Pianeta Galileo Le reti elettriche del futuro Le smart grids

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Ivo Romeo
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1 Pianeta Galileo 2012 Le reti elettriche del futuro Le smart grids Davide Poli Università di Pisa

2 La genesi del sistema elettrico 1883: Prima centrale elettrica dell Europa continentale (Londra:1882) Alimentata a carbone! 350 kw, 4 macchine alternative a vapore + dinamo Illuminava il Teatro alla Scala, la Galleria e parte di piazza del Duomo

350 kw, 4 macchine alternative a vapore + dinamo Illuminava il Teatro alla

3 Centrale baricentrica che deve alimentare tanti utilizzatori mediante una rete di distribuzione

4 DISTRIBUZIONE PRIMARIA

5 DISTRIBUZIONE PRIMARIA

6 DISTRIBUZIONE MT

7 DISTRIBUZIONE BT

8 Sistema semplice ed economico. SISTEMA RADIALE SU PIU LIVELLI DI V

9 ma scarsamente affidabile

10 Rete di distribuzione primaria (AT): MAGLIATA. MT e BT: dipende da densità di carico (tipico: MT magliata, esercìta radiale)

11 E se non è possibile installare una centrale nel baricentro dei carichi?

12 Non sarebbe economicamente conveniente una rete di distribuzione primaria alimentata da un punto diverso dal baricentro dei carichi!

13 TRASMISSIONE: da centrale a baricentro dei carichi

14 TRASMISSIONE (per (per def.. è in antenna)

15 TRASMISSIONE E INTERCONNESSIONE Collega ogni baricentro dei carichi con un altro sistema di produzione.

16 RETE DI TRASMISSIONE E INTERCONNESS kv RETE DI DISTRIB.PRIMARIA kv RETE DI DISTRIB.MT kv CENTRALE STAZIONE CABINA PRIMARIA CABINA MT- BT CARICO BT + carichi AT e MT RETE DI DISTRIB.BT

PRIMARIA 132-150 150 kv RETE DI DISTRIB.

17 Autoproduzione (tipicamente su utenti industriali AT e MT, dagli anni 80)

18 generazione distribuita (MT e BT, dagli anni 90)

19 Principale caratteristica del sistema elettrico L energia elettrica non è accumulabile come tale In ogni istante, occorre mantenere un perfetto equilibrio fra produzione (generatori) e consumo (carichi) Tradizionalmente, il carico è stato lasciato libero di variare a suo piacimento I generatori devono reagire istantaneamente per adeguarsi alle variazioni del carico:

e consumo (carichi) Tradizionalmente, il carico è stato lasciato libero di variare a suo

20 Come ci si riesce? ADEGUATEZZA: i mezzi di produzione e trasporto devono essere via via adeguati nel corso degli anni all aumento del carico pianificazione PROGRAMMAZIONE: occorre programmare per tempo l accensione/spegnimento delle varie centrali e il modo in cui si ripartiranno il carico dispacciamento CONTROLLO: in tempo reale, i sistemi automatici di regolazione comandano le centrali per mantenere l equilibrio produzione/consumi reg. di frequenza PROTEZIONE: le protezioni intervengono in caso di grossi squilibri come misura di estrema emergenza piani di difesa

PROGRAMMAZIONE: occorre programmare per tempo l accensione/spegnimento delle varie centrali e il modo in cui si ripartiranno il carico

21 Le nuove sfide Sostenibilità economica Costi energetici Competitività delle nuove tecnologie Meccanismi di mercato Green ECONOMY Sicurezza di approvvigionamento Coprire una domanda energetica in continua crescita: +40% Esaurimento fonti fossili Dipendenza dall estero Sostenibilità ambientale Inquinamento, riscaldamento globale Ridurre l uso delle fonti fossili Sviluppare la mobilità elettrica

22 Secondo la International Energy Agency, le principali sfide del futuro sono:

23 Le nuove tendenze maggiore sensibilità agli aspetti ambientali emissioni e impatto visivo dei grandi impianti di produzione difficoltà autorizzative per nuove grandi centrali ed elettrodotti esigenze di efficientamento (es. perdite di rete) obiettivo di riduzione dell uso delle fonti fossili aspetto tecnico (esaurimento) e geopolitico (autonomia energetica) obiettivi UE: - utilizzo fonti rinnovabili per coprire il 20% degli usi finali dell energia - riduzione 20% emissioni gas serra - riduzione 20% consumi energia primaria spinta alle fonti energetiche rinnovabili utilizzare al meglio le risorse esistenti

24 progresso tecnologico nuove tipologie impianti di produzione di piccola taglia - rendimenti crescenti - taglie minime, costi e emissioni decrescenti avvento dell ICT nel settore elettrico (es. contatori intelligenti, portali internet su cui vedere profili di carico, comandi remoti ) nuovi usi elettrici: auto elettriche e pompe di calore normativa favorevole alla piccola generazione e alle rinnovabili stimolo all autoproduzione nascita di nuovi business, anche senza carico locale spinta alla generazione distribuita specialmente da fonti rinnovabili, sempre più vicine alla grid parity

