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1 Brevi spunti a cura di Marco Pigni

2 * Tecnologie di Accumulo * Meccanico * Pompaggio idroelettrico * Accumulo ad Aria Compressa * Volani (Flywheels) * Elettromagnetico * Superconduttori (SMES) * Supercapacitori * Elettrochimico * Batterie di accumulatori * Celle a combustibile * Termico 2

3 * Accumuli elettrochimici Definizioni Capacità Nominale: è la quantità di carica elettrica nominale [Ah], che può essere erogata dal SdA a partire dalla carica completa arrivando fino a zero. L Energia Nominale [Wh] è analoga alla Capacità Nominale. Stato di carica (State of Charge, SoC): indica la quantità di energia immagazzinata nel SdA in un dato istante, in percentuale rispetto alla capacità nominale. SoC = 100% indica lo stato di carica nominale; SoC = 0% indica che il SdA è vuoto Profondità di scarica (Depth of Discharge, DoD): indica la percentuale di energia del SdA che si usa nei cicli di carica/scarica normali. Generalmente, si ha DoD = 80%. Vita utile: è il numero di cicli di carica/scarica, ad uno specifico DoD, che il SdA compie prima di un eccessivo degrado delle prestazioni (maggiore è il DoD, minore è la vita utile). Rendimento di carica/scarica: rapporto tra l energia erogata e l energia assorbita dal SdA durante un ciclo di carica/scarica completo. Ciclo di carica/scarica equivalente: misura dell energia erogata dal SdA in funzione della sua Energia Nominale (ad es. un SdA da 1 kwh in 2 cicli equivalenti eroga 2 kwh). 3

4 * Tecnologie di Accumulo Ioni di Litio Una batteria Li-ion è composta da un catodo (ossido litiato, ad es. LiCoO2), da un separatore e da un anodo (grafite), immersi in un elettrolita (sali di litio disciolti in solventi organici) che permette il trasporto degli ioni Litio. Durante il processo di carica/scarica, gli ioni di Litio migrano da un elettrodo all'altro reversibilmente. Vantaggi: struttura compatta (non sono richiesti sistemi ausiliari) limitati problemi legati alla sicurezza elevata efficienza (80-95%) vita attesa soddisfacente (5000 cicli) tecnologia abbastanza matura 4

5 * Tecnologie di Accumulo Sodio-Nichel Il catodo nelle batterie Sodio Nichel è costituito da cloruro di nichel (NiCl2) immerso in catolita liquido (NaAlCl4); l anodo è costituito da Sodio (Na), liquido alla temperatura di esercizio. Tra gli elettrodi è interposto un separatore ceramico ( -allumina), che consente agli ioni di sodio di migrare reversibilmente. (Temp. operativa tra 250 e 330 C). Principali fattori a favore dell applicabilità delle batterie Sodio - Nichel: alti rendimenti (85-90%) disponibilità in taglie molto flessibili da 4 kwh a decine di MWh elevata sicurezza e affidabilità 2NaCl + Ni Fase di scarica NiCl2 + 2Na fase di carica alta riciclabilità 5

6 * Tecnologie di Accumulo Piombo-Acido Una batteria al piombo ha un elettrodo negativo e uno positivo, con separatore costituiti da un anima di piombo metallico (griglia) rivestita da ossidi di piombo. L elettrolita è una soluzione acquosa di acido solforico con alta conducibilità ionica Le tecnologie più diffuse sono: ad acido libero, AGM e GEL. Principali caratteristiche: η = 70 85% basso costo d investimento; alta riciclabilità ma, in ambiente chiuso, richiede un impianto di aspirazione; ridotta vita utile (mediamente un migliaio di cicli a DoD 80%). Fonte: RSE 6

7 * Tecnologie di Accumulo (grandi potenze) Batterie a flusso Batterie Sodio-Zolfo (NaS) Nelle batterie a flusso gli elettroliti (stoccati esternamente in serbatoi) fluiscono attraverso una cella elettrochimica che converte l energia chimica in elettricità Principali caratteristiche: basso investimento iniziale; alti costi di gestione/manutenzione. Nelle batterie NaS i due elettrodi sono in uno stato fuso ( C) isolati tra loro da un separatore ceramico che permette il passaggio di ioni e funziona da elettrolita Le batterie NaS sono efficienti (85-90%) e hanno una elevata sovraccaricabilità. Batterie a flusso più comuni: Vanadio-Redox 7

8 * Accumuli elettrochimici Applicazioni in energia e in potenza Applicazioni in energia (Energy Intensive): per scambiare potenza per alcune ore Energy management Applicazioni in potenza (Power Intensive): per scambiare elevate potenze per secondi o minuti Continuità, qualità e frequenza Storage in energia Un utilizzo frequente implica l'uso quotidiano dello storage (o anche meno) Storage in potenza Durata della fase di scarica da frazioni di secondo fino a 15 min, Un utilizzo frequente implica migliaia di cicli di carica/scarica ogni anno 8

