Energy Storage & Rinnovabili a profilo prevedibile I sistemi di accumulo a supporto delle FRNP

Transcript

1 Energy Storage & Rinnovabili a profilo prevedibile I sistemi di accumulo a supporto delle FRNP Antonio Zingales Sesto Pusteria 27 Giugno 2013 GIORNATA DI STUDIO ENERGIA PER IL FUTURO La filiera dell energia rinnovabile tra sole, idrogeno e smart grid

2 Le energie rinnovabili intermittenti non prevedibili (Wind + Solar) sono cresciute enormemente in Italia ed è cresciuto il rischio di instabilità perchè non c è una corrispettiva potenza di regolazione primaria. Wind power installed from 2001 to 2012 (MW) PV installed from 2007 to 2012 (MW) MW MW Wind 8,2 GW -13,2 TWh/y Solar 16,6 GW -18,8 TWh/y

3 IL RISCHIO INSTABILITÀ CRESCE TWh Nel 2012 per la prima volta le altre rinnovabili (49 TWh) hanno superato la produzione idroelettrica (42TWh). Sul totale di domanda di 325 TWh le rinnovabili rappresentano il 30%

4 Installed Capacity from Wind and Solar Power Plants Total FRNP 24,5 GW Al crescere delle FRNP ci sono situazioni critiche specie nelle giornate estive festive con GW di assorbimento e GW di FRNP. Penetrazione 50-70% Forecast 2016 (NDP) Wind Phovoltaic

5 IL RISCHIO INSTABILITÀ CRESCE Con 16.3GW di FV +8.2GW WIND connessi in alcune situazioni la rete odierna è già critica (rischio di perdita > 3000MW instabilità) Frequenza Nel maggio 2011, in Sicilia la perdita di un unità di produzione da 150 MW ha indotto la perdita di 80 MW di FV, rendendo necessario l uso degli alleggeritori di carico per evitare il black-out La situazione è resa ancor più critica dal distacco immediato del FV in occasione di disturbi sul sistema Elettrico Consumi Produzione

6 IL RISCHIO INSTABILITÀ CRESCE Il 16 Giugno 2013 abbiamo avuto per quasi 2 ore una produzione 100% da FRNP (circa 20 GW tutti da rinnovabili)!!!!!

7 IL RISCHIO INSTABILITÀ CRESCE Provvedimenti Tecnici dell Operatore di Rete TSO in Italia TERNA (Codice di Rete) Delibere dell Autorità per l Energia, in Italia AEEG (Incentivi, Penalità sulla tariffa)

8 PROVVEDIMENTI DI RETE TERNA A17-A68 I GRANDI IMPIANTI EOLICI E FV DEVONO CONTRIBUIRE AI SERVIZI DI RETE Regolazione di potenza attiva e reattiva Riduzione di potenza Insensibilità agli abbassamenti di tensione Regolazione della potenza in rete in funzione della frequenza insensibilità agli abbassamenti di tensione

9 SCAMBIO INFORMAZIONI SECONDO ALL17-68 SISTEMI DI TELEDISTACCO DELLA PRODUZIONE( 6.3.1) UPDM TELEINFORMAZIONI ( 6.3.1) : gestione azioni necessarie alla salvaguardia del Sistema Elettrico Nazionale SCADA REGOLAZIONE DELLA POTENZA REATTIVA( 7.2) REG-INV CONTROLLO PRODUZIONE ( 7.1) REGOLAZIONE POTENZA ATTIVA ( 7.3)

10 PROVVEDIMENTI AEEG DCO 35/12 Meccanismo CCP corrispettivo corretta programmazione: Remunerazione per sbilanciamenti inferiore al 15% del PMVc (estensione alle Non Rilevanti); Corr. Sbilanciamento: applicato alla UP rilevanti e Non con franchigia pari a 8% del PVMc con sbilanciamento depenalizzato. Sbilanciamenti di UP aggregate ripartiti per tecnologia Delibera 281/12 Corrispettivo di Sbilanciamento per le Unità di produzione alimentate da FRNP, con valorizzazione che segue meccanismi assimilabili a quello delle Unità Non Abilitate ed in ogni ora è dipendente da 2 fattori: Sbilanciamento UP Sbilanciamento Zona

