Progetti Pilota Power Intensive: Descrizione degli impianti e delle tecnologie. M. Pietrucci

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1 Progetti Pilota Power Intensive: Descrizione degli impianti e delle tecnologie M. Pietrucci

2 Agenda Impianti Storage Lab Principali caratteristiche delle tecnologie installate Prove sperimentali in sito Milano, 27 settembre

3 S.E. CODRONGIANOS - SARDEGNA Taglia pianificata (MW) 8,65 MW In sperimentazione 7,9 MW Numero SdA (1) pianificati 9 Numero SdA in sperimentazione 8 S.E. CIMINNA - SICILIA Taglia pianificata (MW) 7,3 MW In sperimentazione 5,55 MW Numero SdA pianificati 8 Numero SdA in sperimentazione 6 Servizi di rete Progetto Storage Lab Sistemi e MW installati Regolazione primaria ultrarapida Regolazione secondaria Integrazione sistemi di difesa Assessment tecnologico Testing in ambiente grid scale e module scale Esercizio on grid Valutazione e comparazione performance chiave Sviluppo sistemi di controllo innovativi Sviluppo di un Sistema di Controllo Avanzato per la gestione di impianti di storage multitecnologici VSP (Virtual Storage Plant) L ambizioso programma sperimentale del progetto Storage Lab prevede sia fasi di testing in ambiente grid scale e module scale, sia l analisi dell esercizio on grid delle diverse tecnologie Milano, 27 settembre 2017 (1) Sistemi di Accumulo 3

4 Regolazione Terziaria Regolazione Secondaria Power Tempo Regolazione primaria Inerzia Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti Storage Lab: applicazioni In passato Inerzia: resistenza istantanea del Sistema al mutamento delle condizioni di equilibrio in futuro! Si oppone alla variazione di frequenza rispetto al riferimento contenendone lo scarto La primaria contiene la variazione di frequenza frequenza Primaria Secondaria Terziaria Riporta la frequenza ai valori nominali anche regolando lo scambio tra aree La secondaria ripristina il valore nominale La terziaria ripristina le risorse di secondaria Supporta la regolazione secondaria, ripristinandone la relativa disponibilità ai fini del bilanciamento 30 secondi secondi minuti Time Le tecnologie dello Storage Lab sono state selezionate per fornire regolazioni veloci Milano, 27 settembre

5 Power Intensive Energy Intensive Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti Tecnologie installate Storage time seconds 0,5 1 hour 2 4 hours P & E are decoupled 8 hours Procurement on going 9,2 MW installed 3,4 MW installed 0,85 MW in commissioning 35 MW installed Storage Lab e coprono la gran parte delle famiglie tecnologiche disponibili sul mercato Milano, 27 settembre

6 CODRONGIANOS CIMINNA Impianti Storage Lab e tecnologie installate Tecnologia Taglia Tecnologia Taglia Litio Ferro Fosfato 1 MW 1,23 MWh Litio Ferro Fosfato 1,0 MW 1,23 MWh Litio Nichel Cobalto Alluminio 1,2 MW 0,93 MWh Litio Nichel Cobalto Alluminio 0,9 MW 0,57 MWh Litio Manganese 1 MW 0,92 MWh Litio Nichel Manganese Cobalto 1,08 MW 0,54 MWh Litio Manganese 1,0 MW 0,92 MWh Litio titanato 1,0 MW 1,02 MWh Litio titanato 1 MW 1,02 MWh Nichel-Cloruro di Sodio 1,2 MW 4,15 MWh Nichel-Cloruro di Sodio 1,2 MW 4,15 MWh Flusso - Vanadio 0,45 MW 1,44 MWh Nichel-Cloruro di Sodio 1 MW 2,00 MWh Flusso - Vanadio 0,4 MW 1,10 MWh Non oggetto del Report 2016 In entrambi i siti sono installate soluzioni appartenenti alle famiglie tecnologiche litio, ZEBRA e flusso. Gli impianti saranno completati con l ulteriore installazione di sistemi supercapacitori Milano, 27 settembre