9 * Accumuli elettrochimici Energia e Potenza: panoramica In genere le tecnologie possono essere utilizzate per applicazioni sia in energia, sia in potenza Tecnologia Applicazioni in Potenza Applicazioni in Energia Volani OK NO Condensatori elettrochimici Piombo-Acido tradizionali Piombo-Acido avanzate OK OK OK NO OK OK Sodio-Zolfo OK OK Sodio-Nichel OK OK Ioni di Litio OK OK Vanadio-Redox NO OK Zinco-Bromo NO OK 9

10 * Accumuli elettrochimici Efficienza e cicli di vita L'efficienza e la vita utile del SdA incidono entrambe sul costo complessivo dello storage di energia * Una bassa efficienza riduce la quantità di energia che può essere effettivamente utilizzata a partire da quella immagazzinata * Una ridotta vita utile aumenta il costo dell'investimento, poiché il SdA deve essere sostituito più di frequente * Le batterie sono ancora tra i sistemi di accumulo con la minore vita utile Supercondensatori Volani Pompaggio idroelettrico 10

11 * Funzioni che possono essere svolte dai Sistemi di Accumulo 1. Time-shift di energia: aumento dell autoconsumo (carico contemporaneo alla produzione) arbitraggio sul mercato (grandi impianti) riduzione dei picchi (potenza impegnata) e livellamento dei profili di scambio 2. Programmabilità del profilo di prelievo/immissione 3. Servizi di rete: regolazione di frequenza inerzia sintetica regolazione di tensione (evitare scatto SPI per sovratensione) risoluzioni delle congestioni partecipazione ai piani di difesa (ad es. rialimentazione) 4. Power quality: continuità del servizio, qualità della tensione 11

12 * Rete di trasmissione: progetti pilota Energy Intensive di TERNA 35 MW di SdA «Energy Intensive» approvati nel Piano di Sviluppo di Terna (installazione prevista nel 2014; tecnologia NaS). I SdA saranno installati nel Sud Italia su due direttrici 150 kv: 6 progetti pilota ciascuno con SdA con potenza 5 6 MW e capacità MWh. Finalità Risoluzione delle congestioni sulla rete AT (riduzione della mancata Produzione Eolica) Incremento della capacità regolante del sistema (regolazione di frequenza) Regolazione di tensione Caratteristiche Tecniche Rapporto Energia/Potenza nominale 7 MWh/MW Efficienza ciclo di carica/scarica 75% Tempi di risposta molto rapidi Fonte: Terna 12

13 * Rete di trasmissione: progetti pilota Power Intensive di TERNA Criticità in Sicilia e Sardegna Inadeguatezza dei sistemi di controllo dei transitori di frequenza Inadeguatezza della riserva di regolazione di frequenza Ridotta inerzia del sistema causata dalla diffusione dei generatori statici Riduzione del carico soggetto a interrompibilità istantanea Difficoltà nella gestione della rete nelle condizioni di minimo carico dovuta all aumento della generazione da FRNP 40 MW di SdA Power Intensive (tecnologia: NaNiCl2, Litio, ecc.) approvati nel Piano di Difesa fase: 8 MW in Sardegna (già assegnati) e 8 MW in Sicilia (da assegnare). 2 fase: ulteriori 12 MW in Sicilia e 12 MW in Sardegna (tutti ancora da assegnare). Caratteristiche Tecniche Tempi di risposta ultra-rapidi Elevati rapporti potenza/energia Efficienza ciclo di carica/scarica 80% 13

14 * Progetti pilota sulle reti di distribuzione: ENEL Distribuzione, altri DSO A) ENEL Distribuzione Forlì (Forlì Cesena) 1 MW/1 MWh Enel Distribuzione ha avviato un piano di sviluppo che prevede l installazione di SdA lungo le linee di distribuzione MT e nelle stazioni di trasformazione AT/MT. Il progetto pilota Isernia, avviato nel 2012, include un SdA da 1 MW / 0,5 MWh (Ioni di Litio) connesso in servizio permanente alla rete MT. B) Altre sperimentazioni Carpinone (Isernia) 1 MW/0,5 MWh Dirillo (Ragusa) 2 MW/1 MWh Campi Salentina (Lecce) 2 MW/1 MWh 2013 Ulteriori 4 SdA (Ioni di Litio) in stazioni AT/MT. Prevista l installazione di SdA per circa 100 MWh (tecnologie da definirsi). Chiaravalle (Catanzaro) 2 MW/2 MWh dopo il 2014 Anche altri DSO hanno avviato progetti sperimentali (taglia fino ad alcune centinaia di kw) basati su varie tecnologie. Ad es. ACEA Distribuzione: 360 kw / 108 kwh di accumulo distribuito sulla rete MT. 14

