Impressioni di un Tecnico

Lo scopo di questa pagina è quello di raccogliere materiali informativi sull’energia nucleare che abbiano la caratteristica di studio scientifico, dettagliato e documentato.

• Sergio Gallone e Giancarlo Ghilardotti (1964), “Fisica dei reattori nucleari“, Milano: Feltrinelli.
• L. Leprince-Ringuet (1981), “Report on the International Conference on nuclear power experience“, Documenta 7, Roma: Pontificia Accademia delle Scienze.
• MIT (2003-2009), “The Future of Nuclear Power“.
• Antonio Pignedoli (1969), “Fondamenti della teoria matematica della diffusione dei neutroni“, Monografie Matematiche del CNR 17, Roma: Cremonese.
• VAST (a cura del), “Prospettive dell’energia nucleare in Italia“, Seminario di studio tenuto il 21/10/2005 nella Sala del Mappamondo, Palazzo Montecitorio, Roma.

Ted Nugent – Cat Scratch Fever

Scrivo questo post per segnalare alcune piccole modifiche che ho fatto al manuale minimo di Emacs: ho aggiunto la combinazione di tasti che permette di uscire dal programma . È una scelta opportuna, visto che il manuale insegnava come lanciare il programma ma non come terminarlo, inoltre ho notato che alcune ricerche via internet che hanno portato visitatori al mio blog avevano come argomento la ricerca dei comandi per la chiusura di Emacs: così mi è sembrato opportuno completare questa pagina. Ma voglio anche segnalarvi che tra alcuni giorni verrano dei tecnici della locale azienda municipalizzata verranno in riunione di condominio a illustrare il progetto di estensione del teleriscaldamento che riguarda tutta la mia città: ovviamente vi riferirò sul contenuto tecnico di questa conversazione.

Credevate che avrei postato sull’argomento del recupero dei materiali tecnologici ( ), e invece sono ritornato sull’energia geotermica perché in questo ambito c’è qualcosa di nuovo. Purtroppo non ho novità sulle tecniche LIDAR per la localizzazione delle sorgenti geotermiche, ma ho novità circa le tecnologie usabili e il tipo di siti utilizzabili per la produzione di energia geotermica. Le tecniche tradizionali sfruttano grandi serbatoi di acqua sotterranei che si formano nelle regioni vulcaniche, vicino ai bordi delle faglie presenti, originate dal movimento delle placche tettoniche: sono proprio le  faglie, che sono essenzialmente fratture verticali, a permettere all’acqua di infiltrarsi in profondità e riscaldarsi a contatto con il magma. Di conseguenza gli impianti geotermici tradizionali son localizzati in regioni vulcaniche, e sono quindi relativamente poco diffusi: la geotermia tradizionale è diffusa nelle regioni vulcaniche come Islanda o Italia. I geologi nel corso dei loro studi hanno scoperto strati di roccia calda di origine non vulcanica ad alcuni chilometri al disotto della superficie di certi tipi di terreno: si tratta di rocce granitiche riscaldate dal decadimento naturale degli isotopi di uranio, torio e potassio contenuti. Queste rocce non sono direttamente raggiungibil dalle acque piovane per infiltrazione perché si fratturano preferibilmente in direzione orizzontale: perforando però lo strato protettivo superiore e immettendo acqua attraverso i pozzi di iniezione creati si causano delle fratture di dimensioni millimetriche dove l’acqua stessa scorre in direzione orizzontale riscaldandosi significativamente. Prelevando quest’acqua con nuove perforazioni fatte a opportuna distanza dal pozzo di immissione, la si puo usare per muovere apposite turbine e produrre energia elettrica. Questa tecnica si chiama EGS, acronimo di Engineered Geothermal System per alcuni e Enhanced Geothermal Systems per altri: questo link ad una pagina web del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti d’America contiene una animazione che illustra bene il concetto. Inoltre nel numero 1 del volume 46 della rivista dell’IEEE, lo Spectrum, l’articolo Winner: Hot Rocks spiega perché le ricerche che si fanno in questo campo e in questo momento in Australia da parte di una industria elettrica locale sono tra le tecnologie vincenti dell’anno 2009, secondo la redazione. Comunque, anche questo nuovo tipo di impianti ha lo stesso problema fondamentale degli impianti tradizionali: individuare i siti è difficile e occorre eseguire costose trivellazioni. Allora, diamoci da fare per inventare nuove tecnologie di analisi dei suoli e delle aree geografiche. 