25 Criticità di integrazione della gen.distribuita scarsa prevedibilità e dispacciabilità di molte delle nuove fonti fotovoltaico ed eolico sono intermittenti e poco programmabili salvo accorgimenti particolari, sono dispacciabili solo a scendere a seguito di grossi disturbi di rete, si staccano! difficoltà di bilanciamento del sistema elettrico Profilo storico della velocità del vento difficoltà gestionali m/s coordinare tantissimi piccoli impianti dispersi sul territorio produzione concentrata in aree precise del Paese congestioni 15 priorità di dispacciamento impatto sui generatori tradizionali 10 inversioni di flusso su molti rami della rete 5 molti consumers sono diventati prosumers serve un sistema elettrico più EVOLUTO ed INTELLIGENTE ora

26 Le Smart Grids La rete elettrica di oggi e quella del futuro Inadeguata alle nuove sfide Rete Energia Rete Informazione

27 Inversione del paradigma Gestione del carico tariffe premi/penalità accumuli

28 Una rete elettrica intelligente : sa integrare al meglio generatori di ogni taglia e tipologia, soprattutto la generazione distribuita da fonti rinnovabili (risolve sbilanciamenti/congestioni e consente mercati locali ) dà ai clienti nuovi strumenti di informazione, partecipazione e flessibilità, p.es. price-to-device e peak shaving (domanda attiva) permette scelte ottimali di produzione, consumo, accumulo, vendita fonde ICT e Energia per abilitare nuovi prodotti, servizi e mercati (smart metering,aggregatori, sistemi aut.scelta tariffe, produz/consumo) è efficiente e ha un ridotto impatto ambientale ottimizza la gestione delle risorse di rete già esistenti ha strumenti automatici di regolazione, compensazione e autoriconfigurazione per aumentare affidabilità e qualità di fornitura si sa interfacciare con altri sistemi (mobilità, altre reti energetiche) si sa difendere da disturbi e attacchi esterni

Le Parole Chiave: - Partecipazione attiva del cliente (Demand Side Management, Demand Response) uso razionale energia, risparmio economico - Integrazione delle fonti rinnovabili - Forte

29 Le Parole Chiave: - Partecipazione attiva del cliente (Demand Side Management, Demand Response) uso razionale energia, risparmio economico - Integrazione delle fonti rinnovabili - Forte presenza dell elettronica di potenza (p.es generazione in DC) - Sistemi di misura e comunicazione intelligenti, ICT, TLC, sensori, supporto alle decisioni - Stoccaggio dell energia - Mobilità elettrica

30 Un esempio di settore di ricerca: Dal distacco generalizzato del carico ai segnali mirati di riduzione di potenza Grid signal (power and/or price) Potenza prelevata GRID Measure and energy delivering USER LOAD CONTROLLER kw bus tempo

31 fonte fossile fonte rinnovabile Un secondo esempio: I Virtual Power Plants rete elettrica con obbligo di connessione di terzi PCC int PCC ext CHP HP outdoor E E generazione el. "esterna" da fonte rinnovabile cogeneratore accumulo elettrico gestionale carico elettrico pompa di calore indoor generazione el. "interna" da fonte rinnovabile T T caldaia di integrazione accumulo termico gestionale carico termico generazione di calore da fonte rinnovabile fonti parte termica limiti di batteria parte elettrica

32 La supervisione del sistema scende al livello della rete di distribuzione Nasce il Distribution System Operator

33 Dalla rete alla casa: Integrazione con la domotica + Qualità e confort - Consumi - produrre e consumare in base ai prezzi - programmare accensioni e spegnimenti utenze (tariffe) -integrazione fra tutti i dispositivi elettronici - Tutto è connesso - Internet on things

34 Dalla rete elettrica alla città: La Smart City: città eco-sostenibile e a misura d uomo Reti Edifici Mobilità Nel 2050: città = 70% popolazione mondiale (10 mld), 2/3 domanda energetica, ¾ PIL

35 E nel futuro? Da una meravigliosa utopia.. a uno scenario realistico: - massimizzare l uso delle rinnovabili - (sviluppare tecnologie nucleari sicure e senza scorie) - rendere più pulite ed efficienti le tecnologie attuali

36 Investiamo nel progresso tecnologico. e lasciamoci stupire.. Non esiste il benché minimo indizio che faccia pensare che l energia nucleare diverrà mai accessibile, perché questo comporterebbe di poter spaccare l atomo a comando. (Albert Einstein) Oggi è praticamente impossibile trovare terre ancora sconosciute. (Comitato dei Consiglieri di Isabella di Spagna, 1492) Tutto ciò che poteva essere inventato è già stato inventato. (Charles H. Duell, sovraintendente ufficio brevetti degli Stati Uniti, 1899) Oggi niente di nuovo. (Luigi XVI nel suo diario, mattina del 14 luglio 1789) La luce elettrica non rimpiazzerà mai le lampade a gas. (Un industriale tedesco, 1878) Che bisogno ha una persona di tenersi un computer in casa? (Kenneth Olsen, fondatore della Digital Equipment, 1977) Il rock'n'roll morirà entro giugno ("Variety", NBC, U.S.A., 1954)

37 L età della pietra non è finita per mancanza di pietre E l'era del petrolio finirà molto prima che siano esaurite le scorte di greggio del pianeta Sceicco Yamani Grazie per l attenzione! davide.poli@dsea.unipi.it

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