11 Delibera 281/12 si pone l obiettivo prioritario di responsabilizzare gli utenti del dispacciamento di impianti alimentati da fonti rinnovabili non programmabili in relazione alla previsione e programmazione dell energia elettrica immessa in rete, ed inoltre ha la finalità di introdurre una più efficiente allocazione dei costi di riserva e bilanciamento del sistema elettrico causati dalla variabilità delle immissioni dei predetti impianti Il corrispettivo di sbilanciamento calcolato rispetto al PVMC (Programma Vincolante Modificato e Corretto) è: un costo, se lo sbilanciamento è concorde allo sbilanciamento della macro-zona un ricavo, se lo sbilanciamento è discorde allo sbilanciamento della macro-zona. Non e detto che ad una miglior previsione, alla quale corrisponde un minor impatto sul sistema, corrisponda un minor onere;

12 La fotografia dei recenti prezzi medi energia nelle 5 macro zone Italia, mostra : Una elevata differenza con i prezzi internazionali ( +30%) Una disomogeneità tra zone rispetto al PUN Prezzo Unico Nazionale L esistenza di sezioni con elevata frequenza di congestione.

13 La naturale soluzione tecnica per questa situazione di sbilanciamento sembrerebbe lo STORAGE come supporto alla penetrazione eccessiva delle rinnovabili ENERGY STORAGE come supporto di rete 13

14 Per questo c è grande interesse per i sistemi di accumulo elettrochimico, anche se analizzando COSTI / BENEFICI siamo ancora lontani dal break even. Questa tipologia (sopratutto la tecnologia al litio) ha secondo noi dei particolari pregi sia in termini di applicazioni di potenza che in termini di applicazioni di energia Applicazioni di ENERGIA Peak shaving Time shift Power balancing Rifasamento Regolazione V-f Applicazioni di POTENZA Black start Power quality (Voltage holes and Active Filtering)

15 Provvedimenti SMART STORAGE di supporto alle rinnovabili: 1) La raccolta delle folate di vento con sovraccarico elettrico (MPE Mancata Produzione Eolica) TSO [Energy] 2) Il supporto di rete alla distribuzione con generazione diffusa DSO [Power] 3) La partecipazione delle rinnovabili alla regolazione primaria per grosse FRNP (> 10 MW) AEEG FER [Power] 4) Lo storage che rende le rinnovabili a profilo prevedibile (riduzione sbilanciamento) AEEG FER [Energy]

16 1 LA RACCOLTA DELLE FOLATE DI VENTO

17 1 LA RACCOLTA DELLE FOLATE DI VENTO (per evitare la MPE che è una perdita secca di energia) La MancataProduzione Eolica ha toccato i 700 GWh nel 2009 e i 470 GWh nel 2010, con l installazione prevista da TERNA di 130 MW di batterie, localizzate nelle provincie di Foggia, Avellino, Salerno e Benevento, è prevista un incremento da fonti rinnovabili per circa 230 GWh/anno con riserva pronta aggiuntiva per circa 410 GWh/anno.

18 1 LA RACCOLTA DELLE FOLATE DI VENTO Il gestore, per garantire la sicurezza del sistema, in occasione delle folate di vento che portano il sovraccarico sulla linea, attraverso una comunicazione (UPDM) obbliga il produttore a non evacuare energia in rete garantendo comunque una remunerazione economica per la mancata produzione. Si tratta in effetti di un meccanismo che tutela il produttore ma non la produzione.

19 1 Quando la ventosità intensa interessa simultaneamente diversi campi eolici collegati sulla stessa linea 150 kv, è possibile il sovraccarico (soprattutto in linee progettate con funzione di distribuzione).

20 1 Allora l accumulo funge da collettore di energia e deve essere dimensionato sulla massima area di sovraccarico.

21 1 Unità di Storage localizzate nelle provincie di Foggia, Avellino, Salerno e Benevento Principali Funzioni MPE Congestioni di Rete 2 x 6 MW/40 Unità di MWh Campobasso - Benevento 2 - Volturara - Celle San Vito Storage 2 x 6 MW/40 MWh Benevento 2 - Bisaccia MW/40 10 MW-50 MWh + 4,8 MWh MW/32 MWh Benevento 2 - Bisaccia 380

22 1 LA RACCOLTA DELLE FOLATE DI VENTO In sostanza lo STORAGE finalizzato alla Mancata Produzione Eolica, risolve anche problemi di congestione ed ottimizza la risorsa vento perché con il time shifting si sostituiscono con una gestione SMART i MWh costosi (dei turbogas) nel carico di punta con l energia WIND.

