limite per le energie rinnovabili.

Una figura di merito per le batterie è la capacità misurata in Ah.

Il deep cycling si verifica quando la batteria si scarica oltre la metà della carica prima della carica successiva, questo serve per aumentare la durata di vita della batteria.

Energia specifica: Wh/kg.

Densità di energia: quando è importante l'ingombro. Wh/litro o Wh/m³.

Potenza specifica: velocità di rilascio dell'energia riferita alla massa del dispositivo W/kg.

Numero cicli: massimo numero di cicli che si può compiere prima che non si riesca a mantenere l'80% della capacità.

La concentrazione dell'acido solforico è funzione della temperatura, scendere troppo al di sotto o al di sopra comporterebbe problemi alla batteria. Esempio comune che non si accenda l'auto.

Accumulo energia elastica all'interno di molle

È un accumulo meccanico per energia potenziale.

Maglio gravitazionale

Aria compressa

Ritorna spessissimo per l'auto trazione al posto delle batterie, quindi avere un motore alternativo a bordo che possa sfruttare l'espansione dell'aria compressa.

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Appunti di Fabio Galizia

Lezione 6

Condensatori, reforming, produzione idrogeno, termolisi acqua, cicli termodinamici, voltametro di Hoffman, bioreattori

Condensatore elettrico

• Condensatore piano. Per aumentare l'energia elettrica bisognerà avere una capacità C del condensatore il più alta possibile.
• Condensatore cilindrico