Sistemi di accumulo dell Energia

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1 Massimiliano Andreotti, ABB S.p.A., Pisa - 4 Luglio 2013, Green City Energy IV Edizione Power System Substations Sistemi di accumulo dell Energia July 4, 2013 Slide 1

2 Energie rinnovabili e rete elettrica Sviluppo sostenibile ed integrazione delle rinnovabili Numerosi i fattori che determinano la necessità di prevedere l inserimento di sistemi di energy storage: Sviluppo di sistemi di generazione distribuita. Tra questi in particolare la forte penetrazione, legata agli incentivi erogati per la riduzione delle emissioni di gas serra, di sistemi di generazione da fonte rinnovabile Necessità di identificare soluzioni che permettano un uso più efficiente dei sistemi di trasmissione e distribuzione esistenti, tenendo conto dei limiti di funzionamento e dei vincoli esistenti sulla realizzazione di nuovi sistemi Aumento dello sfruttamento delle risorse disponibili e maggiore controllabilità delle condizioni di esercizio, con capacità di rispondere e condizionare il funzionamento del sistema in tempi rapidissimi Sviluppo del concetto di una rete intelligente, ovvero una Smart Grid, in grado di far interagire in uno scenario continuamente variabile produttori e consumatori, di determinare in anticipo le richieste di consumo e di adattare con flessibilità la produzione e il consumo di energia elettrica anche localmente July 4, 2013 Slide 2

3 Dal convertitore al sistema completo Sistemi chiavi in mano inclusa ingegneria di sistema Dal Prodotto al Sistema Piattaforme di conversione per l accumulo energetico senza batterie July 4, 2013 Slide 3

4 Possibili aree di applicazione Power Station BESS Regolazione di frequenza (Frequency regulation) Per ottimizzazione della generazione Riserva energetica In caso di guasto sulla linea (Spinning Reserves) BESS July 4, 2013 Slide 4 20 kv 380 kv Ottimizzazione generazione da sorgenti rinnovabili (Capacity firming) Equilibratura delle correnti di carico e Regolazione Q rifasamento sistema Energie rinnovabili BESS BESS 33 kv150 kv 150 kv BESS 20 kv Ring Load Livellamento di carico (Load leveling) e Power Quality BESS Livellamento di carico (Load leveling) e Power Quality Per posticipo upgrade rete Per posticipo upgrade rete Industry BESS Taglio dei picchi di carico (Peak shaving)

5 Regolazione di frequenza (Frequency regulation) Compensazione degli sbilanciamenti nei flussi di potenza tra generazione e richiesta July 4, 2013 Slide 5

6 Regolazione di frequenza (Frequency regulation) Potenza in assorbimento f [Hz] Potenza fornita t [sec] Caico / Scarico Carico Scarico July 4, 2013 Slide 6

7 Livellamento di carico (Load leveling - postponement of grid upgrade) Ottimizzazione tra generazione e richiesta che permette di evitare o posticipare il potenziamento della rete July 4, 2013 Slide 7

8 Livellamento di carico (Load leveling - postponement of grid upgrade) Potenza fornita Carico [MW] 10 5 Generazione di base Potenza in assorbimento Potenza in assorbimento t [ore] Carico /Scarico Carico Scarico July 4, 2013 Slide 8

9 Taglio dei picchi di carico (Peak shaving) Spianamento dei picchi di carico per l ottimizzazione del profilo di carico e riduzione delle perdite nel sistema July 4, 2013 Slide 9

10 Taglio dei picchi di carico (Peak shaving) Consumo di energia previsto Potenza fornita Carico [MW] Potenza in assorbimento Potenza in assorbimento t [min] Carico / Scarico Carico Scarico July 4, 2013 Slide 10

11 Ottimizzazione della generazione da sorgenti rinnovabili (Capacity firming) Ottimizzazione del profilo di generazione da sorgenti rinnovabili (eolico e solare) Erogazione e scambio di potenza reattiva a supporto delle sorgenti rinnovabili Equilibratura delle correnti di carico e compensazione squilibri non sempre tollerati dalle sorgenti rinnovabili July 4, 2013 Slide 11

12 Ottimizzazione della generazione da sorgenti rinnovabili (Capacity firming) Carico [MW] Energia rinnovabile generata Potenza in assorbimento Potenza fornita t [min -> ore] Carico / Scarico Carico Scarico July 4, 2013 Slide 12

13 Correzione fattore di potenza e riduzione distorsioni tramite filtraggio armoniche (Power quality) Aumento del rendimento del sistema tramite rifasamento localizzato e filtraggio delle armoniche con conseguente miglioramento della forma d onda di tensione sul carico July 4, 2013 Slide 13

14 Correzione fattore di potenza e riduzione distorsioni tramite filtraggio armoniche (Power quality) Tensione [kv] Breve interruzione Potenza fornita t [ms -> sec] Carico / Scarico Scarico July 4, 2013 Slide 14

15 Riserva energetica (Spinning Reserve) Compensazione di buchi di tensione di breve durata (flickers) o mancate produzione per guasti in rete July 4, 2013 Slide 15

