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1 Roberto Bernacchi, Piero Murgia, ABB S.p.A., 11 Luglio 2011, Convegno ANIMP/ATI Sistemi di stoccaggio dell Energia Introduzione, prodotti e applicazioni June 29, 2011 Slide 1

2 Sistemi di stoccaggio dell Energia Argomenti di discussione 1. Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica 2. Tecnologie di stoccaggio 3. Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico 4. Soluzioni ABB per l Energy Storage 5. Referenze 6. Conclusioni June 29, 2011 Slide 2

3 Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica Sviluppo sostenibile ed integrazione delle rinnovabili Proiezione dell incremento di Energie rinnovabili al 2030 Forte crescita dell energia da fonti rinnovabili Nei paesi OECD la maggior crescita è rappresentata dall energia eolica Stima degli investimenti globali nelle rinnovabili: 200 Miliardi $ al 2030 Idroelettrico Eolico Biomasse Altro Sud America 120 GW 50 GW Medio Oriente & Africa 50 GW 300 GW Cina India Source IEA 2008 L energia idroelettrica rimarrà la fonte rinnovabile principale seguita dall energia eolica June 29, 2011 Slide 3

4 Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica Smart Grid Centro di controllo e supervisione Generazione da rinnovabili Sottostazioni Stoccaggio energia (dareteelettrica) Caricabatterie per auto elettriche Stoccaggio energia (residenziale) Solare (residenziale) Edifici smart Elettrificazione banchine porti June 29, 2011 Slide 4

5 Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica Modelli economici Il mercato libero dell energia consente nuove possibilità di investimento Cogliere i vantaggi derivanti dalle differenze nei costi dell energia Comprare energia a buon mercato immagazzinarla venderla a prezzi maggiori (sfruttare i picchi) Nel settore industriale/infrastrutturale è possibile inoltre Ridurre i picchi di carico per tagliare i costi (riduzione tariffe) Posticipare investimenti per il potenziamento della rete elettrica June 29, 2011 Slide 5

6 Sistemi di stoccaggio dell Energia Argomenti di discussione 1. Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica 2. Tecnologie di stoccaggio 3. Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico 4. Soluzioni ABB per l Energy Storage 5. Referenze 6. Conclusioni June 29, 2011 Slide 6

7 Tecnologie di stoccaggio dell energia Energia vs Potenza Le applicazioni di potenza richiedono la disponibilità di una potenza elevata per brevi periodi di tempo (da secondi a minuti). Le tecnologie più note sono pertanto: (Super)condensatori Volani (Flywheels) Batterie (principalmente al litio) SMES (superconducting magnetic energy storage) Le applicazioni energetiche richiedono la disponibilità di un energia elevata per lunghi periodi di tempo. Le tecnologie più note sono pertanto: Impianti di pompaggio Batterie (diverse tipologie), CAES (compressed air) o TAES (thermal) June 29, 2011 Slide 7

8 Tecnologie di stoccaggio dell energia Tempi di scarica Condensatori Volani Batterie Pompaggi Litio NaS NiCd Redox Piombo Frazioni di secondo Minuti Minuti Ore Ore Giorni Tempo di scarica Range dei Sistemi di accumulo energetico con elettronica di potenza: Condensatori: da 5 a 15 secondi ~500,000 cicli Volani: da 1 a 30 minuti nessun limite di cicli Batterie: NiCd da 30 a 120 minuti ~ % (DoD scarica) Li-Ion da 15 a 60 minuti 80% DoD Redox da 3 a 6 ore stimati 10,000 80% DoD NaS: da 6 a 8 ore ~ 80% DoD June 29, 2011 Slide 8

9 Sistemi di stoccaggio dell Energia Argomenti di discussione 1. Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica 2. Tecnologie di stoccaggio 3. Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico 4. Soluzioni ABB per l Energy Storage 5. Referenze 6. Conclusioni June Month 29, DD, 2011 YYYY Slide Slide 9 9

10 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () Generazione centralizzata Generazione distribuita 20 kv 20 kv 150 kv 220 kv Integrazione rinnovabili MW, 1-10 h Connessione singola Livellamento di carico (Load leveling) Per utilizzo ottimizzato del generatore 100 MW, 4h 150 kv Riserva energetica In caso di guasto sulla linea MW, h Linea aerea a 220 kv Load leveling Per posticipo upgrade rete 1-10 MW, 6 h Anello di rete a 20 kv Regolazione di frequenza 1-50 MW, h al carico Industria pesante Taglio dei picchi (Peak shaving) MW, 1 h June 29, 2011 Slide 10