Per vedere lo schema di principio di una centrale geotermica vi consiglio di seguire questo link (in Italiano): la scheda fa parte di un gruppo che è il risultato del lavoro di diverse classi delle scuole superiori sotto la supervisione del Prof. Rosario Berardi, ed è quindi semplice ed essenziale. Non ho ancora trovato sufficienti informazioni sull’uso delle tecniche LIDAR per la localizzazione di sorgenti geotermiche: questo argomento sarà trattato in un post successivo.

Leslie West – Theme from an imaginary western

Ed eccovi finalmente l’annunciato ultimo post della serie sui sistemi di accumulo dell’energia: si cercherà di determinare come deve essere dimensionato un sistema di accumulo per un  impianto fotovoltaico da 50kW di potenza massima erogata, o 50kWp. Impianti di questa taglia sono da considerarsi di grande potenza per questa tecnologia: impianti di potenze maggiori esistono ma sono più rari e richiedono sforzi tecnologici non comuni per la loro costruzione, oltre a superfici  occupate decisamente importanti, visto che la potenza massima producibile espressa in kW/m² è pari a circa 0,125÷0,083. Non tratterò volutamente il dimensionamento di un impianto eolico, per le due seguenti ragioni

• la potenza media di tali impianti è molto più alta (la taglia tipica di un generatore eolico è 3MW), quindi il problema della realizzazione di un impianto per l’accumulo dell’energia fornita è molto più complesso
• non esistono ancora soluzioni tecnologiche di largo impiego a detto problema, probabilmente proprio in ragione di quanto affermato al punto precedente

A proposito, per i dati tecnici mi sono basato sull’ottimo articolo “Investire oggi nel fotovoltaico” di Roberto Faranda e Federico Zaraga, Aprile 2006, Rivista AEIT della AEIT – Federazione Italiana di Elettrotecnica, Elettronica, Automazione, Informatica e Telecomunicazioni. Facciamo ora alcune ipotesi.

1. Supponiamo che l’impianto sia realizzato allo stato dell’arte, vale a dire che sia orientato in modo tale da garantire una potenza minima di circa 3kW (una comune utenza domestica) almeno nel 97,75% delle condizioni atmosferiche: questo equivale a supporre che ci siano circa 4 giorni di pioggia completa all’anno, dove l ‘erogazione di energia è forzatamente inferiore. Infatti (giorni), essendo il numero totale di giorni di sole annui, escluse le notti (ovviamente ).
2. Perché proprio questa percentuale? Vi chiederete voi. Avete ripassato la teoria della distribuzione di probabilità gaussiana? Vi chiedo io . Se l’avete fatto, potete ricordare che la probabilità che questa variabile abbia valore minore a µ-2s, vale a dire P[x<µ-2s], con µ valore medio della variabile e s deviazione standard, è il 2,25%. Se allora supponiamo che l’energia fornibile dal nostro impianto abbia questa distribuzione di probabilità, l’ipotesi 1 viene automaticamente verificata: l’assunto è molto forte perché in genere i fenomeni atmosferici non hanno distribuzione di probabilità di tipo gaussiano per tutta una serie di ragioni che magari vi esporrò in un altro post, ma nel nostro caso va benissimo perché permette di illustrare un modo qualitativamente buono di procedere.
3. Supponiamo di usare come sistema di accumulo di energia una batteria di accumulatori  al litio: questo perché pur essendo un tipo di batteria che ha ancora grossi problemi, presumibilmente è la tecnologia che per volume di vendite e sviluppo tecnologico raggiungerà la maturità tecnica nel prossimo futuro. Tengo comunque a precisare che ora come ora questo strumento non è ancora adatto all’uso a cui noi lo stiamo destinando . Adotteremo come valore di efficienza energetica il 90%,come valore di energia specifica 180Wh/kg, e infine come valore di potenza specifica 400W/kg. assumendo per queste quantità la definizione data in questo precedente post.

