Sistemi di accumulo dell energia: tecnologie ed impieghi per fornire vantaggi al sistema ele3rico in trasformazione

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1 Sistemi di accumulo dell energia: tecnologie ed impieghi per fornire vantaggi al sistema ele3rico in trasformazione WEBINAIR FIRE - 20 gennaio 2015 Ing. Marco Pigni CEO PILA sas Como (Italy)

2 Cambio di paradigma 2

3 Verso la grid parity... Numero impian& FV a fine 2013 Il numero di impian& FV di piccola taglia (< 20 kw) è cresciuto in maniera esponenziale dal 2008, superando le unità La possibilità di installare sistemi di accumulo per aumentare il livello di autoconsumo perme>erebbe di far crescere ulteriormente il fotovoltaico domes&co anche dopo la fine delle tariffe incencvanc sull energia prodo>a, facilitando il raggiungimento della grid parity 3

4 ...ma non solo! 4

5 Le differen= dimensioni da considerare nell analisi dei sistemi di accumulo Esigenze per SdA Esigenze di sistema Esigenze di rete Esigenze del produ>ore e/o consumatore Tecnologie per SdA Varie Cpologie di accumuli di energia Prima alcune «definizioni», per capire meglio accumuli ele>rochimici Varie Cpologie di accumuli ele>rochimici CaraFeris&che funzionali del SdA Sistemi power intensive Sistemi energy intensive Alcuni casi di studio (analisi cos& /benefici) - cenni 5

6 Esigenze a cui fanno fronte i SdA Esigenze di sistema (globali) Regolazione di frequenza (riserva primaria, secondaria, terziaria) Incremento della domanda in ore con eccesso di produzione Esigenze di rete T&D (locali) Superamento di «colli di bowglia» locali dovuc alle FER Regolazione di tensione ConCnuità del servizio (livello minimo) Profilo di scambio tra rete di distribuzione e di trasporto Esigenze degli operatori (prod./cons.) Arbitraggio sui prezzi dell energia Riduzione dei propri sbilanciamenc Incremento dell autoconsumo ConCnuità/qualità del servizio 6

7 Tecnologie per i SdA Varie Cpologie di accumuli di energia. Prima alcune «definizioni», per capire meglio gli accumuli ele>rochimici. Varie Cpologie di accumuli ele>rochimici. 7

8 Tecnologie di Accumulo * Meccanico Pompaggio idroele>rico Accumulo ad Aria Compressa Volani (Flywheels) EleFromagne&co Supercondu>ori (SMES) Supercapacitori EleFrochimico Ba>erie di accumulatori Celle a combuscbile Termico PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it 8

9 Accumuli elecrochimici Definizioni Capacità Nominale: è la quanctà di carica ele>rica nominale [Ah], che può essere erogata dal SdA a parcre 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 quanctà di energia immagazzinata nel SdA in un dato istante, in percentuale rispe>o 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 u&le: 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 ucle). 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 equivalenc eroga 2 kwh). PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it 9

10 Tecnologie di Accumulo Ioni di Li=o Una ba>eria Li- ion è composta da un catodo (ossido licato, ad es. LiCoO2), da un separatore e da un anodo (grafite), immersi in un ele>rolita (sali di lico disciolc in solvenc organici) che perme>e il trasporto degli ioni LiCo. Durante il processo di carica/scarica, gli ioni di LiCo migrano da un ele>rodo all'altro reversibilmente. Vantaggi: stru>ura compa>a (non sono richiesc sistemi ausiliari) limitac problemi legac alla sicurezza elevata efficienza (80-95%) vita a>esa soddisfacente (5000 cicli) tecnologia abbastanza matura PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it 10

11 Tecnologie di Accumulo Sodio- Nichel Il catodo nelle ba>erie Sodio Nichel è cosctuito da cloruro di nichel (NiCl2) immerso in catolita liquido (NaAlCl4); l anodo è cosctuito da Sodio (Na), liquido alla temperatura di esercizio. Tra gli ele>rodi è interposto un separatore ceramico (β- allumina), che consente agli ioni di sodio di migrare reversibilmente. (Temp. operacva tra 250 e 330 C). Principali fa>ori a favore dell applicabilità delle ba>erie Sodio - Nichel: alc rendimenc (85-90%) disponibilità in taglie molto flessibili da 4 kwh a decine di MWh elevata sicurezza e affidabilità alta riciclabilità 2NaCl + Ni Fase di scarica NiCl2 + 2Na fase di carica PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it 11