23 1 LA RACCOLTA DELLE FOLATE DI VENTO E poi da tenere presente che la potenza eolica è intermittente e, quindi, anch essa può improvvisamente variare profondamente. La maggiore variazione si verifica in corrispondenza dell intensificazione del vento, quando la velocità delle raffiche arriva a superare il limite di cut out degli aerogeneratori. In questo caso, il sistema automatico di protezione mette in bandiera le pale riducendo rapidamente a zero la potenza erogata dalle macchine. Pertanto, l erogazione può passare bruscamente da Pmax a zero con una variazione d ampiezza: anche in questo caso una regolazione SMART può immettere rapidamente lo Storage in rete (inversione rapida). Distacco WTG

24 2 Il supporto di rete con accumulo POWER INTENSIVE 2 Esperimenti Pilota 8 MW Ottana e Caltanisetta 3 Esperimenti Pilota 2 MW Dirillo, Campi Salentina, Chiaravalle SAET in erection phase in this job

25 2 Il supporto di rete con accumulo POWER INTENSIVE Supporto di tensione Iniezione rapida di energia reattiva (data l impossibilità di ricavare potenza reattiva con trasmissione su lunghe distanze) Power Quality Per far fronte a fenomeni tipo buchi di tensione, sovratensioni, flicker, armoniche, con potenziali rilevanti impatti sui processi produttivi Regolazione primaria fornire metà banda entro 15 secondi e tutta entro 30 secondi, per almeno 15 minuti per sopperire alla capacità di regolazione del sistema elettrico in progressiva diminuzione;

26 Nr 3 40 ft containers SAET Energy Storage System CP Campi Salentina (LE) 20 kv transformer + switchgears 400 V batteries + PCS Taglia: 2 MVA 1MWh Tecnologia: Li-Ion Fornitura turn key in container BM S BM S BM S BM S BM S BM S BM S BM S Consegna : Agosto

27 SAET role 27

28 3 La partecipazione delle rinnovabili alla regolazione primaria per FRNP > 10 MW I gruppi di generazione che forniscono il servizio di regolazione primaria di frequenza devono: rendere disponibile una banda di regolazione primaria non inferiore a ± 3 % della potenza efficiente; erogare 50% della propria riserva di regolazione primaria entro un tempo massimo di 15 secondi e il 100% in 30 s dall evento ( f) continuare l erogazione della potenza di riserva almeno per i successivi 15 minuti.

29 3 FRNP CON REGOLAZIONE PRIMARIA Dall obbligo di regolazione primaria sono esclusi (art. 1B.5.6.1) gli impianti da FRNP. Priorità Dispacciamento Non obbligo riserva. Ma allora se ci fossero FRNP in grado di avere la riserva regolante Perché non remunerare alle FRNP il servizio?

30 3 Occorre che le FRNP partecipino alla Regolazione L impatto delle FRNP sulla sicurezza del sistema elettrico

31 3 Regolazione della potenza in rete in funzione della frequenza Riserva del 1,5 % per regolazione Pr. Normalmente per le FRNP si regola solamente l eventuale riduzione progressiva della produzione in caso di sovrafrequenza, mentre si potrebbe erogare il servizio di regolazione anche a salire (in asservimento ai sistemi di difesa)

32 3 Campo Fotovoltaico di Canaro 48 MW Con partecipazione regolazione primaria

33 3 Regolazione primaria & STORAGE Per garantire una riserva più elevata (e che quindi dovrebbe essere più remunerata) lo strumento più adatto è lo STORAGE, indicativamente dimensionato sul nuovo valore di potenza Pn ( %) con energia pari a circa 20%Pn x 0,25 h, per cui: tempi di risposta rapidi (dell ordine dei secondi), per cui i sistemi di accumulo elettrochimico risultano perfettamente adeguati consente la prestazione di RISERVA REGOLANTE per le FRNP sviluppa le Rinnovabili : infatti lo sviluppo di FER implicherebbe una riduzione del margine di regolazione primaria, ma con l introduzione di sistemi di accumulo si può aumentare tale margine elemento a favore dell integrazione delle RES

