Suggestioni sull’energia elettrica: accumularla e trasmetterla

Martedì, 22 novembre ore 16.30, aula M1, DIM.
Incontro con la ricerca, 5° appuntamento primo semestre

L’ospite

Roberto Benato è docente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Padova, ove tiene i corsi di Impianti Elettrici per la laurea triennale di Ingegneria dell’energia e Sistemi Elettrici per l’Energia per la laurea magistrale di Ingegneria elettrica. La sua attività di ricerca si svolge nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica, ma anche della generazione distribuita e dell’accumulo stazionario.

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Il tema dell’accumulo viene introdotto
dai prof. Benato tramite l’esperimento condotto dallo scienziato Alessandro
Volta. Volta, ispirato dalla torpedine, nuovamente esempio di “natura magistra vitae”, costruisce un organo elettrico
artificiale costituito da dei dischetti di metalli diversi immersi in un liquido creando la prima batteria. Oggi, vengono
costruite batterie formate da moduli con celle. L’accumulo può essere sia di tipo elettrochimico, con potenze da 10 kW a circa 10 MW e tempi di scarica da alcuni
secondi fino a qualche ora, sia sotto forma di pompaggio, metodo che permette di aumentare di molto la potenza. Il
relatore si è soffermato in particolare sull’accumulo elettrochimico facendo poi una carrellata sulle diverse tipologie di
celle: dal piombo acido a ioni litio passando per nichel-cadmio, nichel-idruri metallici. Tutte queste celle hanno in comune l’elettrolita di tipo liquido; la massima energia specifica ponderale che è stata raggiunta finora è 150 Wh/kg, ottenuta con celle tradizionali a ioni litio.
L’IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) sta cercando, tramite studi sui materiali, di superare questo limite massimo utilizzando il grafene. Le batterie a ioni litio hanno al catodo il litio ferro-fosfato e all’anodo la grafite. In questo processo da loro ideato, viene tolta la grafite e messo il grafene; tramite questa operazione si ottiene una batteria con 190 Wh/kg capace di compiere 80 cicli di carica e scarica. Il grafene ha una resistività di 0,01 Ωmm²/m (contro 0,0172 del rame!) ma nel
momento in cui vengono sovrapposti più strati, queste le caratteristiche non valgono più: per ovviare a questo inconveniente, l’IIT ha ideato degli inchiostri al grafene che possono essere “stampati” su supporti flessibili.
C’è poi la famiglia Na-β (sodio-zolfo e sodio-cloruro di nichel meglio conosciute come ZEBRA) che ha l’elettrolita beta-allumina di tipo ceramico e come anodo, il sodio allo stato fuso a 300°. Gli elementi costitutivi delle Na-β, essendo allo stato fuso a 300-350° e avendo l’elettrolita ceramico, potrebbero rompersi, mettendo a contatto diretto anodo e catodo che, nel caso di batterie a sodio zolfo, darebbe luogo a una reazione fortemente esotermica creando problemi di sicurezza.
La rottura della Beta allumina farebbe entrare a contatto il sodio e lo zolfo; una tecnologia Giapponese, denominata “safety cube” permette, in caso di rottura, di strozzare il flusso di sodio che andrebbe in contatto diretto con lo zolfo in modo che la generazione di calore che si sprigiona dalla reazione chimica, sia limitata ad un valore tale da non rompere l’involucro della cella. Questa è una sicurezza interna alla cella. Per quanto riguarda le sodio- cloruro di nichel
(ZEBRA), hanno il vantaggio di avere una sicurezza intrinseca: oltre la beta allumina, all’interno della cella vi è anche un CATOLITA (tetracloralluminato di sodio) che, nel caso di rottura della β’’-allumina, forma sale e alluminio. Essendo l’alluminio conduttivo, viene cortocircuitata la cella permettendo di avere delle stringhe lunghissime di celle.
In Italia per l’accumulo elettrochimico sulla rete, TERNA si è mossa in questo modo: la potenza installata proveniente da fonti rinnovabili sta sempre aumentando e questo può dare dei problemi per il dispacciamento. Per ovviare a questo problema si potrebbe rinforzare la rete: questo però comporta tempi molto lunghi.
Un’altra soluzione sarebbe utilizzare batterie che disaccoppiano produzione dall’utilizzo avendo dei tempi di scarica delle batterie stesse di circa
sette ore (Energy Intensive).
La seconda direzione in cui si è mossa TERNA è stata quella del “Power Intensive”: utilizzando l’accumulo per fare i servizi di rete (esempio la regolazione di frequenza primaria e secondaria e inerzia sintetica) che consentono carica e scarica delle batterie in tempi molto più brevi.
Per quanto riguarda la trasmissione, il professore ha focalizzato l’attenzione sui cavi HVDC. Le tre fasi di questi sono tutte incluse in un cavo (tripolare) ove alloggiano anche delle fibre ottiche. Questa tipologia ha una caratteristica importante: le fasi sono cordate (avvolte ad elica) con un certo passo e i fili dell’armatura sono anch’essi cordati con un passo un po’ più piccolo.
Le posizioni delle parti conduttive variano con continuità a differenza di una linea aerea
dove le fasi sono sempre parallele. Il passo dell’armatura piò essere cordato nella stessa direzione delle fasi (unilay) o in modo contrario (contralay).
Il gruppo di ricerca del professore, ha calcolato le perdite su fasi, schermi e armatura considerando questi diversi passi di cordatura; tutto ciò ha un senso sia per uno studio di efficienza energetica sia per quanto riguarda il dimensionamento del conduttore di fase.
Tuttavia questo studio è altresì sfidante poiché si riscontra una forte
disuniformità delle correnti a causa di effetto pelle e effetto di prossimità.
Per considerare questa situazione, è stato implementato un modello agli elementi finiti che arrivasse a considerare fino a 3 m di cavo: la massima lunghezza che era stata precedentemente simulata era di 1 m. Inizialmente si è sviluppato un modello in 2D (perdendo tutte le cordature) e poi tramite un software Flux 3D con una tempistica di 70 ore.
Si cerca un approccio diverso tramite MCA (Multi Conductors Analysis) che consenta di eseguire questi tipi di calcoli in minor tempo (ordine dei minuti).
Concludendo, riguardo l’accumulo elettrochimico la ricerca del dipartimento segue l’industria dei produttori e i gestori di rete. Per la trasmissione invece, ci si concentra sui cavi armati sottomarini con un accenno alle possibili applicazioni nell’eolico off-shore.

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