12 Tecnologie di Accumulo Piombo- Acido Una ba>eria al piombo ha un ele>rodo negacvo e uno posicvo, con separatore cosctuic da un anima di piombo metallico (griglia) rivescta da ossidi di piombo. L ele>rolita è una soluzione acquosa di acido solforico con alta conducibilità ionica Le tecnologie più diffuse sono: ad acido libero, AGM e GEL. Principali cara>eriscche: basso costo d invescmento; alta riciclabilità ma, in ambiente chiuso, richiede un impianto di aspirazione; rido>a vita ucle (mediamente un migliaio di cicli a DoD 80%). η=70 85% PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it Fonte: RSE 12

13 Tecnologie di Accumulo (grandi potenze) BaCerie a flusso BaCerie Sodio- Zolfo (NaS) Nelle baferie a flusso gli ele>rolic (stoccac esternamente in serbatoi) fluiscono a>raverso una cella ele>rochimica che converte l energia chimica in ele>ricità Principali cara>eriscche: basso invescmento iniziale; alc cosc di gescone/manutenzione. Nelle baferie NaS i due ele>rodi sono in uno stato fuso ( C) isolac tra loro da un separatore ceramico che perme>e il passaggio di ioni e funziona da ele>rolita Le ba>erie NaS sono efficienc (85-90%) e hanno una elevata sovraccaricabilità. Ba>erie a flusso più comuni: Vanadio- Redox PILA sas - Via Borgo Vico Como 13

14 Accumuli elecrochimici Efficienza e cicli di vita L'efficienza e la vita ucle del SdA incidono entrambe sul costo complessivo dello storage di energia Una bassa efficienza riduce la quanctà di energia che può essere effewvamente uclizzata a parcre da quella immagazzinata * Una rido>a vita ucle aumenta il costo dell'invescmento, poiché il SdA deve essere sosctuito più di frequente Supercondensatori Volani Pompaggio idroele>rico * Le ba>erie sono ancora tra i sistemi di accumulo con la minore vita u&le PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it 14

15 CaraCeris=che funzionali dei SdA Applicazioni in energia Grande capacità per scambiare potenza per lunghi periodi (ore) Applicazioni in potenza Scambiare elevate potenze per brevi periodi (secondi minuc) 15

16 Accumuli elecrochimici Applicazioni in energia e in potenza Applicazioni in energia (Energy Intensive): per scambiare potenza per alcune ore à Energy management Applicazioni in potenza (Power Intensive): per scambiare elevate potenze per secondi o minu& à ConCnuità, qualità e frequenza Storage in energia Un uclizzo frequente implica l'uso quocdiano dello storage (o anche meno) Storage in potenza Durata della fase di scarica da frazioni di secondo fino a 15 min, Un uclizzo frequente implica migliaia di cicli di carica/scarica ogni anno PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it 16

17 Accumuli elecrochimici Energia e Potenza: panoramica In genere le tecnologie possono essere uclizzate per applicazioni sia in energia, sia in potenza Tecnologia Applicazioni in Potenza Applicazioni in Energia Volani OK NO Condensatori ele>rochimici Piombo- Acido tradizionali Piombo- Acido avanzate OK OK OK NO OK OK Sodio- Zolfo OK OK Sodio- Nichel OK OK Ioni di LiCo OK OK Vanadio- Redox NO OK Zinco- Bromo NO OK PILA sas - Via Borgo Vico Como pilasascomo@onepec.it 17

18 Esempi di valutazione cos= benefici* 1) Incremento degli autoconsumi di un impianto fotovoltaico 2) Incremento degli autoconsumi in si= industriali e terziario 3) Altri casi di applicazione di SdA acualmente allo studio * I casi qui presentae rappresentano un anteprima di un paper dedicato ai «Servizi di rete e sistemi di accumulo ele3rochimici» a cura di ANIE Energia/RSE, a3ualmente in fase di realizzazione e che verrà presentato al pubblico entro il primo trimestre del