15 Sistemi di Accumulo presso gli utenti MT e BT La situazione normativo-regolatoria attuale Settembre 2013: comunicato GSE Nelle more della definizione e della completa attuazione del quadro normativo e delle regole applicative del GSE per l utilizzo di SdA, ai fini della corretta erogazione degli incentivi, non è consentita alcuna variazione di configurazione impiantistica Dicembre 2013 CEI: Modalità di connessione dello storage a batteria alla rete di MT/BT: Varianti alle norme CEI 0-16 e CEI AEEGSI: Documento per la consultazione (DCO) 613/2013/R/eel «Prime disposizioni relative ai Sistemi di Accumulo Orientamenti» Si è ancora in attesa della delibera AEEGSI (dovrebbe essere emanata entro luglio 2014, si dice ) -> Interrogazione di Realacci e Braga del 12/06/

16 * Sistemi di Accumulo Analisi di convenienza (per il prosumer e per il Sistema) (e senza agevolazioni) Fonte: ALTHESYS

17 Fonte: ALTHESYS

18 * Vantaggi dell Accumulo per l utente finale Impianto residenziale FV + SdA 1. Aumento dell autoconsumo 2. Riduzione della potenza contrattuale impegnata con conseguente abbassamento dei costi fissi e variabili di energia 3. Ideale per un concetto di casa full electric (no gas metano), minima energia acquistata 4. Maggiore indipendenza dalla fornitura di energia dalla rete includendo anche la funzione di UPS 4. Permette la ricarica di mezzi elettrici/ibridi (auto, scooter, bici) a costi inferiori 18

19 * SdA presso l Utente residenziale Business case - Impianto residenziale FV + SdA Impianto FV di nuova installazione da 4 kw (no incentivi); SdA connesso sul lato CC con energia nominale pari a 6 kwh; Utente domestico con un consumo annuo di 5000 kwh, con connessione alla rete che passa: da D3 (4,5 kw) senza il SdA a D2 (3 kw) grazie al SdA Dati di impianto Inflazione + aumento energia 3,5% Tasso di attualizzazione 4,5% Consumo totale annuo Produzione da PV annua kwh kwh Fonte: slides Parmeggiani Del fanti TUTTONORMEL

20 * SdA presso l Utente residenziale Impianto residenziale FV + SdA 1. si evitano i picchi di prelievo, permettendo il passaggio dalla Tariffa D3 alla D2 minore componente in potenza della bolletta, minore costo specifico dell energia (da 0,26 a 0,15 /kwh) 2. aumenta l autoconsumo sincrono minore energia assorbita dalla rete (aumenta la quota parte di produzione FV valorizzata al prezzo di acquisto dell energia elettrica dalla rete: ad es. 0,26 /kwh contro 0,06 /kwh) Il contatore di produzione non è necessario se l impianto FV ha potenza < 20 kw e non è incentivato. Fonte: slides Parmeggiani Del fanti TUTTONORMEL

21 Dettaglio delle ipotesi di partenza SdA presso l Utente residenziale Impianto residenziale FV + SdA SENZA ACCUMULO CON ACCUMULO Autoconsumo 25% 75% Vendita 75% 25% Energia acquistata 3750 kwh 1250 kwh Costo di acquisto energia 0,26 /kwh 0,15 /kwh Prezzo di vendita energia 0,06 /kwh 0,06 /kwh Si passa dalla tariffa D3 (fino a kwh/anno) alla tariffa D2 fino a 1800 kwh/anno) Costi fissi e quota potenza 125,15 /anno 43,70 /anno Costo investimento FV Costo investimento SdA Fonte: slides Parmeggiani Del fanti TUTTONORMEL 2014 SdA da 6 kwh. Importo comprensivo di costi di manutenzione/sostituzione delle batterie per arrivare a una vita utile di 20 anni Non è considerato lo Scambio sul Posto, già sensibilmente ridotto per gli impianti con potenza maggiore di 20 kw e in probabile futura riduzione (o azzeramento) anche per gli impianti di potenza inferiore (vedere Del. AEEG 614/13/R/efr). 21

