Accumulo di flussi di energia chimica e meccanica F

I flussi di energia F come visto nel capitolo 1 rappresentano una categoria molto ampia di energie. In particolar modo le forme che più comunemente trovano applicazione nel campo dei sistemi energetici sono l’energia chimica associata ai combustibili e l’energia potenziale riferita ad un portata d’acqua posta ad una determinata altezza. Come detto in precedenza i flussi di energia F sono direttamente associabili ai relativi flussi di massa grazie all’energia specifica (in un caso rappresentata dal potere calorifero e nell’altro dall’energia potenziale specifica). L’accumulo di tali flussi di energia è quindi strettamente collegato all’accumulo

della relativa massa, ad esempio immagazzinare 1 m3 di carbone equivale allo stoccaggio

dell’energia chimica posseduta da quel m3. I combustibili, o l’acqua posta ad una certa

altezza sono a tutti gli effetti una forma di accumulo dell’energia. In particolare i com-bustibili sono una forma di accumulo di energia chimica e presentano un’energia specifica circa 100 volte maggiore di tutte le tecnologie di accumulo viste in precedenza. L’energia specifica dell’accumulo di un combustibile è legata al potere calorifico che presenta. Per

4.3 Review sui principali sistemi d’accumulo 121 ciò che riguarda i combustibili la tecnologia di stoccaggio è fortemente influenzata dallo stato di aggregazione dello stesso e dalle sue caratteristiche principali.

Nel seguito si analizzeranno le tecnologie che comunemente vengono utilizzate per lo stoccaggio dei principali combustibili da fonte fossile. I combustibili da fonti rinnovabili presentano caratteristiche analoghe.

Carbone: L’accumulo di carbone avviene solitamente presso le centrali termoelettriche o presso altri impianti industriali. Il carbone viene sminuzzato in pezzi del diametro di circa 50mm [55] e conservato in silos o in magazzini, o all’aria aperta (ad esempio parchi carbone).

Petrolio e combustibili liquidi: L’accumulo di petrolio, dei prodotti semiraffinati e dei prodotti finiti avviene in cisterne o serbatoi che possono presentare diverse capacità (anche

fino a 46000 m3 [55]). Questi serbatoi devono essere progettati per impedire le perdite

di combustibile verso l’esterno, le quali causerebbero forte inquinamento ambientale. A seconda del combustibile contenuto i serbatoi devono essere progettati secondo specifiche normative. In riferimento allo stoccaggio di grande dimensioni si possono distinguere:

• Serbatoi per prodotti a bassa tensione di vapore. Si impiegano per oli combustibili residui o distillati (fino al gasolio) e per bitumi. Sono serbatoi cilindrici verticali, in lamiera di acciaio saldata, con tetto conico fisso, che vengono raggruppati entro bacini di contenimento collettivi e hanno generalmente serpentini di riscalda- mento sul fondo e, per i prodotti più viscosi (per esempio, bitumi), hanno coibentazione completa su tutta la superficie esposta. Quelli a parete nuda sono dotati di dispositivi di irrorazione d’acqua, per il raffreddamento di emergenza.

• Serbatoi per prodotti a media tensione di vapore. Vengono impiegati per il greggio e per i distillati leggeri. Sono serbatoi cilindrici a tetto galleggiante che impedisce la formazione di cuscini di gas e di aria sopra il liquido. Fondo, tetto e mantello cilindrico sono in lamiere di acciaio calandrate e saldate. Il tetto galleggiante è da tempo il sistema più efficace, pratico ed economico per il contenimento delle perdite per evaporazione. I serbatoi per il greggio sono riscaldabili all’occorrenza mediante serpentino a vapore posto sul fondo. Ogni serbatoio è situato entro un bacino di contenimento delimitato da argini di terra o da muri in cemento armato. Il volume del bacino deve eguagliare quello del serbatoio: l’area del bacino è quindi molto estesa rispetto a quella del serbatoio e determina il caratteristico aspetto planimetrico dei parchi serbatoi. Gli accumuli di capacità minore sono solitamente rappresentate da cisterne in acciaio, molto spesso interrate, opportunamente dimensione per prevenire fuoriuscite di combustibile.

Gas Naturale: L’accumulo di gas naturale è strettamente collegato con le fluttuazioni stagionali dei consumi, (la richiesta di gas in inverno è circa tre volte quella estiva [62]). Lo stoccaggio del gas naturale avviene sostanzialmente in due modi: come gas compreso GNL (Gas Naturale Liquefato) in cisterne o in serbatoi sotterranei. Il primo metodo è basato sul fatto che il gas naturale liquido presenta una densità maggiore (o un volume specifico minore) di quello allo stato gassoso. L’utilizzo del GNL è anche connesso al possibilità di trasporto del gas naturale in assenza di metanodotti. Il processo di liquefazione prevede la liquefazione per pressurizzazione e successivamente il raffreddamento, fino a raggiungere la condizione di stoccaggio e immagazzinamento a pressione atmosferica e a temperatura prossima a quella di ebollizione del metano (-161,46 �). Il gas liquefatto ha una densità di

122 Sistemi di accumulo: interazioni con il Macro-Sistema e modellazione

415 kg/m3 a -162 �, il che comporta un coefficiente di riduzione del volume pari a circa

610 rispetto alle condizioni standard. Il GNL viene immagazzinato in serbatoi a doppio guscio a pressione atmosferica (fig. 4.5).