Con queste ipotesi e questi dati possiamo assumere che µ=25kW (potenza media erogata) e s=11kW (deviazione standard della potenza erogata). Ora una nuova considerazione: il sistema di accumulo dell’energia erogata da questo impianto deve avere la sua stessa massima potenza. Infatti, se ciò non fosse, in condizioni di scarso assorbimento di potenza da parte della rete e contemporaneo picco di generazione della centrale fotovoltaica, il sistema di accumulo di energia rischierebbe di danneggiarsi: il sistema deve quindi pesare almeno   . Si noti che si tratta di un limite minimo, al disotto del quale non è possibile andare: il peso finale e quindi il volume del sistema deve essere valutato anche in funzione dell’energia erogabile e può quindi essere (e in generale sarà) molto maggiore. Vediamo allora di procedere a questa ulteriore più precisa valutazione considerando la continuità del servizio che vogliamo garantire: fissiamo una potenza nominale, vale a dire una potenza di impianto che noi dobbiamo poter essere in grado di fornire sempre e comunque,  pena il sovraccarico di altri fornitori e/o il fuori servizio dell’intera rete di distribuzione (o almeno di una parte locale). Ragionando come visto in precedenza, vediamo che la probabilità che la potenza erogata dall’impianto scenda sotto il valore µ-s=14kW, ossia P[x<µ-s], vale l’84,15%. Ciò significa che il sistema di accumulo dell’energia dovrà fornire la potenza nominale dell’impianto solo per il 15,85% del periodo diurno oltre che per il 100% del periodo notturno: sono percentuali ragionevoli per cui adottiamo PNOM=14kW. Allora l’energia fornibile dal sistema di accumulo dell’energia deve essere pari a

Il valore ottenuto è enorme! Si noti che con le batterie avanzate scelte dovremmo  comunque avere un accumulatore di 400t che equivale a un volume di 355000l355m³ (assumendo una densità volumetrica di energia di 200Wh/l, dato anche questo preso dal numero di Maggio 2008 della rivista AEIT, articolo di Giuseppe Lodi ). Ora, siccome l’impianto stesso in condizioni ottimali deve occupare una superficie pari a 400m², risulta che una batteria di questo tipo alta circa un metro deve occupare la medesima area dell’impianto. Tuttavia, allo stato attuale della tecnologia sistemi di questo tipo sono economicamente fattibili solo con batterie al piombo.: questo significa che la densità di energia è 30-40 Wh/kg e quindi il sistema di accumulo dell’energia ha un volume almeno 4 volte superiore a quello realizzabile in via teorica con le batterie al litio, escludendo le opere civili necessarie per la gestione, la manutenzione, la protezione dagli agenti atmosferici. Si inizia ora a capire perché a discapito di una tanto sbandierata ecologicità , questi impianti non sono diffusi:

1. Il picco di potenza non è raggiungibile se non per percentuali irrisorie del tempo di servizio.
2. Il volume occupato dai necessari sistemi di accumulo dell’energia per garantire la continuità di erogazione dell’energia elettrica in presenza di soli impianti fotovoltaici è enorme.