7 Layout d impianto Area Set Up MT Sistema di controllo centrale Quadro MT di impianto (doppia semisbarra) Sistemi ausiliari Area Set Up MT Area SdA Area SdA Insieme di piazzole, una per tecnologia, per l installazione dei diversi sistemi di accumulo. Ciascuna piazzola è connessa per la parte di potenza, controllo e servizi ausiliari con l Area Set-Up MT 7 Per perseguire gli obiettivi sperimentali, gli impianti Storage Lab sono composti da un area SdA suddivisa in piazzole (una per tecnologia) ed un ulteriore area per la connessione delle sezioni di potenza, il controllo e la supervisione Milano, 27 settembre 2017 SdA: Sistemi di Accumulo 7

8 SdA 1 SdA 2 SERVIZI AUSILIARI SdA n Stallo AT Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti Sistema di controllo Scada Lab SPCC + RTU Sistema di controllo locale dove sono implementate le logiche di controllo, conduzione e monitoraggio dell intero impianto Storage Lab Ad oggi la conduzione ed il controllo avviene a livello di singolo SdA UPDM Scada Lab RTU UPDM (Unità Periferica Difesa e Monitoraggio ) SCI Apparato periferico del Sistema di Difesa Terna attraverso il quale vengono garantite le funzionalità orientate allla sicurezza del Sistema Elettrico PCS Controller BMS Il Sistema di Controllo locale che comunica con tutti gli SdA è lo Scada Lab, che ad oggi consente il controllo e la conduzione, da locale e da remoto, a livello di singolo Sistema di Accumulo Milano, 27 settembre

9 Tecnologie lithium-based Caratteristiche generali (1/2) modulo cella Container Batterie PCS container armadio/rack Il footprint standard di una soluzione lithium based 1MW/1MWh prevede una piazzola 15x20m L assemblato batterie è composto da molteplici celle elettrochimiche opportunamente connesse in serie e parallelo. Tutte le soluzioni lithium based installate sono containerizzate e necessitano di un area di installazione pari a circa 15x20m Milano, 27 settembre

10 P Potenza attiva in carica 125% 100% 75% 50% 25% 0% SOC P Potenza attiva in scarica Tecnologie lithium-based Caratteristiche generali(2/2) Esistono diverse tipologie di batterie lithium based, distinte principalmente per i composti chimici utilizzati per realizzare anodo, catodo ed elettrolita. La natura degli elementi utilizzati influenza notevolmente le performance e le caratteristiche della cella. La potenza di carica e scarica è normalmente indipendente dallo stato di carica, al netto di stati di carica molto prossimi allo 0% e al 100% 100% 75% 50% 25% 0% SOC Tempo di avvio da stato di fermo nell ordine dei minuti (non è necessaria alcuna fase di predisposizione termica) Alcune tecnologie litio necessitano periodicamente di eseguire dei cicli di calibrazione per stabilizzare le tensioni di cella ad un valore comune Milano, 27 settembre

11 Tecnologie ZEBRA Caratteristiche generali (1/2) Container Batterie modulo PCS container batteria Il footprint standard di una soluzione ZEBRA 1,2MW/4MWh prevede una piazzola 20x25m L assemblato batterie è composto da molteplici celle elettrochimiche opportunamente connesse in serie e parallelo. Tutte le soluzioni ZEBRA installate sono containerizzate e necessitano di un area di installazione pari a circa 20x25m. Al contrario delle litio i moduli sono direttamente connessi al bus DC (non sono quindi connessi in serie nei rack) Milano, 27 settembre

