I sistemi elettrici per l energia: origini storiche, stato attuale, prospettive future.

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1 I sistemi elettrici per l energia: origini storiche, stato attuale, prospettive future. Cristian Bovo, Davide Falabretti Politecnico di Milano Dipartimento di Energia cristian.bovo@polimi.it davide.falabretti@polimi.it

2 Outline 2 Il sistema elettrico: un infrastruttura particolare Reti Elettriche e Generazione Diffusa Smart Grid Il nuovo ruolo del DSO

3 Introduzione all energia elettrica Una storia Illuminata

4 La rivoluzione sociale 4????

5 Efficienza della rete & qualità dell energia 5

6 Il sistema elettrico: una combinazione unica di attributi tecnici ed economici 6 L energia elettrica non è immagazzinabile: il consumo deve essere soddisfatto istantaneamente tramite una produzione opportunamente localizzata per tenere conto dei limiti di transito della rete di trasmissione. Ogni singola azione può ripercuotersi su tutte le altre attività di rete. Il guasto di un elemento può causare, a cascata, il collasso dell intero sistema. Il coordinamento fra gli utenti della rete è indispensabile (assicurato da TERNA + DSO) Le caratteristiche fisiche del sistema elettrico impongono contromisure assunte pressoché istantaneamente. L imperativo che domina la gestione del sistema elettrico è di essere pronti a fronteggiare ogni imprevisto necessario che vi sia sempre un ammontare di capacità di produzione e di trasmissione ridondante.

7 Affidabilità del sistema elettrico interdipendenza sicurezza/adeguatezza 7 28 settembre novembre 2006 Adeguatezza Normale funzionamento del sistema Sicurezza 26 giugno 2003

8 Blackout del 28/9/2003: dopo una apertura di linea separazione del sistema italiano : :25 Airolo-Mettlen (740 MW) e altre linee ad Airolo. 3.25:33 Soverzene-Lienz RondissoneIl Ticino è disconnesso dalla rete svizzera (309 MW). Albertville ( MW): separazione 3.25:34 Redipuglia-Divaccia (646 MW): dalla Francia connessione asincrona con la Slovenia 3.25:28 Avise-Riddes (281 MW) e RiddesValpelline (299 MW) 3.25:32 Albertville-La Coche (F): instabilità di tensione, crollo della frequenza 3.25:33 Le Broc CarrosCamporosso (248 MW) 3.26:30 scatto di un collegamento a 132 kv: completa separazione

9 Blackout del 28/9/2003: Transitorio di frequenza fino allo spegnimento 9 f [Hz] 50,5 50,0 49,5 49,0 48,5 48,0 47,5 47,0 46,5 Monfalcone=-327MW Entracque+S.Massenza+S. Fiorano+Presenzano=2159 Edolo=538 Montalto+Trino+Livorno=-677MW Bargi+Roncovalgrande+Anapo=1157 P.Tolle=-496 MW La Spezia=-622 MW TVDN=-502 MW P.Tolle=-400 MW Trino=-105 MW Trino=-105 MW ISAB=-180 MW 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 df/dt [Hz/s] 46,0-0,5 03:25:30 03:25:40 03:25:50 03:26:00 03:26:10 03:26:20 03:26:30 03:26:40 03:26:50 03:27:00 03:27:10 03:27:20 03:27:30 03:27:40 03:27:50 03:28:00 Time Collasso del sistema per corretto intervento delle protezioni dei generatori

10 Blackout del 4/11/2006: dopo un apertura di linea in centro Europa, problemi con le FER Il 4 novembre 2006, l apertura di una linea in centro Europa ha determinato una serie di fenomeni a catena, con conseguente separazione della rete UCTE in 3 distinte aree, tra loro asincrone Area 3 Area 2 Area 1 In Europa Occidentale, la perturbazione ha causato il distacco di circa 10,9 GW di generazione.

11 Outline 11 Il sistema elettrico: un infrastruttura particolare Reti Elettriche e Generazione Diffusa Smart Grid Il nuovo ruolo del DSO

12 FER e GD in Italia: un caso significativo nel contesto europeo 12 Gli impianti FER in Italia al 2013 hanno una potenza complessiva di oltre 50 GW a cui corrispondono circa 112 TWh prodotti. [GWh] Molti di questi impianti sono sulle reti di distribuzione MT/ BT Contesti rurali/alpini PAN 2020 SEN 5084,7; 31% 947,2; 6% Idraulica Eolica Solare Geotermica Bioenergie Il 92% degli eolici è connesso alle reti AT 150/132 kv Per il FV, circa 900 MW sulla AT e MW sulle reti MT e BT (dati 2012) AT MT BT 10388; 63%

13 L impatto della Generazione Diffusa sulle reti Hosting Capacity = Capacità della rete di accogliere GD 13 Un crescente sfruttamento della generazione da rinnovabili è essenziale nell ottica di un evoluzione dei sistemi elettrici verso un nuovo paradigma, rispettoso dell ambiente e indipendente dalle fonti fossili. Tuttavia, la Generazione Diffusa (GD) può avere una serie di effetti negativi sull esercizio delle reti: sovratensioni nel punto di connessione della GD e lungo-linea; infrazione dei limiti di transito dei conduttori/trasformatori; variazioni rapide di tensione a seguito di distacchi repentini della GD; incremento delle correnti di cortocircuito; aumento delle probabilità di isola indesiderata;.