Ma impianti di questo tipo esistono, e come abbiamo detto all’inizio del post, hanno anche potenze superiori: come fanno a garantire il loro servizio? Semplicemente essi si appoggiano a centrali termoelettriche e centrali nucleari che garantiscono la continuità del servizio dato che la loro efficienza di impianto che è, come già detto, il rapporto tra la potenza nominale dell’impianto e la potenza effettiva che l’impianto stesso sviluppa è completamente sotto il controllo del personale della centrale. Pensateci su mentre ci ascoltiamo gli AC/DC:

AC/DC – Dirty Deeds Done Dirt Cheap

… i sistemi di accumulo dell’energia, dovrete avere ancora un po’ di pazienza, siccome sto lavorando ad altre cose che richiedono il loro tempo: di alcune di queste vi ho già raccontato, mentre di altre vi racconterò in seguito, o forse no .

In questo post descrivo i quelli che nel primo di questa serie ho impropriamente chiamato volani magnetici, ma che è corretto chiamare SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). Comunque voglio aggiungere un ultimo importante dettaglio a completamento dei precedenti post riguardanti le batterie ricaricabili: esiste il SUBAT (SUstainable BATteries), uno studio finanziato dall’Unione Europea e terminato nel 2004, i cui risultati sono stati resi disponibili al pubblico. Questo studio riguarda da una parte la valutazione della possibilità di mantenere o meno il cadmio nelle batterie per uso su veicoli a tecnologia End-of-life (tecnologia obsoleta o in via di obsolescenza), e dall’altra la valutazione degli aspetti tecnico, ambientale ed economico delle tecnologie applicate per la costruzione di batterie commerciali o sperimentali. Ma passiamo al tema di questo post.
Costruttivamente lo SMES è un induttore con nucleo magnetico e avvolgimento superconduttivo: è quindi necessario disporre di un criostato, vale a dire di un contenitore che sia adatto a mantenere al suo interno temperature criogeniche, e di un cryocooler, vale a dire un sistema di refrigerazione che riesca a raggiungere tali temperature. Perché il sistema deve essere superconduttivo? Perché l’energia immagazzinata nello SMES dipende in maniera quadratica dalla corrente circolante: se questa corrente diminuisce progressivamente a causa della resistenza dell’avvolgimento, si perde energia. La presenza di un refrigeratore implica comunque un certo consumo di energia, ma il risparmio  che si trae dall’uso di un superconduttore è nettamente superiore, e quindi si accetta questo tipo di soluzione come una necessaria caratteristica tecnica: l’efficienza energetica dell’apparato raggiunge il 97-98%, che è il valore più alto tra i sistemi di accumulo di energia visti fino ad ora. Sfortunatamente, dal punto di vista dell’energia specifica (misurata in Wh/kg) e della potenza specifica (misurata in W/kg) così come definite nei precedenti post di questa serie, lo SMES è il fanalino di coda: nei riferimenti citati viene fatta questa asserzione ma non vengono dati i valori (!), nemmeno gli ordini di grandezza a scopo comparativo. Ma è comunque chiaro il perché sia così: la densità di energia immagazzinata dipende dall’intensità del vettore induzione magnetica B (misurato in weber/m²) presente all’interno del nucleo magnetico e per massimizzare questa quantità si devono usare materiali ferromagnetici, pesanti e voluminosi. E’ quindi anche chiaro che densità di energia e potenza dipendono dalla precisa realizzazione tecnologica di questi dispositivi, per cui dare dei valori tipici è commettere una imprecisione. E ora, noto tutto questo, acoltiamoci gli Steppenwolf:

Steppenwolf – Born to be Wild

Viste le premesse illustrate brevemente nel precedente post, inizio con l’elencarvi quali sono attualmente le possibili scelte in ambito di batterie ricaricabili per uso in sistemi per la produzione di energia elettrica. Partirò dalle tecnologie più tradizionali per arrivare a quelle di più recente introduzione: nel seguito si parlerà di energia specifica, misurata in Wh/kg, per quantificare l’energia che può essere immagazzinata dalla batteria in esame, potenza specifica, misurata in W/kg, per quantificare la potenza massima da essa erogabile, e efficienza energetica, per quantificare il rapporto tra l’energia erogata e l’energia assorbita durante il procedimento di carica