12 Tecnologie ZEBRA Caratteristiche generali (2/2) Le batterie al sodio-nickel (NaNiCl2) sono costituite da celle funzionanti a caldo ad una temperatura compresa tra 260 C e 350 C. La potenza di carica è strettamente dipendente dallo stato di carica Tempo di avvio da stato di fermo fino a 12h per warm up del Sistema (necessaria una fase di predisposizione termica) Tutte le tecnologie ZEBRA necessitano periodicamente di un ciclo di calibrazione volto a stabilizzare le tensioni di cella e ad azzerare l errore di calcolo del SOC Milano, 27 settembre

13 Tecnologie flusso Serbatoi e Stacks PCS container Il footprint standard di una soluzione flusso 0,4MW/1,5MWh prevede una piazzola 15x20m La sezione di conversione è composto da Coppia di Elettroliti in due Serbatoi Cella (stack) suddivisa da membrana dove avviene il passaggio di ioni Pompe di circolazione Le soluzioni flusso installate necessitano di un area di installazione pari a circa 20x25m. Oltre agli stack di conversione, assimilabili ai rack della soluzione litio, le flusso sono caratterizzate dalla presenza di serbatoi contenenti l elettrolita Milano, 27 settembre

14 Agenda Impianti Storage Lab Principali caratteristiche delle tecnologie installate Prove sperimentali in sito Milano, 27 settembre

15 Sezione di potenza Sistema di accumulo: componenti principali Sistemi di controllo Altro: Trasformatore di accoppiamento, servizi ausiliari, quadro MT con relativi organi di manovra e protezione Power Conversion System(PCS): sistema elettronico che effettua la conversione da corrente continua a corrente alternata SCI PCS Controller Sistema di Controllo Integrato: sistema che interfacciandosi con il BMS e il PCS Controller garantisce il corretto funzionamento e l esercizio in sicurezza dell EESS. Implementa al suo interno tutte le funzioni di controllo e monitoraggio dell EESS. PCS Controller: sistema di controllo che pilota il PCS portandolo ad erogare la potenza attiva/reattiva richiesta Assemblato batterie: insieme delle celle elettrochimiche attraverso le quali è possibile accumulare e rilasciare energia BMS Battery Management System (BMS): sistema di controllo che monitora i principali parametri di funzionamento dell assemblato batterie, garantendo il funzionamento in sicurezza dello stesso Milano, 27 settembre

16 Caratteristiche SdA SAFT Potenza di carica diversa dalla potenza di scarica Q 1,6 MVA 0,95MVA 1,2 MVA P Soluzione con la più elevata potenza di sovraccarico (+33% Pn) Parametri principali Tecnologia Litio Nickel Cobalto Alluminio Potenza nominale 1,2 MW Energia nominale 0,93 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 1,6 MW Numero di cicli effettuabili >3000 Caratteristiche ciclo di calibrazione Non richiesto Tipologia PCS Bistadio Numero container 2 (20ft) + 1 (40ft) Batterie: SAFT Sistema di conversione Nidec Sistema di ctrl: Nidec Installazione: Saft/Nidec Milano, 27 settembre 2017 (1) Sistema Ciminna 0,9MW/0,57MWh 16

17 Caratteristiche SdA BYD Q Ciclo di calibrazione su richiesta (secondo le condizioni di esercizio) 1,0 MVA 1,2 MVA P Parametri principali Tecnologia Litio Ferro fosfato Potenza nominale 1,0 MW Energia nominale 1,2 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 1,2 MW Numero di cicli effettuabili >4000 Caratteristiche ciclo di calibrazione se richiesto fino a 4h Tipologia PCS bistadio Numero container 2 (40ft) Batterie: BYD Sistema di conversione Nidec Sistema di ctrl: Saet Impianti Installazione: Saet Impianti Milano, 27 settembre

18 Caratteristiche SdA Samsung Inverter sovradimensionato rispetto alla potenza delle batterie (Capability ridotta) Ciclo di calibrazione eseguito durante la manutenzione (di norma ogni 6 mesi) 1,3 MVA Q 1,4 MVA 1,0 MW P Parametri principali Tecnologia Litio Manganese Potenza nominale 1,0 MW Energia nominale 0,916 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 1,4 MW Numero di cicli effettuabili >5000 Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni 6 mesi in manutenzione Tipologia PCS monostadio Numero container 3 (40ft) Batterie: Samsung Sistema di conversione Woodward Sistema di ctrl: Younicos Installazione: Green Utility Milano, 27 settembre