16 Riserva energetica (Spinning Reserve) Tensione [kv] Guasto nella fornitura Potenza fornita t [ms] Carico / Scarico Scarico July 4, 2013 Slide 16

17 Configurazione del sistema Rete / Controllo e ottimizzazione di impianti rinnovabili Protezione e controllo Controllo BESS BMS BMS BMS Grid connection ~ = Filtri Conversione AC/DC Sistema a batterie Rete in CA Soluzione chiavi in mano customizzata BESS

18 Range di potenza dei convertitori DC/AC da 25kW a 100MW DC AC Livello di potenza Convertitori Rete CA Integrazione nella rete Gamma BT Potenza ~25kW 400kW 1 or 3 phases Gamma BT - MT Potenza ~200kW 20MW Gamma MT - AT Potenza ~10MW 100MW July 4, 2013 Slide 18

19 Tipologia di accumulo Condensatori Volani Batterie Accumulo per pompaggio Li-Ion NaS NiCd flow battery LeadAcid Frazioni di secondo Minuto Da minuto/i ora/e Da ore a giorni Tempo di scarico July 4, 2013 Slide 19

20 Referenze July 4, 2013 Slide 20

21 Energy Storage System ENEL - Progetto Pilota Richiesta del cliente: Energy storage a batterie ad integrazione dello stoccaggio idroelettrico esistente, per bilanciare domanda e fornitura e consentire l integrazione senza soluzione di continuità dell energia rinnovabile Scopo di Fornitura: N.1 Container di Conversione contenente convertitori PCS100, trasformatore step up, quadro servizi ausiliari, UPS, Trasformatore servizi ausiliari, quadro MT, sistema di ventilazione e antincendio. N.2 Container di Batterie contenenti accumulatori agli Ioni di Litio organizzati in 13 rack, sistema di condizionamento, antincendio, UPS e altri servizi ausiliari. N.1 RTU per la chiusura del loop di controllo dei 3 container per l interfacciamento con la rete. July 4, 2013 Slide 21

22 Regolazione della potenza reattiva In parco eolico - Progetto pilota No. 1 x 400kW composto da: Quadro inverter da esterno (rating NEMA 3R), con: PCS100 ESS, 5-moduli Quadro di controllo ed ausiliari AC & DC breaker Quadro trasformatore da esterno (rating NEMA 3R): Trasformatore 480V / 10.5kV, 50Hz Interruttore MT Strumentazione MT (CT, PT ) Tipologia batterie: Li-Ion July 4, 2013 Slide 22

23 Peak shaving Progetto pilota negli USA Container per PCS e Batterie Sistema da 500 kw PQ (30 seconds) & 100 kw (720 kwh) Peak Shaving Richieste cliente Progetto pilota Peak Shaving Power Quality Scopo di fornitura Il convertitore è utilizzato per il monitoraggio/controllo della tensione di rete (funzionamento tipo UPS). Se avviene un calo di tensione il sistema isola il carico dalla rete e lavora in isola con batterie. Il sistema si ricollega non appena la tensione rientra nei valori minimi richiesti Tipologia batterie: NaS July 4, 2013 Slide 23

24 NYPA Progetto pilota USA 1MW / 6.5MWHr Richieste cliente Load Leveling / Peak Shaving Scopo di fornitura Il sistema lavora in parallelo con la rete durante il giorno per alimentazione grossi compressori e si ricarica di notte. La domanda di energia per i compressori viene spostata di notte, a costi minori. Minori costi per disponibilità di potenza di picco (vantaggio anche per il gestore di rete) Il convertitore ha funzioni di backup in caso di black-out Tipologia batterie: NaS July 4, 2013 Slide 24

25 Ni-Cd ESS Golden Valley Electric Association, Alaska, USA Applicazione Riserva operativa (Spinning Reserve). Scopo di fornitura Il PCS deve fornire energia in caso di guasti di rete per consentire la produzione con generatori locali Prestazioni 27 MW / 15 minutes 40 MW / 7 minutes Sistema che deve operare con temperature esterne fino a -52 C Tipologia batterie: Ni-Cd July 4, 2013 Slide 25

26 Equilibratura delle correnti di carico Parco solare Spagna (progetto pilota) Parco solare localizzato in Spagna Sistema da 1 MVA ESS per il gestore del parco solare. Connessione in BT a 400V, installazione indoor Tipologia batterie: Li-Ion (560kWh, in container) Scopo di fornitura : Convertitore DC/AC da 1 MVA, soluzione a rack Trasformatore di interfaccia Protezioni AC & DC. July 4, 2013 Slide 26

27 Livellamento profilo di carico Martham (progetto pilota in MT) Integrazione di una wind-farm nella rete di distribuzione, con accumulo dell energia generata e livellamento del profilo di carico sul feeder 1 x 1 MVA (DynaPeaQ), composto da: Convertitore da +/- 600 kvar Batterie da 200 kwh Esecuzione in container, comprendente: Reattore d accoppiamento Raffreddamento ad acqua Quadro di controllo ed ausiliari AC & DC breaker Tipologia batterie: Li-Ion July 4, 2013 Slide 27

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