• Batterie al piombo: sono le batterie tradizionalmente impiegate nelle automobili. Grazie alla loro diffusione, sono molto economiche, praticamente completamente riciclabili ed hanno un livello di durata ed affidabilità molto alto, efficienza pari al 75-80%. Hanno però una bassa densità di energia e di potenza (rispettivamente 30-40 Wh/kg e 250 W/kg) e le prestazioni dipendono fortemente dalla temperatura di esercizio: queste caratteristiche ne rilegano l’uso in piccoli impianti di produzione isolati (un impianto tipico fornisce 500kW di potenza e 1MWh di energia).
• Batterie al nichel-cadmio:hanno un costo elevato dovuto essenzialmente al cadmio, che risulta essere molto tossico. Per questa ragione direttive europee ne sconsigliano fortemente l’uso: non è la tecnologia del futuro (almeno un questo ambito) per cui non è esaminata in dettaglio se non per notare che ha caratteristiche desiderabili quali resistenza ai sovraccarichi, alle condizioni operative avverse, energia e potenza specifica circa doppie rispetto alle batterie al piombo.
• Batterie al nichel-metallo idruro: nascono dalle batterie precedenti per sostituzione del cadmio con idruri metallici, vale a dire con metalli alcalini o metalli alcalino terrosi. Hanno efficienza energetica pari al 70%, densità di energia e potenza pari a 60-70Wh/kg e 350W/kg: sfortunatamente i materiali di costruzione, pur non essendo tossici, sono molto costosi. Inoltre queste batterie manifestano instabilità termica durante la carica, e quindi richiedono sistemi di controllo complessi.
• Batterie al nichel-zinco: hanno efficienza energetica di circa il 60% e densità di energia e potenza pari a 70Wh/kg e 300W/kg. Il costo dei materiali di costruzione è basso e hanno scarso impatto ambientale, ma rimangono dei problemi di durata e affidabilità dovuti all’instabilità dell’elettrodo di zinco.
• Batterie al litio: si tratta in realtà di una classe di batterie con caratteristiche simili. Sono caratterizzate da elevata efficienza energetica (tra l’88% e il 90%) e densità di energia e potenza pari a 120-180Wh/kg e 400W/kg. Nonostante presentino questi vantaggi dal punto di vista energetico, presentano una elevata non uniformità di caratteristiche elettriche (tensione nominale, carica accumulata, resistenza interna) che obbligano all’uso di sistemi elettronici complessi per il loro controllo e rendono problematica la costruzione di batterie di grosse dimensioni, dal punto di vista della durata e dll’affidabilità: in condizioni di estremo malfunzionamento possono incendiarsi (!!!! ).
• ZEBRA e batterie ad alta temperatura sodio-zolfo: sono batterie che richiedono elevate temperature di funzionamento interne (260°C per ZEBRA e 300°C per le batterie sodio-zolfo). L’efficienza energetica è elevata (85%) e parimenti lo sono la densita energetica e di potenza (120Wh/kg e 100W/kg). E’ necessaria la presenza di un apparato di gestione e controllo per la gestione termica e per la sicurezza d’uso.
• Batterie vanadio Redox e batterie zinco-bromo: sono batterie nate per uso come accumulatori energetici in centrali di generazione/distribuzione dell’energia elettrica. Sono costituite da due serbatoi contenente le soluzioni chimiche, e da una membrana che costituisce gli elettrodi del sistema. Hanno densità energetica e di potenza pari a circa 50Wh/kg e 60W/kg, e efficienza energetica che raggiunge l’85%: è una tecnologia in piena fase di sviluppo, che dal punto di vista del sistema ha diverse caratteristiche desiderabili, tra le quali la possibilità di carica meccanica, e una elevata sovraccabilità.

E per il momento ci fermiamo .