19 Caratteristiche SdA Siemens Q Rapporto Energia/Potenza pari a 0,5 1,15 MVA Inverter monostadio distribuito (12 inverter - uno per rack) 1,08 MVA P Parametri principali Tecnologia Litio Nichel Manganese Cobalto Potenza nominale 1,08 MW Energia nominale 0,54 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 1,15 MW Numero di cicli effettuabili >3000 Caratteristiche ciclo di calibrazione - Tipologia PCS monostadio distribuito (per rack) Numero container 1 (misure non standard) Milano, 27 settembre Batterie: Sistema di conversione Sistema di ctrl: Installazione: LG Siemens Siemens Siemens

20 Caratteristiche SdA Toshiba Maggior numero di cicli vita tra le soluzioni installate EPS tra i primi a sviluppare un sistema di controllo compliant con le richieste Terna Q 1,3 MVA 1,0 MVA P Parametri principali Tecnologia Titanato di litio Potenza nominale 1,0 MW Energia nominale 1,0 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 1,3 MW Numero di cicli effettuabili >> 6000 Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni mese fino a 2h Tipologia PCS monostadio (x4) Numero container 2 (40ft) Milano, 27 settembre Batterie: Sistema di conversione Sistema di ctrl: Installazione: Toshiba EPS (Elvi) EPS (Elvi) Toshiba/ EPS (Elvi)

21 Caratteristiche SdA Fiamm (FZSonick) Rapporto energia/potenza più elevato tra le soluzioni dello Storage Lab Ciclo di calibrazione frequente, ma potenzialmente «trasparente» Parametri principali Tecnologia ZEBRA Potenza nominale 1,2 MW Energia nominale 4,15MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 1,5 MW Numero di cicli effettuabili > 4500 Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni 12gg fino a 12 h Tipologia PCS bistadio Numero container 2 (40ft) Milano, 27 settembre Batterie: Sistema di conversione Sistema di ctrl: Installazione: FIAMM Nidec Nidec Tozzi Sud

22 Caratteristiche SdA General Electric Fornitura avviata con sistema Xtreme Power (poi fallita) P (MW) 1,0 0,8 0,6 0,5MW 0,67M W 1,0 MW 0,25 MW GE ha comunque completato la fornitura con il supporto di EPS 0,4 0,2 0 Parametri principali Tecnologia ZEBRA Potenza nominale 1,0 MW Energia nominale 2,0 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 1,3 MW Numero di cicli effettuabili > 4500 Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni settimana fino a 15h Tipologia PCS monostadio (x4) Numero container 2 (40ft) Milano, 27 settembre Batterie: Sistema di conversione Sistema di ctrl: Installazione: GE EPS (Elvi) EPS (Elvi) GE/ EPS (Elvi)

23 OUT OF REPORT 16 Caratteristiche SdA Gildemeister Soluzione che si sviluppa in altezza, con gli stack presenti nei container superiori e i serbatoi allocati nei container inferiori Cicli vita non applicabili per rigenerazione elettrolita e cambio membrane Q 0,48 MVA 0,4 MVA P Parametri principali Tecnologia Flusso - vanadio Potenza nominale 0,4 MW Energia nominale 1,1 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 0,48 MW Numero di cicli effettuabili - Caratteristiche ciclo di calibrazione - Tipologia PCS bistadio (DC/DC distribuito) Numero container 5 (40ft) Milano, 27 settembre Batterie: Sistema di conversione Sistema di ctrl: Installazione: Gildemeister Nidec Nidec Green Utility