22 * SdA presso l Utente residenziale Alcuni conti preliminari In uno scenario di vita attesa di 20 anni ed in regime di detrazione fiscale del 50% in 10 anni, sono state confrontate le seguenti alternative: 1. alternativa non investire ovvero proseguire con il tradizionale acquisto di energia da rete 2. installare un impianto PV da 4 kw 3. installare un impianto PV da 4 kw + un SdA da 6 kwh utili Nelle ipotesi indicate (tasso annuo di inflazione e aumento dell energia pari al 3,5%): 2. installare un sistema PV da 4 kw comporta un risparmio netto per l utente di circa 6,2 k netti (VAN) in 20 anni (investimento iniziale di 6 k, ricavi cumulati di 12,2 k ). 3. installare un sistema PV (4 kw) accoppiato ad un SdA (6 kwh utili) comporta un risparmio netto di 6,2 k + 3,7 k = 9,9 k (VAN) in 20 anni (investimento iniziale 21 k, ricavi cumulati di 30,9 k ) Nota: Con altri diversi tassi annui di inflazione e aumento dell energia, si avrebbe invece: Tasso = 2% - PV: 5,4 k - PV + SdA: 7,3 k Tasso = 5% - PV: 7,2 k - PV + SdA: 13,2 k, Fonte: slides Parmeggiani Del fanti TUTTONORMEL

23 Vantaggi dell Accumulo per l Installatore/Sistemista: Impianto residenziale FV + SdA 1. Nuovo modello di business: non più vendita/installazione una tantum ma rapporto periodico con il parco clienti con maggiori opportunità commerciali. 2. Allargamento portafoglio soluzioni/prodotti, con specializzazione in impianti ad alto valore aggiunto per il cliente. 3. Possibilità di offrire sistemi complementari (domotica, HVAC, ecc.) per soluzioni tendenti alla «casa passiva» o in futuro «attiva» utilizzando solo l energia elettrica e/o termica autoprodotte. Vantaggi analoghi potrebbero essere conseguiti con SdA presso utenze commerciali e/o uffici 23

24 * Verso un nuovo dispacciamento (DCO 354/13): impiego di SdA per i servizi di rete L Autorità ha avviato una riforma generale delle regole di dispacciamento: ora serve anche l apporto delle FER (quindi della GD) per garantire il buon funzionamento del complessivo sistema elettrico Secondo il DCO 354/13 anche la GD (piccoli produttori, spesso da FV, oltre che eolico) potrà/dovrà contribuire ai servizi di rete: sono tutti quei servizi indispensabili perché la rete elettrica continui a funzionare in modo coordinato anche in presenza di molti impianti da FER. - Regolazione di frequenza; - Regolazione di tensione; - Riserva di capacità; - Ecc In passato e fino ad oggi sono erogati dalle sole centrali di grande potenza sulla rete TERNA Presto (e soprattutto in futuro) saranno richiesti anche ai medi e piccoli impianti (GD) anche da FRNP Alcuni servizi potrebbero essere erogati su base obbligatoria (non pagati), altri su base volontaria e remunerati (mercato dei servizi di dispacciamento). 24

25 Potenza [p.u] * Cosa potrebbe accadere in futuro con i servizi di rete? Un esempio: regolazione primaria di frequenza Tra i servizi di rete, prossimamente, potrebbe essere previsto l obbligo anche per i piccoli impianti (GD), di prestare riserva per la regolazione primaria di frequenza: l accumulo potrebbe divenire una scelta vantaggiosa. Se la GD dovesse fornire regolazione primaria di frequenza, l Utente Attivo dovrebbe riservare una banda di potenza utile a salire (e a scendere) per questa regolazione. Ipotesi: banda di regolazione ±1,5% della potenza efficiente dell impianto 1 0,8 0,6 0,4 0, Verde=producibile Rossa=prodotta Blu=limite reg. a scendere Fonte: slides Parmeggiani Del fanti TUTTONORMEL

26 * Fornire regolazione primaria di frequenza. Limitare la produzione o usare SdA? 1. Il SdA potrebbe essere impiegato per svolgere regolazione di frequenza «a salire», ovvero per aumentare la potenza prodotta dall impianto FV quando richiesto Si evita di mantenere una banda di potenza a salire (mancata produzione: ad es. 30 /anno per un impianto da 4 kw e banda regolazione ±1,5%) 2. La regolazione a scendere può continuare ad essere svolta riducendo la potenza prodotta dall impianto FV (poche richieste annue, impatto sulla produzione FV trascurabile) Dimensionamento del SdA più economico (ad es. ammortamento annuo: 10 ) 3. Tempi di ritorno dell investimento interessanti (ad es. 3 anni). 26

27 * Prospettive In prospettiva, i Sistemi di Accumulo consentiranno: 1. vantaggi economici per l utente grazie all aumento della quota di autoconsumo e alla riduzione della potenza contrattuale impegnata (abbassamento dei costi fissi e variabili di energia); 2. nuovi modelli di business per l installatore/sistemista (rapporto periodico con il cliente) e un ampliamento del portafoglio prodotti/servizi da offrire all utente, nell ottica di una casa sempre più «attiva». I prossimi sviluppi in materia di regole di connessione e dispacciamento: nuovi obblighi posti in capo ai piccoli produttori potrebbero rendere profittabile per l utente dotarsi nell immediato di SdA. 27

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