Le smart grid nella ricerca per il sistema elettrico

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1 Le smart grid nella ricerca per il sistema elettrico Massimo Gallanti RSE Bologna, 8 giugno

2 RSE e la Ricerca del sistema elettrico RSE (Ricerca sul Sistema Energetico S.p.A.) svolge attività di ricerca nel settore elettro-energetico, con particolare riferimento ai progetti di ricerca di interesse generale, finanziati con il Fondo per la Ricerca di Sistema. Approccio applicativo e sperimentale Attività sia tecnologiche sia di sistema RSE, che ha ereditato le risorse della Ricerca ENEL, dispone di un patrimonio unico di risorse umane, laboratori, capacità di innovazione, essenziali per la continuità ed il rilancio dell innovazione in questo settore di rilievo per il paese Oggi RSE è partecipata totalmente da GSE 2

3 La test facility di Generazione Distribuita 125 kwe kwe MCFC + MT SUPERCONDUCTOR CURRENT LIMITER VLA BATTERIES 23kV Line 800 kva TRASFORMER SWITCHING & CONNECTION BOARD 400V Line Supervision & Data acquisition System PV BATTERIES LOADS DC NETWORK 10 kwe 10 kwe 100 kwe 64 kwe 90 kwth LAN, Wireless, Powerline INVERTER 93 kwe 69 kvar 150 kvar PV DIESEL SIMULATED WIND TURBINE 10 kw 8 kw 8 kw 14 kwe DOMOTICAL HOUSE EURODISH PV BIOMASS O.R.C. TURBINE 3 kwe P.E.M. 45 kwe REDOX BATTERY FLYWHEEL ZEBRA BATTERIES 100 kwe 160 kwth 100 kwfr MICROTURBINE 100 kwe VRLA BATTERY BANK PROG LOAD 3

4 Il progetto reti attive di RSE nella Ricerca di Sistema Studio di metodologie, tecnologie e strumenti per trasformare l odierna rete di distribuzione in una rete attiva Analisi del problema e definizione di metodologie di sviluppo sulla base delle conoscenze del sistema elettrico nazionale Sperimentazioni sulla Test Facility c/o RSE Studi di sistema Es. valutazione della quantità di GD che può essere connessa all attuale rete Tecnologie di supporto per reti attive Es. ICT, sistemi di comunicazione, sistemi di controllo della rete, inverters, contatori elettronici di nuova generazione, gestione della domanda Generatori e di dispositivi di accumulo Es. FV innovativo, micro-cogeneratori, accumulo elettrico e di idrogeno 4

5 Perché le Smart Grids? 5

6 La trasformazione della rete di distribuzione Le spinte verso il cambiamento dell attuale rete di distribuzione: Penetrazione crescente della Generazione Distribuita (GD), sospinta dalle politiche di sostegno alle fonti rinnovabili Già nel 2009, più di MW in esercizio, per una produzione di 23 TWh Partecipazione dei consumatori nel mercato dell energia. Fornire ai clienti segnali di prezzo, grazie all impiego dei misuratori elettronici Misura multioraria dell energia Nuovi impieghi dell energia, che potrebbero modificare i profili di prelievo Climatizzazione (raffrescamento e riscaldamento) mediante pompe di calore elettriche Mobilità elettrica (auto elettrica) 6

7 I limiti della rete di distribuzione odierna L attuale rete di distribuzione è di tipo passivo La rete di distribuzione alimenta i consumatori con la potenza prelevata dalla rete di trasmissione: nessuna gestione dei generatori e carichi connessi alla rete. La presenza di generatori sulla rete di distribuizione è considerata un eccezione: viene collegata secondo l approccio fit & forget (quantità di generazione connettibile decisa sul caso peggiore ) Oggi, una volta connessi i generatori producono quando e come vogliono: la rete di distribuzione deve sempre accettare la potenza prodotta Connessione di un grande numero di piccoli generatori sulla rete di distribuzione. Quali problemi? l approccio fit & forget limita eccessivamente l hosting capacity, cioè il numero di generatori che possono essere connessi alla rete Non è più garantito il flusso mono-direzionale dell energia: possibile l inversione di flusso I generatori sulla rete di distribuzione si disconnettono anche quando non devono, a seguito di disturbi sulla rete di trasmissione Nel black-out tedesco del 2006 sono stati persi in Italia più di 2000 MW 7

8 Verso una rete di distribuzione attiva Il Distributore controlla i generatori e carichi flessibili, per garantire sicurezza e qualità della fornitura: Viene superato l approccio fit&forget, incrementando così la GD che può essere connessa all attuale rete La GD deve rimanere connessa in presenza di disturbi non localizzati nella rete di distribuzione Gli utenti ricevono dalla rete segnali di prezzo e possono così ottimizzare i propri prelievi Prezzi che riflettono il costo dell energia Gli utenti possono mettere a disposizione servizi alla rete Es. interrompibilità diffusa, bilanciamento del sistema elettrico, profili di scambio prevedibili 8

9 Alcuni risultati delle attività recenti di RSE sulle smart grid 9

10 Rete di distribuzione attiva : il controllo dei generatori Obiettivo Assicurarsi un corretto funzionamento della GD in occasione di disservizi di rete Incrementare l hosting capacity dell attuale rete di distribuzione, garantendo la qualità del servizio agli utenti connessi Soluzioni Nuove infrastrutture di comunicazione sovrapposte alla rete elettrica Nuovi sistemi di controllo Aggiungere alla rete di distribuzione una rete ICT per l interazione con gli utenti (Consumatori e Generatori) connessi alla rete 10

