Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014 Patrizio Massoli “Low Carbon Technologies” @ DIITET – CNR C ONSIGLIO N AZIONALE DELLE R ICERCHE

Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014

Patrizio Massoli

“Low Carbon Technologies” @ DIITET – CNR

CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE

26 e 27 Maggio, 2014Convegno del Dipartimento di Ingegneria, ICT e Tecnologie per l’Energia e i Traporti

World petroleum and other liquids consumption by region in three cases, 2012 and 2040 (million barrels per day)

Trends in petroleum and other liquids markets are defined largely by the developing nations

Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

International energy Annual Energy Outlook 2014 with Projections to 2040 DOE/EIA-0383 (2014)

██ Paesi fondatori██ Altri Paesi membri

OECD member states map


World production of nonpetroleum liquids by type in the Reference case, 2012 and 2040 (million barrels per day)

World production of liquid fuels from biomass, coal, and natural gas increases

Fonte: DOE/EIA-0383 (2014)


U.S. energy demand

Primary energy use by fuel in the Reference case, 1980-2040 (quadrillion Btu)

Renewables and natural gas lead risein primary energy consumption

Electricity generation by fuel in the Reference case, 1990-2040 (trillion kilowatthours)By 2035, natural gas surpasses coal as the largest source of U.S. electricity generation

Fonte: DOE/EIA-0383 (2014)

EU Energy consumption


EU Energy, Transpost and GFH Emissions Trends to 2050 - REFERENCE SCENARIO 2013

FINAL ENERGY CONSUMPTION

EU - Power generation: Electricity Generation



Power generation: Electricity Generation



INDICATORS OF POWER GENERATION


Power generation: Electricity GenerationEU Energy, Transpost and GFH Emissions Trends to 2050 - REFERENCE SCENARIO 2013

Gli ambiziosi obiettivi di energia sicura, pulita ed efficiente di Horizon 2020:

• riduzione dei gas serra del 20%

• incremento delle energie rinnovabili al 20% della produzione totale di energia

• diminuzione del consumo di energia del 20% (grazie a migliore efficienza energetica)

@ DIITET : ricerca fondamentale ed applicata

Nel periodo di transizione verso una low‑carbon economy, sono prioritarie nel medio termine attività di ricerca su:

• processi avanzati di combustione ad alta efficienza e basso impatto ambientale;

• sviluppo di sistemi avanzati di cattura della CO2 (CCS)• impiego di biomasse e biocombustibili per l’energia ed il trasporto


L’energia rinnovabile solare, eolica, energia del mare, è invece alla base dello sviluppo di low‑carbon technologies che richiedono attività di ricerca più a lungo termine:

Solare fotovoltaico: riduzione costi processo di produzione aumento dell’efficienza delle celle fotovoltaiche

Energia solare: generazione ed accumulo di energia solar cooling accoppiamento a combustione di biomasse e biofuels

Celle a combustibile alimentate con idrogeno, gas naturale e biofuels

Eolico: eolico off-shore

Energia dal mare: energia dalle onde energia dalle correnti



Progetto EU - Research Fund for Coal and Steel RFCS 2010-2013 - RFCR-CT-2010-00013: MODELLING AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF CALCIUM LOOPING CO2-CAPTURE PROCESS FOR NEAR-ZERO CO2 EMISSION POWER PLANTS - CAL-MOD.:

Sviluppo della tecnologia di cattura e rilascio concentrato di CO2 derivante da processi di combustione, mediante processi di “calcium looping” in sistemi a letto fluidizzato interconnessi e con l’impiego di sorbenti calcarei. Le attività riguardano:

i) proprietà dei sorbenti;ii) condizioni operative reattoristiche;iii) capacità di cattura/rilascio di CO2;iv) propensione dei materiali sorbenti a subire fenomeni di attrition; v) rigenerabilità dei sorbenti

Il processo di calcium looping si compone di due reattori, uno di carbonatazione dove un sorbente a base di calcio cattura la CO2, ed uno di calcinazione dove il sorbente carbonatato è rigenerato ad una temperatura più alta.In questo modo è possibile sottrarre la CO2 dai fumi di combustione ed ottenere una corrente quasi pura di CO2