11 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () 1 caso Generazione centralizzata Generazione distribuita 20 kv 20 kv 150 kv 220 kv Integrazione rinnovabili MW, 1-10 h Connessione singola Livellamento di carico (Load leveling) Per utilizzo ottimizzato del generatore 100 MW, 4h 150 kv Riserva energetica In caso di guasto sulla linea MW, h Linea aerea a 220 kv Load leveling Per posticipo upgrade rete 1-10 MW, 6 h Anello di rete a 20 kv Regolazione di frequenza 1-50 MW, h al carico Industria pesante Taglio dei picchi (Peak shaving) MW, 1 h June 29, 2011 Slide 11

12 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () - 1 Caso Ni-Cd (Golden Valley Electric Association, Alaska, USA) Linea di trasmissione 100 MW (esistente) Nuova Linea di transmission e 140 MW Fairbank s Specifiche: 40 MW per 7 min (4.7 MWh) 27 MW per 15 min (6.75 MWh) Efficienza AC/AC 75% Ciclo di vita batterie: 20 anni Applicazioni: Riserva energetica in caso di guasti sulla linea Riserva operativa (Spinning reserve) Compensazione potenza reattiva In servizio dal 2004 Healy Konverter June Month 29, DD, 2011 YYYY Slide Slide 12 12

13 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () 2 caso Generazione centralizzata Generazione distribuita 20 kv 20 kv 150 kv 220 kv Integrazione rinnovabili MW, 1-10 h Connessione singola Livellamento di carico (Load leveling) Per utilizzo ottimizzato del generatore 100 MW, 4h 150 kv Riserva energetica In caso di guasto sulla linea MW, h Linea aerea a 220 kv Load leveling Per posticipo upgrade rete 1-10 MW, 6 h Anello di rete a 20 kv Regolazione di frequenza 1-50 MW, h al carico Industria pesante Taglio dei picchi (Peak shaving) MW, 1 h June 29, 2011 Slide 13

14 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () - 2 Caso Peak shaving: profilo di carico (sottostazione ferroviaria) Massimo carico: MW Tempo [h] Soglia: 12 MW Potenza [MW] Potenza batterie: MW - 12 MW = 4.25 MW Energia batterie: 15.8 MWh Tempo di scarica: 3.7 hours Utilizzo medio delle batterie: 6.6 MWh/giorno (150 cicli/anno) June 29, 2011 Slide 14

15 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () - 2 Caso Dimensionamento batterie 40 Soglia di potenza (MW) La selezione delle batterie dipende dal tempo di scarica Ad una diminuzione della soglia limite di potenza, corrisponde un aumento della taglia delle batterie (in MWh) Energia Batterie [MWh] Potenza Batterie [MW] Potenza [MW] June 29, 2011 Slide Tempo [h]

16 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () - 2 Caso Selezione batterie 7 Sodio-Zolfo (NaS) Soglia di potenza [MW] 11 6 Tempo di scarica [h] Li-ion Piombo Potenza Batterie [MW] La selezione della tipologia di batteria da utilizzare dipende dal tempo di scarica e dalla potenza June 29, 2011 Slide 16

17 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () 3 caso Generazione centralizzata Generazione distribuita 20 kv 20 kv 150 kv 220 kv Integrazione rinnovabili MW, 1-10 h Connessione singola Livellamento di carico (Load leveling) Per utilizzo ottimizzato del generatore 100 MW, 4h 150 kv Riserva energetica In caso di guasto sulla linea MW, h Linea aerea a 220 kv Load leveling Per posticipo upgrade rete 1-10 MW, 6 h Anello di rete a 20 kv Regolazione di frequenza 1-50 MW, h al carico Industria pesante Taglio dei picchi (Peak shaving) MW, 1 h June 29, 2011 Slide 17

18 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () - 3 Caso Posticipo investimenti sulla rete di distribuzione Potenza attiva [MW] Limite termico Capacità [MWh] P [MW] Sviluppo futuro Portata attuale Tempo [h] Committente Gestore di rete Utility locale Gestore sottostazione primaria/secondaria (110/20kV) Funzionalità Fornitura di potenza attiva in periodi di massimo carico Ricarica durante periodi di carico minimo Vantaggi Posticipo investimenti su rete di distribuzione Compensazione potenza reattiva (VAR) Taglia tipica 1-10 MW di potenza attiva, 6 h Posticipo investimenti su rete di distribuzione June 29, 2011 Slide 18