34 4 MW STORAGE CHE RENDE LE RINNOVABILI A PROFILO PREVEDIBILE Serie 1 Produzione Serie 2 Previsione h

35 4 La funzione è quella di accumulare energia nei periodi di elevata produzione (superiore alla previsione) per reimmetterla in rete nei periodi di bassa produzione (inferiore alla previsione) profilo più prevedibile e più regolare Il primo punto chiave è avere una buona previsione. Modalità e risultati sono abbastanza diversi e peculiari per le previsioni EOLICHE e FOTOVOLTAICHE

36 4 La Previsione della Generazione da impianti FOTOVOLTAICI I sistemi di previsione, utilizzano predittori basati sui dati dell'impianto (pannelli, posizione, esposizione) e di previsione meteorologica a breve termine, specificatamente sui parametri di irraggiamento, temperatura e umidità, e calcolano la produzione prevista nelle 24/48 ore. Il sistema inoltre opera con algoritmi di autoapprendimento (validazione)

37 4 La Previsione della Generazione da impianti fotovoltaici Fondamentale è considerare la possibile deriva costante di cui è difficile avere una percezione chiara senza gli indicatori di efficienza (monitoraggio costante per sapere se intervenire con la manutenzione degli apparati elettrici, delle connessioni e sulla pulizia dei pannelli) W Esempio di Correlazione tra Irraggiamento e Potenza ,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 h

38 4 La Previsione della Generazione da impianti fotovoltaici 600 W ,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 h Attualmente la previsione FOTOVOLTAICA con anticipo di 24 ore può avere un errore medio dell ordine del 10% del valore immesso.

39 4 PRODUZIONE SOLAR E significativo inoltre focalizzare la massima variazione improvvisa - alla quale far fronte con lo storage- che statisticamente per il fotovoltaico si prende cautelativamente intorno al 40% del picco (massima variazione repentina tra sole e nuvoloso)

40 4 PRODUZIONE SOLAR Usualmente si dice che la produzione fotovoltaica è sincrona alla domanda di energia, a ben guardare però il picco di produzione PV è solo inizialmente sovrapposto alla punta mattutina della richiesta. Purtroppo, però, il massimo di produzione PV risulta slittato di qualche ora rispetto al picco della domanda. Inoltre, la potenza PV porta uno scarso contributo all alimentazione del picco serale, che è quello più rilevante della giornata.

41 4 DIMENSIONAMENTO STORAGE PER CAMPO PV P(potenza max errore %) x tempo (dipendente dal ciclo di impiego) PV P x f(t ore di luce ) Massima energia di sbilanciamento in un ciclo

42 4 Per il dimensionamento del sistema di accumulo, in base al massimo errore % si può ritenere che l'accumulo debba avere taglia pari a circa il 15-20% ed una energia di sbilanciamento in un ciclo giornaliero tra le 3,5 e le 4,5 h. In realtà però non abbiamo nessuna ipotesi sulla ciclicità dell errore (l errore può essere dello stesso segno per molti giorni consecutivi). Stiamo analizzando in collaborazione con l Università di Padova delle analisi ex post sullo sbilanciamento che avremmo avuto per diversi valori di STORAGE con le previsione e la produzione dello scorso anno.

43 4 PRODUZIONE SOLAR + BATTERY W Previsione sovrastimata Serie 1 Produzione Serie 2 Previsione Previsione sottostimata h

44 4 1,5 MW -7,5 MWh per un campo PV da 5 MW

45 4 La Previsione della Generazione da impianti eolici Obiettivo: ottenere una Previsione a livello orario per singolo impianto (UP) con orizzonte temporale tipicamente tra le 48 e le 144 ore in avanti Per poter contare sulla previsione (previsione validata) occorre disporre di uno storico sia della generazione che delle variabili meteo di almeno 1 anno di durata possibilmente di tutte le variabili significative disponibili tra quelle misurate dall anemometro di riferimento del parco, (Velocità vento a varie altezze, Direzione vento a varie altezze, Pressione atmosferica, Temperatura, Umidità)