Progetto FP7-Transport BEAUTY (Bio-Ethanol engine for Advanced Urban Transport by Light Commercial & Heavy-DutY Captive Fleets): valutazione “well to wheel” dell’impatto ambientale derivante dall’uso di bioetanolo in autotrazione. Gli obiettivi principali sono: rispetto dei limiti Euro 6 e miglioramento dell’efficienza del 10%, mantenendo buone doti di funzionamento almeno fino a -15°C. L’attività ha riguardato uno studio su motori AC alimentati con miscele benzina/etanolo fino all’85% (E85) di alcol.


Biomasse/Co-gassificazione di carbone e biomassa

EU RFCS: FLEXGAS - NEAR ZERO EMISSION ADVANCED FLUIDISED BED GASIFICATION. EU RFCS : FECUNDUS (2010-2013)

Sviluppo di un processo di cogassificazione di carbone e biomassa in reattori a letto fluido per la produzione di un syngas da utilizzare per generazione di energia e integrazione di processi di co-gassificazione di carbone, biomasse e rifiuti con processi di separazione e cattura di CO2. Il processo è stato basato sull'impiego della tecnologia del letto fluido per la conversione chimica dei combustibili.


Progetto FP7 STAGE-STE: SCIENTIFIC AND TECHNOLOGICAL ALLIANCE FOR GUARANTEEING THE EUROPEAN EXCELLENCE IN CONCENTRATING SOLAR THERMAL ENERGY

Questo programma di ricerca integrato (IRP) impegna tutti i maggiori istituti di ricerca europei in una struttura di ricerca integrata per realizzare i seguenti obiettivi generali:

a) convertire il consorzio in una istituzione di riferimento per la ricerca sull’energia solare a concentrazione in Europa;

b) migliorare la cooperazione tra le istituzioni di ricerca dell'UE che partecipano al IRP;

c) sincronizzare i vari programmi di ricerca nazionali al fine di evitare duplicazioni e per ottenere risultati migliori e più veloci ;

d) accelerare il trasferimento di conoscenze all'industria, al fine di mantenere e rafforzare la leadership industriale europea nei sistemi CSP; e) promuovere attività congiunte tra i centri di ricerca.

Progetto EU FP7 - DURAMET – improved Durability and cost-effective Components for New Generation Solid Polymer Electrolyte Fuel Cells:sviluppo di materiali innovativi e a basso costo per fuel cells a metanolo diretto (DMFC) per la generazione portatile di energia ed in sistemi APU (auxiliary power unit)

Progetto EU FCH JU (FP7) – ONSITE operation of a novel sofc-battery integrated hybrid system for telecommunication energy systems: sviluppo di un sistema proof-of-concept basato su una tecnologia ibrida SOFC/ZEBRA rivolto a soddisfare i requisiti del mercato dei sistemi di telecomunicazione

Progetto EU FP7 - SOFC CCHP WITH POLY-FUEL: OPERATION AND MAINTENANCE – SOFCOM:realizzazione e gestione scientifica, tecnica ed economica di due stazioni di prova per sistemi di produzione di energia completi, basati su Solid Oxide Fuel Cells (SOFC).

Core-shell ordered Pt-Co catalysts for DMFCs


EU-FP7 MaRINET (Marine Renewables Infrastructure Network for emerging Energy

Technologies) sviluppo di dispositivi per produrre energia da onde, correnti marine e vento


• Tema 1: Renewable electricity and heating and cooling technologies• Ocean and Wind Energy • Biomasse/Co-gassificazione di carbone e biomassa • Biomasse/Sistemi solari a concentrazione (CSP) • Biofuels• Photovoltaics • Celle a combustibile • Solar cooling

• Tema 2: Providing the energy system with flexibility through enhanced energy storage technologies

• Energy Storage • Tema 3: Sustainable biofuels and alternative fuels for the European transport

fuel mix • Biocombustibili liquidi

• Tema 4: Enabling the decarbonisation of the use of fossil fuels during transition to a low-carbon economy