19 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () 4 caso Generazione centralizzata Generazione distribuita 20 kv 20 kv 150 kv 220 kv Integrazione rinnovabili MW, 1-10 h Connessione singola Livellamento di carico (Load leveling) Per utilizzo ottimizzato del generatore 100 MW, 4h 150 kv Riserva energetica In caso di guasto sulla linea MW, h Linea aerea a 220 kv Load leveling Per posticipo upgrade rete 1-10 MW, 6 h Anello di rete a 20 kv Regolazione di frequenza 1-50 MW, h al carico Industria pesante Taglio dei picchi (Peak shaving) MW, 1 h June 29, 2011 Slide 19

20 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () - 4 Caso Regolazione di Frequenza f nom Perdita di generazione Supporto Recupero Stabilizzazione Tempo Primaria Secondaria Terziaria dopo 10 s for 15 min Riserva supplementare Riserva sostitutiva Caso ideale per batterie LI-Ion June 29, 2011 Slide 20 Riserva operativa (Spinning reserve) Vantaggi derivanti dal prezzo riconosciuto per la potenza disponibile in riserva operativa

21 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () 5 caso Generazione centralizzata Generazione distribuita 20 kv 20 kv 150 kv 220 kv Integrazione rinnovabili MW, 1-10 h Connessione singola Livellamento di carico (Load leveling) Per utilizzo ottimizzato del generatore 100 MW, 4h 150 kv Riserva energetica In caso di guasto sulla linea MW, h Linea aerea a 220 kv Load leveling Per posticipo upgrade rete 1-10 MW, 6 h Anello di rete a 20 kv Regolazione di frequenza 1-50 MW, h al carico Industria pesante Taglio dei picchi (Peak shaving) MW, 1 h June 29, 2011 Slide 21

22 Applicazioni dei sistemi di stoccaggio () - 5 Caso Integrazione rinnovabili Fattori economici 1. Vendita energia nelle ore di punta anzichè quando disponibile/prodotta (miglior prezzo in /kwh). 2. Diminuzione CO 2 per riduzione produzione da centrali a combustibile (certificati verdi-prezzo CO 2 in /kwh) 3. Riduzione della variabilità della potenza immessa min-max in MW (remunerazione in /MW-day). Prerequisiti Batteria da 1MW di potenza, 6MWh di energia. Paragone tra batterie al NaS, Litio e Redox per un tempo di scarica di 6 ore. Risultati Miglior combinazione individuata con batterie al NaS e 6 ore di scarica Payback = 9 anni Miglioramenti Riduzione costi B, maggiori introiti da tariffe per incentivi o costi dei combustibili fossili. June 29, 2011 Slide 22 kw Firmed Output Original Output Hour Prezzi stimati Capacity Firming Effect kw charging discharging Firmed Capacity Vendita energia: 100 Euro/MWh CO 2 : 20 Euro/MWh Programmabilità 300 Euro/MW-day Investimento Batterie Li-ion: 7 Meuro -> Payback 19 anni Batterie Redox: 4 MEuro -> Payback 11 anni Batterie Nas: 3.4 MEuro -> Payback 9 anni

23 Sistemi di stoccaggio dell Energia Argomenti di discussione 1. Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica 2. Tecnologie di stoccaggio 3. Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico 4. Soluzioni ABB per l Energy Storage 5. Referenze 6. Conclusioni June 29, 2011 Slide 23

24 Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell Energia 3 Piattaforme Tecnologiche Soluzioni chiavi in mano Rete AC Integrazione con la rete & servizi chiavi in mano Sistemi ad uso residenziale Ottimizzati per potenze ~25kW 200kW Sistemi industriali - Piattaforma No.1 V DC = <1kV (sistema in BT) Ottimizzata per potenze ~200kW 20MW Sistemi Industriali Piattaforma No.2 3kV < V DC < 40kV (sistema in MT) Ottimizzata per potenze ~10MW 100MW La selezione della piattaforma viene effettuata a seconda del tipo di applicazione June 29, 2011 Slide 24