14 Un esempio di problematica dovuta alla GD Protezione di interfaccia con logica passiva 14 In caso di equilibrio tra generazione e carico: Area di non intervento

15 Un esempio di problematica dovuta alla GD Protezione di interfaccia con logica passiva 15 Se la perturbazione in tensione/frequenza si mantiene all interno dei range consentiti, la protezione di interfaccia non interviene. Problema nel caso di apertura intenzionale della protezione di linea da parte del DSO su feeder attivi. In caso di perturbazioni AT, si può avere il superamento dei limiti prestabili Distacco accidentale della GD Black-out!

16 Protezione di interfaccia Contributo ai recenti black out nazionali 16 Evento scatenante: disservizio sulla AT Effetto sulla rete: perturbazione di V e F su «tutta la rete» Effetto Domino: le protezioni di interfaccia della GD (ad oggi oltre MW in Italia) sentono la perturbazione e disconnettono i relativi generatori Conseguenza: Black out NAZIONALE Esempi: Black out ITALIANO 2003 Black out EUROPEO 2006

17 OUTLINE 17 Il sistema elettrico: un infrastruttura particolare Reti Elettriche e Generazione Diffusa La regolazione spinge alle Smart Grid Il nuovo ruolo del DSO

18 Il nuovo contesto regolatorio 18

19 Il nuovo contesto regolatorio 19

20 Il nuovo contesto normativo Norma CEI 0 16e normacei

21 Il nuovo contesto normativo Norma CEI 0 16e normacei In Italia la normativa ha già fatto un grosso «passo in avanti», sia rispetto alla rete MT che rispetto alla rete BT.

22 Smart Grid: un futuro lontano o una necessità a breve? 22 Data ICT 22 New protections Negligible impact DG penetration [%] Source: SIEMENS

23 OUTLINE 23 Il sistema elettrico: un infrastruttura particolare Reti Elettriche e Generazione Diffusa Smart Grid Il nuovo ruolo del DSO

24 Progetti pilota: Smart Grid, mobilità elettrica, sistemi di accumulo 24

25 Progetti pilota Smart Grid 25

26 Funzioni innovative dei progetti pilota Smart Grid 26 L obiettivo dei progetti Smart Grid è sperimentare funzionalità innovative sulle reti di distribuzione: incremento dell affidabilità del SPI della GD mediante telescatto con logica fail safe; gestione dei guasti con selettività logica con gli apparati di protezione lungo linea; regolazione della tensione con logica centralizzata; limitazione/modulazione in emergenza della potenza attiva; monitoraggio/controllo delle iniezioni da GD da parte del DSO/TSO, anche attraverso l impiego di algoritmi di previsione; utilizzo di sistemi di accumulo per fornire servizi ancillari alla rete; sperimentazione di strategie di demand response con gli utenti finali.

27 Ultimi provvedimenti 27

28 I possibili modelli di dispacciamento per l approvvigionamento delle risorse 28 Dispacciamento Centralizzato Esteso (Modello 1) è effettuato a livello centrale nella responsabilità del TSO e l utente (UP convenzionale e FRNP) è responsabile della presentazione di offerte sul MSD (direttamente, come singola UP, o tramite un eventuale trader). Dispacciamento Locale del DSO (Modello 2) è effettuato a livello locale dal DSO che è responsabile nei confronti del TSO della presentazione di offerte sul MSD acquistando la capacità tramite un MSD_D a cui partecipa la GD (direttamente o per il tramite di un trader). Profilo di scambio AT/MT Programmato (Modello 3) è effettuato a livello centrale dal TSO coinvolgendo le sole unità connesse alla RTN, mentre il DSO è responsabile di mantenere, nel tempo reale, lo scambio di energia con la RTN il più possibile simile a quello definito in fase di programmazione.

29 Allegato M CEI 0 16: distacco della GD su comando del DSO di riferimento per far fronte a criticità di rete 29 TSO Centro Operativo DSO 1 Centro Operativo DSO 2 In situazioni di criticità (basso carico e elevata produzione da FRNP): Gateway TSO DSO Rete MT il centro di controllo di Terna (tramite operatore o automatismo del Sistema di Difesa) invia un comando di distacco al sistema del DSO; il DSO smista tale ordine ai produttori GRDM tramite modem GSM/GPRS; Cabina Primaria Modem GSM/GPRS GD 1 Modem GSM/GPRS GD 2 il modem elabora il segnale ed emette un comando al SPI in modo da consentire il distacco (apertura DDI) e l inibizione dei gruppi di generazione;

30 Qualche spunto di riflessione: prospettive per le reti di distribuzione 30 Le reti di distribuzione mutano profondamente, verso le smart grid: i progetti pilota servono per indirizzare lo sviluppo estensivo La velocità di evoluzione dei sistemi elettrici in questo periodo storico è decisamente elevata («unprecedented») ENTSO E, codice europeo per i generatori (RfG) avvento dei veicoli elettrici (ormai sul mercato ) regole di gestione delle reti e di connessione (Del. 84; allegato A.70; CEI 0 21 da luglio; futura CEI 0 16 a fine anno): sperimentazione di sistemi di accumulo (Del. 199/11) nuove prospettive per il dispacciamento delle FER La capacità di reazione mostrata dal sistema Italia rispetto alla tempesta in atto ha condotto a una situazione di assoluta avanguardia Verso un dispacciamento in tempo reale della GD (DSO di riferimento) Servono infrastrutture di rete di distribuzione (con TLC) gestite in maniera innovativa dal DSO, che dovrà avere competenze e capacità operative maggiori che in passato dimensione internazionale dimensione nazionale

31 31 GRAZIE PER L ATTENZIONE! (comments are welcome) cristian.bovo@polimi.it ANY QUESTIONS