Figura 4.5: Schema di un serbatoio per lo stoccaggio del GNL

L’intercapedine tra i due gusci è utilizzata per realizzare l’isolamento termico; il ser-batoio interno, a contatto con il GNL, è realizzato in acciai speciali con il 9�di nichel per evitare i fenomeni di infragilimento dovuti alle basse temperature di esercizio.I serbatoi di stoccaggio sono generalmente di forma cilindrica e presentano un fondo piatto, che poggia su un materiale isolante rigido, come per esempio schiuma poliuretanica. Le pareti del serbatoio devono resistere al carico idrostatico esercitato dal GNL e pertanto devono avere uno spessore adeguato. Il tetto del serbatoio presenta uno strato di isolamento sospeso, sostenuto dal guscio esterno. I sistemi di connessione con le condotte passano tutti at-traverso il tetto del serbatoio, per evitare il sifonamento del contenuto in caso di guasto nell’impianto.

La tipologia del materiale del secondo guscio consente di distinguere i serbatoi in funzione del loro grado di sicurezza. Quando si tratta di un guscio realizzato in acciaio al carbonio, e quindi in materiale non idoneo all’impiego criogenico, si parla di serbatoio a contenimento semplice (single containment tank), in quanto il guscio esterno svolge le sole funzioni di isolamento e raccolta dei vapori. Quando invece si attribuiscono al guscio esterno delle funzioni di contenimento del GNL, esso deve essere realizzato in materiali idonei, general-mente in calcestruzzo; si parla qui di serbatoio a doppio contenimento (double containment tank) o a contenimento totale (full containment tank) e in quest’ultimo caso si può avere pressurizzazione del serbatoio esterno. Largamente utilizzati sono i serbatoi superficiali, anche se i serbatoi interrati presentano un minor impatto visivo ma un costo più elevato. Il secondo modo di stoccaggio del gas naturale è lo stoccaggio sotterraneo. Di questa ca-tegoria il sistema più diffuso è lo stoccaggio in giacimenti di gas esauriti. Sono comunque utilizzati anche sistemi di immagazzinamento in giacimenti di olio esauriti o acquiferi (cioè strutture geologiche contenenti acqua), ma anche in cavità ricavate in formazioni saline sotterranee o in miniere di carbone abbandonate.

Idrogeno: L’idrogeno pur presentando un valore di energia specifica molto alto 120 MJ/kg (il metano 50 la benzina 45) presenta un valore di densità molto basso, ciò fa si che

4.4 Interazioni dei sistemi d’accumulo con il sistema di conversione 123 il volume richiesto per accumulare un determinata quantità di energia sia molto maggior rispetto agli altri combustibili. Per l’accumulo di tale combustibile solitamente si cerca di concentrarlo aumentando l’energia contenuta nell’unità di volume. Per avere un’idea delle cifre che sono dietro al problema, si consideri che il consumo di un’auto di media cilindrata è di circa 30 kg di benzina per 400 km; nelle stesse condizioni servono 8 kg di

H₂. A pressione e temperatura ambiente 4 kg di H2 occupano un volume di 45 m3, cioè

un pallone di circa 5 m di diametro.

Se il gas venisse compresso alla pressione di 20 MPa, per conservare 4 kg di H2servirebbero

225 l, pari a cinque comuni bombole d’acciaio da 45 l (circa 260 kg). Questo metodo ha una densità volumica di energia comunque bassa (circa 13 MJ/l) rispetto a quella della benzina (circa 30 MJ/l).

L’accumulo dell’idrogeno è un processo molto delicato in relazione al ampio intervallo di infiammabilità che ha rispetto agli altri combustibili. Le forme di immagazzinamento più comuni per l’idrogeno sono come gas pressurizzato o come gas liquefatto.

Lo stoccaggio dell’idrogeno gassoso in pressione (10-20 MPa) avviene in bombole d’acciaio. L’aspetto più delicato riguarda l’infragilimento dell’acciaio; questo fenomeno è noto ed è particolarmente evidente negli acciai ad alta resistenza. Esso dipende dal fatto che la mole-cola si dissocia e l’idrogeno atomico diffonde nell’acciaio; ciò può avvenire nelle diverse fasi di vita dell’acciaio stesso (fabbricazione, saldatura) o durante il suo impiego (corrosione). L’infragilimento corrisponde a un calo della capacità di deformarsi plasticamente e porta alla frattura improvvisa.

La liquefazione dell’idrogeno prevede di portare il gas alla pressione ambiente alla tempe-ratura di -253�. Lo stoccaggio di idrogeno liquefatto devono avere requisiti di isolamento

termico molto severi. I contenitori di H2 liquido hanno raggiunto un alto grado di

svi-luppo e sono progettati in genere con una forma sferica, perché ha superficie minore a parità di volume. Questi serbatoi sono caratterizzati da una perdita del circa 1-2�al giorno dell’idrogeno contenuto a causa dell’evaporazione.