19 Caso di studio incremento autoconsumi FV (1) Si è preso a riferimento un impianto FV residenziale da 3 kwp, ipoczzando che non valga lo scambio sul posto, il quale renderebbe inucle l installazione di un SdA Disponendo delle curve di prelievo orarie di un campione di circa 400 clien& domes&ci, si è valutata per ciascuno di essi la quota di autoconsumo o>enibile senza SdA 19

20 Caso di studio incremento autoconsumi FV (1) Si sono quindi valutate le quote di autoconsumo o>enibili accoppiando l impianto FV con SdA di 3 kw di potenza e di diverse capacità 20

21 Caso di studio incremento autoconsumi FV (3) Si è quindi ipoczzato: che la produzione fotovoltaica non abbia dirifo ad incen&vi dire^, dopo la chiusura del Quinto Conto Energia che la produzione fotovoltaica non autoconsumata sia venduta al prezzo minimo garancto, in modalità «ri&ro dedicato» che l energia prelevata dalla rete sia valorizzata alle tariffe di maggior tutela del secondo trimestre 2014 che il costo a>uale del SdA da 3 kw sia pari a 1000 (costo potenza/inverter) /kwh (costo capacità) che la vita ucle del SdA sia di 10 anni Si è quindi calcolato, per ciascuno dei 400 clienc considerac e per diverse capacità del SdA, il bilancio tra costo del SdA e risparmio lungo la vita ucle dovuto al maggiore autoconsumo 21

22 Risultato incremento autoconsumi FV (1) Si è infine determinata la % di clien& che avrebbero convenienza a dotarsi di SdA in funzione della % di riduzione di costo del SdA 22

23 Incremento autoconsumi in contesto terziario e industriale (2) Caso industriale Disponibilità di coperture (es. tew dei capannoni) per l installazione di FV In alcune ore eccesso di produzione immessa in rete Caso terziario Disponibilità di coperture di vario Cpo per l installazione di FV Energia in eccesso immessa in rete (es., in situazioni di awvità rido>a) Primi risultac dell analisi: ai cosc odierni dei SdA si può avere un ritorno economico solo se la percentuale di energia autoconsumata prima dell intervento è inferiore al 35% dell energia autoprodo>a. 23

24 Altri casi di applicazione di SdA acualmente allo studio (3) Sistema di accumulo completamente asservito alla fornitura del servizio di riserva primaria Sistema di accumulo asservito ad una unità baseload (impianto a carbone), per la fornitura della banda di riserva primaria L accumulo consente di sfru>are anche la potenza riservata alla banda di regolazione primaria (1,5% Pn) Aumenta l energia venduta Sistema di accumulo abbinato ad un impianto di produzione a FRNP per la fornitura di regolazione della frequenza a scendere Nell ipotesi che agli impianc FRNP sia richiesto il servizio di regolazione della frequenza a scendere Recupero energia rinnovabile che altrimenc andrebbe persa 24

25 Altri casi di applicazione di SdA acualmente allo studio (3) Sistema di accumulo «stand alone» gescto da un operatore indipendente per la fornitura del servizio di bilanciamento. Sfru>are le opportunità offerte dai prezzi sul mercato del bilanciamento (nuove regole di accesso) Sistemi di accumulo per incrementare lo sfrufamento delle FRNP nelle isole minori (in parccolare, studio in corso sull incremento della generazione rinnovabile sull isola di Pantelleria). 25

26 Warning Per massimizzare i benefici a parità di costo, sarebbe opportuno dedicare lo stesso SdA allo svolgimento di più servizi Non è però de>o che ciò sia sempre possibile, poiché: in un certo istante, un servizio può richiedere l assorbimento di energia ed un altro l erogazione di energia in un certo istante, diversi servizi possono richiedere diversi livelli dello stato di carica del sistema di accumulo Nella valutazione cosc/benefici dei sistemi di accumulo occorre quindi cautela nel sommare i benefici a>esi dallo svolgimento di servizi diversi, in funzione dell effewvo grado di sovrapponibilità degli stessi 26

27 Ing. Marco Pigni CEO Pila Sas Como (Italy) Skype: m.pigni