• CO2 Capture and Storage• Processi innovativi di combustione pulita • Micro-cogenerazione


Temi di ricerca svolti nel DIITET nell’ambito delle “LCT”

NEXT “ ENERGY “ Calls filter: energy;

Date: May 5, 2014


1) ENERGY EFFICIENCY RESEARCH & INNOVATION – Main Pillar: Societal Challenge–EE-11-2014: New ICT-based solutions for energy efficiency–EE-13-2014: Technology for district heating and cooling–EE-12-2014: Socioeconomic research on energy efficiency

2) ENERGY EFFICIENCY - MARKET UPTAKE PDA – Main Pillar: Societal Challenges–EE-20-2014: Project development assistance for innovative bankable and aggregated sustainable energy

investment schemes and projects

3) ENERGY EFFICIENCY - MARKET UPTAKE – Main Pillar: Societal Challenge–EE-04-2014: Construction skills–EE-05-2014: Increasing energy performance of existing buildings through process and organisation

innovations and creating a market for deep renovation–EE-08-2014: Public procurement of innovative sustainable energy solutions–EE-10-2014: Consumer engagement for sustainable energy–EE-14-2014: Removing market barriers to the uptake of efficient heating and cooling solutions–EE-15-2014: Ensuring effective implementation of EU product efficiency legislation–EE-16-2014: Organisational innovation to increase energy efficiency in industry–EE-19-2014: Improving the financeability and attractiveness of sustainable energy investments–EE-21-2014: Development and market roll-out of innovative energy services and financial schemes for

sustainable energy–EE-07-2014: Enhancing the capacity of public authorities to plan and implement sustainable energy policies

and measures–EE-09-2014: Empowering stakeholders to assist public authorities in the definition and implementation of

sustainable energy policies and measures


4) CALL FOR COMPETITIVE LOW-CARBON ENERGY – Main Pillar: Societal Challenge– LCE-02-2015: Developing the next generation technologies of renewable electricity and heating/cooling– LCE-11-2015: Developing next generation technologies for biofuels and sustainable alternative fuels – LCE-15-2015: Enabling decarbonisation of the fossil fuel-based power sector and energy intensive industry

through CCS – LCE-17-2015: Highly flexible and efficient fossil fuel power plants

5) CALL FOR COMPETITIVE LOW-CARBON ENERGY – Main Pillar: Societal Challenges– LCE-03-2014: Demonstration of renewable electricity and heating/cooling technologies – LCE-12-2014: Demonstrating advanced biofuel technologies – LCE-19-2014: Supporting coordination of national R&D activities– LCE-20-2014: The human factor in the energy system

7) ENERGY EFFICIENCY - PPP EEB AND SPIRE TOPICS – Main Pillar: Societal Challenge– EE-02-2015: Buildings design for new highly energy performing buildings – EE-18-2015: New technologies for utilization of heat recovery in large industrial systems, considering the whole

energy cycle from heat production to transformation, delivery and end use

6) CALL FOR ENERGY-EFFICIENT BUILDINGS – Main Pillar: Industrial Leadership – EeB-05-2015: Innovative design tools for refurbishing of buildings at district level – EeB-06-2015: Integrated solutions of thermal energy storage for building applications – EeB-08-2015: Integrated approach to retrofitting of residential buildings – EeB-07-2015: New tools and methodologies to reduce the gap between predicted and actual energy

performances at the level of buildings and blocks of buildings


Progetto UE COST: “EERABIO” Identification of R&D needs for sustainable development of bioenergy in Europe

Call oc-2014-1 (deadline: April 11, 2014 )

The scope of the project WP will comprise the following:- Review of the present state of the different more significant biomass/bioenergy value chains.- Identification of the present technical barriers for bioenergy sustainable development, particularly related to biomass production issues.- Definition of multi-feedstock value chains to assure continuous supply of raw materials and minimize logistic costs and storage time, to provide a sufficient bioenergy production scale, to compensate the lifecycle differences in feedstock maturation and harvesting periods and to protect biodiversity will be analysed.- Definition of a R&D agenda specific for each biomass/bioenergy type production and

conversion.