25 Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell Energia - 1/2 PCS 100 Container (2-4 MVA, BT) Soluzioni standard in container per potenzefinoa 4MW Trasformatore installato in container per unità con Pmax<2.5MW e Vrete<22kV (in alternativa il trasformatore è installato all esterno) Test completo in fabbrica sul container assemblato prima della spedizione. Soluzione mobile Riduzione dei tempi di installazione & commissioning Costi di trasporto ridotti Container non-walk-in per la sicurezza degli addetti ai lavori June 29, 2011 Slide 25

26 Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell Energia 1/2 PCS 100 Container Layout tipico June 29, 2011 Slide 26

27 Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell Energia 1/2 Componenti Rete AC (tipicamente MT) PT EMS/SCADA CT ΔT Protezione/misure HMI Internet ABB PLC PC remoto BMS Produzione di energia rinnovabile June 29, 2011 Slide 27 Batterie

28 Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell Energia 1/2 PCS 100 Schema di principio June 29, 2011 Slide 28

29 Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell Energia - 2/2 DynaPeaQ / SVC Light con Batterie (MT) Layout tipico per sistema da 20 MW per 15 min +/-30 MVAr continui 50 m 65 m June 29, 2011 Slide 29

30 Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell Energia - 2/2 DynaPeaQ Caratteristiche principali Scalabilità generator line P load P inj Q inj Q load SVC Light load Energy storage Progetti modulari, in cui il numero di stringhe di batterie è variabile secondo l applicazione richiesta. E possibile installare successivamente stringhe di batterie aggiuntive. I convertitori sono dimensionati per consentire il controllo della potenza reattiva. Flessibilità I cicli di carica e scarica sono totalmente flessibili. Si possono impostare cicli di carica veloce (ad alta potenza) o lenti (ad alta energia) June 29, 2011 Slide 30

31 Sistemi di stoccaggio dell Energia Argomenti di discussione 1. Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica 2. Tecnologie di stoccaggio 3. Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico 4. Soluzioni ABB per l Energy Storage 5. Referenze 6. Conclusioni June 29, 2011 Slide 31

32 Referenze 1/6 Applicazione in parco eolico (progetto pilota) No. 1 x 400kW (PCS 100 ) composto da: Quadro inverter da esterno (rating NEMA 3R), con: PCS100, 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 June 29, 2011 Slide 32

33 Referenze 2/6 Applicazione per peak shaving (progetto pilota US) 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 ABB Il convertitore ABB PCS 100 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 June 29, 2011 Slide 33

34 Referenze 3/6 Applicazione per NYPA (progetto pilota US) 1MW / 6.5MWHr Richieste cliente Load Leveling / Peak Shaving Scopo di fornitura ABB Il sistema lavora in parallelo con la rete durante il giorno per alimentare 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) PCS 100 ha funzioni di backup in caso di black-out Tipologia batterie: NaS June 29, 2011 Slide 34

35 Referenze 4/6 Ni-Cd (Golden Valley Electric Association, Alaska, USA) Applicazione Riserva operativa (Spinning Reserve). Scopo di fornitura ABB ABB PCS deve fornire abbastanza energia in caso di guasti di rete per consentire la produzione con generatori locali Prestazioni 27 MW / 15 minutes 40 MW / 7 minutes Sistema deve operare con temperature esterne fino a -52 C Tipologia batterie: Ni-Cd June 29, 2011 Slide 35

36 Referenze 5/6 Parco solare Spagna (progetto pilota) Parco solare localizzato in Spagna Sistema da 1 MVA PCS100 per il gestore del parco solare. Connessione in BT a 400V, installazione indoor Tipologia batterie: Li-Ion (560kWh, in container) Scopo di fornitura ABB: Convertitore PCS 100 da 1 MVA, soluzione a rack Trasformatore di interfaccia Protezioni AC & DC. June 29, 2011 Slide 36

37 Referenze 6/6 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 June 29, 2011 Slide 37

38 Sistemi di stoccaggio dell Energia Argomenti di discussione 1. Introduzione Energie rinnovabili & rete elettrica 2. Tecnologie di stoccaggio 3. Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico 4. Soluzioni ABB per l Energy Storage 5. Referenze 6. Conclusioni June 29, 2011 Slide 38

39 Sistemi di stoccaggio dell Energia Conclusioni consumer produ cer La stabilità del bilancio energetico è uno dei problemi maggiori da considerare in presenza di produzione intermittente. I sistemi di stoccaggio contribuiscono a stabilizzare produzione e consumo di energia June 29, 2011 Slide 39

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