46 4 Ovviamente la previsione VENTO deve essere mediata dalla disponibilità dei singoli generatori con un fine tuning dei piani di manutenzione (per ridurre l impatto delle fermate da realizzare nei momenti meno ventosi) Attualmente la previsione eolica con anticipo di 24 ore può essere effettuata, con un errore medio dell ordine del 20% del valore immesso e con una con una fascia di probabilità (prev. Probabilistica) Andamento WIND

47 3 DIMENSIONAMENTO STORAGE PER CAMPO EOLICO P(potenza max errore %) x tempo (dipendente dal ciclo di impiego) Wind P x f(t ore ciclo pres. ) Ciclo da Meteo Andamento WIND

48 4 Il rischio è che la compensazione avvenga in tempi troppo lunghi I dati si riferiscono ad un impianto eolico della potenza complessiva di 4,25 MW, composto Da 5 torri di potenza nominale 850 kw/torre Elaborando l integrale Giornaliero degli scostameni immissione-previsione, è possibile verificare picchi di errore intorno a 70 MWh!!!!

49 34 MW -150 MWh per un campo Eolico da 51 MW

50 34 MW -150 MWh per un campo Eolico da 51 MW La potenza fornita in rete è costante e prevedibile con la variabilità del vento compensata dallo storage

51 WIND /SOLAR MEASURES (real time) BATTERY SCADA Lo studio dei risultati ex post nel dimensionamento STORAGE ci servono per la strategia di regolazione per ottenere questi vantaggi deve essere WIND/SOLAR Forecast SMART. POWER FREQUENCY REGULATION RTN Data Base Monitoring Regulating STORAGE.

52 E L UTENTE? ANCHE PER LUI UN RUOLO SMART Sfruttando le nuove tecnologie l utente non sarà più passivo consumatore di energia, ma interagirà con il mercato in tempo reale con l acquisto e la vendita di energia tramite apposite interfacce di tipo web divenendo quindi PRO-ACTIVE CONSUMER PROSUMER.

53 CONCLUSIONI La crescita esponenziale delle rinnovabili ha portato a problemi di rete Le regole tecniche (codice di rete) sono state sviluppate Le penalità per gli oneri di sbilanciamento sono in fase di studio ( e non è detto che ad una miglior previsione, alla quale corrisponde un minor impatto sul sistema, corrisponda un minor onere). Tecnicamente l accumulo elettrochimico appare come la soluzione di rete comporta vantaggi (sia Energy che Power intensive), ma gli alti costi portano a ritorni ancora troppo lunghi. I miglioramenti delle previsioni meteo, degli oneri di sbilanciamento (responsabilizznti), delle tecniche di regolazione (autoapprendimento), la riduzione dei costi delle batterie, portano ad ipotizzare una futura BATTERY PARITY

54 previsioni meteo, oneri di sbilanciamento, tecniche di regolazione, riduzione dei costi delle batterie. BATTERY PARITY ES & Rinnovabili a profilo prevedibile

55 Grazie per l attenzione 55

56 BIBILIOGRAFIA TERNA Piano di Sviluppo 2012 Electricity Storage- Making lagre scale adoption of Wind and Solar Energies a Reality CORNELIUS PIEPER HOLGER RUBEL BCG Boston Consulting Group March 2010 Integrating Energy Storage with The Smart Grid FRANCESCO SESSA ENEL Energy Storage Forum Europe 2012 Rome Energy Storage Systems Value and Innovation in the Management of HV Transmission Grid Francesco Del Pizzo TERNA Energy Storage Forum Europe 2012 Rome Storage Applications in the Italian Transmission Grid to facilitate RES integration ANGELO FERRANTE TERNA Energy Storage Forum Europe 2012 Rome Smart Grids, passaggio obbligato per l integrazione delle rinnovabili in rete MASSIMO GALLANTI - RSE Pavia novembre 2011 L accumulo per il fotovoltaico: facciamo un po di conti DOMENICO COIANTE Aspoitalia 1/novembre/2011 Applicazioni degli accumuli al sistema elettrico, progetti AEEG, valutazioni costi/benefici Michele Benini - RSE