The Action will be focused on the assessment of different non food biomasses sustainable production and supply, including forest, agricultural (including energy crops), and algae biomasses, and the advanced technologies and the value chains of reference will be those seven of EIBI already mentioned, plus two additional ones, which are in line with some of the research priorities identified by the RHC-Platform, viz.:• Intelligent micro and small-scale biomass cogeneration of heat, power and cooling(CHPC)• Industrial and municipal combined heat, power and cooling (CHPC)


Progetto UE COST: “BIOHABIT” Biomass exploitation to hydrogen and butanol for sustainable fuels and green transportation

Call oc-2014-1 (deadline: April 11, 2014 )

Global energy demand, dwindling fossil fuel reserves, the need to restrain emissions (i.e. greenhouse gases, air pollutants) and geopolitical instability in oil supplier regions are the most important reasons for fuel production using low environmental impact technologies and greener methodologies, but with efficiencies comparable to those currently available. Networking has the potential to promote research and development with optimum use of infrastructure and personnel, mainly through synergies of different groups, each with specific expertise in different fields. Sustainable hydrogen and butanol production from biomass, and their use with high efficiency and minimum environmental impact, will be addressed in an integrated manner by benefiting from the network that will be created. The interconnection between the different involved centres will overcome the bottlenecks of current approaches to biomass exploitation, management and use, and it will build a strong bridge between research industry and policy.


LOW-CARBON ENERGY _ H2020-LCE-2015-1 (deadline 2014-09-03)Topic: Developing next generation technologies for biofuels and sustainable alternative fuels Advanced Biohydrogen Production for Sustainable and Efficient Energy Conversion _ BIO-PSICO

Within the context of ever increasing demand for energy and the need for reducing overall environmental impact, biohydrogen features several advantages compared to other biofuels, as well as specific challenges. Therefore, innovation is required for improving energy efficiency and reducing the environmental impact of biohydrogen, from production to its use and for optimizing related processes.The main objectives of the proposal are to:1) improve the processes of biohydrogen production from biomass,2) increase energy efficiency,3) minimize costs associated with biohydrogen production within the biorefinery concept4) reduce environmental impact of this alternative fuel through an integrated approach covering the entire supply-production-use chain.


Buoyant Energy - Balancing Wind Power and Other Renewables in Europe' OceansCall identifier: H2020-LCE-2014-3Topic: LCE-10-2014: Next generation technologies for energy storageLa mancanza di tecniche efficienti ed economiche di accumulo (storage) dell'energia prodotta viene considerata come una delle barriere che ostacolano lo sviluppo delle fonti di energia rinnovabile dal mare.Il progetto propone una soluzione di accumulo innovativa derivata da tecniche ampiamente consolidate nel campo della produzione di energia idroelettrica nei bacini montani. Le fonti energetiche considerate sono onde e vento. Il contributo CNR e' affidato all'INSEAN che propone attivita' di modellazione computazionale di sistemi di generazione dell'energia dalle onde ed attivita' sperimentale per caratterizzare il funzionamento dei sistemi in condizioni rappresentative di quelle operative reali.


Energia

H2

CH4

Energia alla rete

Fonte rinnovabile

Micro turbina a gas

Elettrolizzatore

O2

Calore recuperabile

Da stoccare e riutilizzare

Perdite

Pannelli solari

HRSG

Energia alla rete


Sviluppo di un contro-elettrodo a basso costo alternativo al Platino

Caratterizzazione chimico-fisica ed elettrochimica di

materiali per DSSC (TiO2,

liquidi ionici, coloranti, etc.)