11 Funzionamento della GD in presenza di disservizi di rete 11

12 La gestione della protezione anti islanding mediante telecontrollo Obiettivo: evitare distacchi intempestivi dei generatori dalla rete, comandando da remoto l apertura delle loro protezioni solo quando ciò è necessario (evitare la formazione di isole indesiderate) 2 Comando apertura protezione i/f generatori 3 Messaggio di apertura ai generatori connessi alla linea 1 Rilevazione corto circuito lungo la linea Schema logico Predisposizione di un architettura di prova Utilizzo di una rete pubblica reale 12

13 Misura del tempo di latenza e analisi del peso dei diversi contributi GOOSE publisher su ADSL 2/0.35 (D/U) Mbps Publisher di tipo embedded t totale 84 ms Predominanza del ritardo di rete N Ritardo Contributo 1 Rilievo I/O 6 % 2 Applicativo GOOSE Publisher 3 % 3 OpenVPN Publisher 11 % 4 WAN Pubblica 50 % 5 OpenVPN Subscriber 15 % 6 Applicativo GOOSE Subscriber 8 % 7 Attuazione I/O 5 % 13

14 Misura del tempo di latenza con altri mezzi trasmissivi Collegamento WiMAX Link: 7/2 Mbps (D/U) d 6 km h 4 m 14

15 Tempi di latenza misurati per diversi canali trasmissivi Tempi di latenza in funzione di diverse tipologie di accesso alla rete lato publisher latenza (msec) Tunnel 1 Tunnel 2 Tunnel 3 Tunnel 4 Tunnel ADSL 2(D) / 0.35(U) Mbps ADSL 7(D) / 0.50(U) Mbps ADSL simulata 20(D) / 1(U) Mbps Wi-MAX 7(D) / 2(U) Mbps UMTS/HSPDA 7.2 (D) / 2(U) Mbps Tipo di accesso alla rete 15

16 Incrementare l hosting capacity dell attuale rete di distribuzione, garantendo la qualità del servizio agli utenti connessi 16

17 Incrementare la capacità di connessione della GD (hosting capacity) Valutazione delle massima quantità di GD che può essere connessa sulle attuali reti di distribuzione, nel rispetto dei limiti tecnici della rete e di qualità del servizio Simulazioni condotte sull 8% delle reti MT italiane Effetto della generazione distribuita sulle perdite di rete hosting capacity rispetto al vincolo delle variazioni lente di tensione (curva cumulata) Percentuale di nodi sul totale 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 Potenza installabile in accordo con le variazioni lente di tensione [MW] 10,0 RSE, Politecnico di Milano; Rapporto RdS , 17

18 Controllo centralizzato di tensione su rete di distribuzione Centro State Estimator VC OLTC DDI DDI DDI comm comm comm local local local Gen 1 STORAGE Gen n SCADA DDI DDI DDI comm comm comm local local local Cabina Primaria misure/informazioni comandi/setpoint Protocolli e descrizioni standard IEC CIM Il distributore garantisce il corretto funzionamento della rete pur in presenza di rilevante quantità GD I generatori collaborano alla gestione della rete Il distributore può trarre vantaggio anche della domanda interrompibile e dei sistemi di accumulo 18

19 Rete test storage feeder 1 sinc wind wind FV feeder 2 wind sinc 19 sinc FV

20 Azione del sistema di controllo centralizzato sbarra MT Feeder 2 P W G rete con un feeder passivo (zona industriale/ commerciale) e un feeder attivo (con iniezioni da generazione diffusa). V [kv] W G Feeder 1 W P OLTC non può operare efficacemente perché un feeder è in sottotensione mentre l altro è in sovratensione. 16 # nodo G Feeder 2 G -5 MVar P Azione congiunta su OLTC e modulazione di potenza reattiva da parte delle risorse diffuse controllabili consente di raggiungere una situazione soddisfacente V [kv] OLTC sbarra MT W W G Feeder 1 W P G MVar 16 # nodo 20

21 Sistemi di accumulo per una miglio gestione delle fonti rinnovabili Caratterizzazione delle batterie al litio (ad alta densità di energia e di erogazione di potenza) Valutazione delle prestazioni a seguito di invecchiamento o di condizioni di funzionamento estreme Valutazione delle prestazioni dei dei sistemi di gestione delle batterie Kokam litio-polimeri HE 37 V Ah GAIA litio-ioni HP 37 V - 45 Ah Thundersky litio-ioni HE 36 V - 90 Ah Real Force litio-ioni HE 52 V Ah SAFT litio-ioni HE 36 V - 7 Ah 21

22 Demand Side Management Evoluzione del lato domanda: utenze come nodi intelligenti delle reti Modulazione dello scambio netto di potenza con la rete in risposta a segnali di rete e segnali di mercato Attività RSE su Demand Side Management: visualizzazione dati di consumo e generazione locale controllo carichi e dispacciamento locale gestione evoluta termoregolazione A parità di calore da fornire all ambiente, l utente sceglie il dispositivo migliore, dal punto di vista economico e/o ambientale (elettrico, gas) 22

23 Il fattore abilitante immateriale delle smart grids Le funzionalità della smart grid dipendono in modo decisivo dalla flessibilità e interattività degli utenti connessi La rete di distribuzione è smart se gli utenti connessi (generazione e prelievo) sono smart (flessibili) 23

24 Grazie per l attenzione 24

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