Celle solari terza generazione: Produzione di energia elettrica da energia solare a basso costo

Foto-elettrolisi: Produzione di energia chimica (idrogeno e ossigeno) da energia solare

Sviluppo di celle di foto-

elettrolisi a base di TiO2

0,00E+00

1,00E-03

2,00E-03

3,00E-03

4,00E-03

5,00E-03

6,00E-03

7,00E-03

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Potenziale/V

Corr

ente

A/c

m2

Ketjen & Grafite AA

Pt

Acetylene & Grafite AA

Vulcan & Grafite AA

Grafite AA

G<0

G>0I/A

Er

G<0

G>0I/A

G<0

G>0I/A

Er

OCV

Ep,J pLuce

Buio

Riduzione del costo rispetto ai pannelli al silicio da 2 a 1 Euro/Wp


80-90°C

28-35°C

7-12°C/18-20°C

Cold from heat-adsorption cycle

SOLAR COOLING


Overall

dimensions:

3.5 m (W

) x 2.5

m (L) x

2.5 m

(H),

Estimated avg.

Cooling lo

ad:

2.5 kW.

SOLAR COOLINGTechnology of solar thermal collectors

Evacuated tubes

Number of evacuated tubes 90Lay-out 2 x parallel of 45

tubes in seriesTotal thermal collectors area [m2] 9.6Azimuth 0° (South)Tilt angle [°] 20Heat storage volume [m3] 0.5Silica gel/water Adsorption chiller Sortech ACS 8kwGas Boiler nominal Power [kW] 20AHP cooling Power [kW] 8Required Cooling Load [kW] ~ 2.5Cold delivering system Precast radiant panel

Overall radiant surface [m2] 28

Chilled water temp: 18/22 °C

Outstanding comfort level

Noiseless

0 m/s inside air speed

Automatic management

High accuracy sensors

Heating/cooling operational mode



Laboratorio Renewable Sources (RES):- Generatori eolici con macchina

asincrona;- Generatori eolici con macchina

sincrona;- Generatori PV;- Generatori dalle maree;- Celle a combustibile PEM;- Emulatori di turbine e campi PV.

Progetti Finanziati:- MIUR 211;- MEZZOGIORNO;- RITMARE;- TESEO.Attività di Ricerca:- Progettazione di sistemi di

generazione eolica, PV e dalle maree;

- Tecniche di forecasting dell’energia producibile da RES.

- Sistemi di Energy Management (EMS) di sistemi di generazione integrata;

- Tecniche di controllo di generatori eolici e PV con inseguimento della massima potenza (incluso partial shading) e minimizzazione delle perdite;

· Brevetto industriale RM2013A000272: Metodo e Relativo Sistema per la Conversione di Energia Meccanica, Proveniente da un Generatore Comandato da una Turbina, in Energia Elettrica; In fase di trasferimento tecnologico ad un consorzio di aziende in territorio Siciliano

Nuovi materiali magnetici per alta efficienza energetica

TRL:1-4

TRL:1-5

Ottimizzazione delle caratteristiche del materiale magnetico per specifiche applicazioniSviluppo di materiali alternativi con minore impatto strategico e ambientale

Composti ad elevata anisotropia per magneti permanenti

Effetto magnetocalorico

Calls H2020 correlate EE, LCE, MM.MP, MM.DE, MC.LI


Leghe Intermetalliche per Refrigerazione Magnetica alternativa alla refrigerazione con gas

Analogie fra il ciclo di refrigerazione tradizionale (compressione di gas) e quello basato sull’effetto magnetocalorico.



ANTONI VANNI IGI [email protected] RAFFAELA IM [email protected] ANNA IRC [email protected] JULIAN F. CESAR IMEM [email protected] ANGELO ITAE [email protected] PATRIZIO IM [email protected] MASSIMO IMEM [email protected] FORTUNATO IM [email protected] ROBERTO INSEAN [email protected] MARCELLO ISSIA [email protected] RAFFAELE IRC [email protected] FRANCESCO INSEAN [email protected] OSVALDA IRC [email protected] ESPEDITO IFP [email protected]

Il gruppo di lavoro “Low Carbon Technologies”

Documents

Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014 Patrizio Massoli “Low Carbon Technologies” @ DIITET – CNR C ONSIGLIO N AZIONALE DELLE R ICERCHE