24 OUT OF REPORT 16 Caratteristiche SdA Rongke Power Serbatoi allocati dentro ai container assieme agli stack Cicli vita non applicabili per rigenerazione elettrolita e cambio membrane Q 0,54 MVA 0,45 MVA P Parametri principali Tecnologia Flusso - vanadio Potenza nominale 0,45 MW Energia nominale 1,44 MWh Potenza di sovraccarico (1 min) 0,54 MW Numero di cicli effettuabili - Caratteristiche ciclo di calibrazione - Tipologia PCS bistadio Numero container 4 (20ft) + 1 (40ft) Milano, 27 settembre Batterie: Sistema di conversione Sistema di ctrl: Installazione: Rongke Power Nidec Saet Impianti Saet Impianti

25 Agenda Impianti Storage Lab Principali caratteristiche delle tecnologie installate Prove sperimentali in sito Milano, 27 settembre

26 Ciclo standard Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti TEST Test di rendimento Procedura Obiettivo Validazione delle performance dell EESS in termini: Energia Nominale Efficienza del sistema Procedura Ciclo Standard: il ciclo utilizzato consiste in una fase di scarica seguita da una fase di carica a potenza nominale. Sono ammesse fasi di stand-by tra un ciclo e l altro preventivamente concordate con il fornitore della tecnologia. Potenza Attiva (MV) Potenza attiva assorbita dagli ausiliari (LV) Fase di scarica Fase di carica Milano, 27 settembre

27 Flusso Zebra Lithium Based Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti Modulo Grid Scale Balance of System Ausiliari Test di rendimento Evidenze SdA 1 SdA 4 SdA 5 SdA 6 SdA 7 SdA2 SdA3 SdA 8 Round trip 94,5% 95,7% 97,0% 96,0% 96,0% 90,0% 89,9% lordo (no AUX) 87,0% 83,0% 89,0% 85,5% 90,5% 85,5% 86,9% netto (con AUX) 82,3% 89,2% 86,4% 82,3% 80,1% altre perdite consumi -7,5% -4,0% -6,7% -3,5% -6,5% -5,0% -9,1% -4,6% -6,8% -2,8% -7,7% -2,2% 78,7% 77,0% -11,2% -1,7% - 70,0% 65,2% - -4,8% SdA 9-70,3 % 65,3 % - 5 % Le tecnologie Litio mostrano rendimenti più elevati rispetto alle Zebra e alle flusso Le ZEBRA quando ciclate non subiscono un impatto significativo dai servizi ausiliari Per le tecnologie flusso non è stato misurato il rendimento round trip in quanto ritenuto poco significativo eseguito su uno stack isolato. Milano, 27 settembre

28 SdA 1 SdA 2 SERVIZI AUSILIARI SdA n Stallo AT Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti Test di inversione rapida Tempi di risposta SPCC + RTU UPDM Inversione di potenza in meno di 100ms Overload +130% Trigger Scada Lab RTU SCI PCS Controller BMS Scatto Max. Produzione Max. Assorbimento Potenza nominale (-100%) Capacità di invertire entro 200ms dalla richiesta il flusso di potenza, erogando anche la potenza di sovraccarico Milano, 27 settembre

29 Test isola con compensatore Integrazione Compensatore Sincrono Storage Lab(1/2) Prova del 29 novembre 2015 Obiettivo del Test Funzionamento in isola al fine di mantenere in esercizio il Compensatore Sincrono tramite i sistemi di accumulo per il tempo necessario al ripristino delle condizioni normali di funzionamento della RTN. Compensatore Sincrono Storage Lab Elementi di rete mantenuti in esercizio Compensatore sincrono (250MVA) Autotrasformatore 380/150kV (250MVA) Trasformatore 150/15kV (40MVA) Sistemi di sbarre 380kV/150kV SdA utilizzati SdA1 SdA2 SdA5 SdA7 Nel Novembre 2015 è stata eseguita una prova di esercizio in isola tra lo Storage Lab e un compensatore sincrono da 250MVA presente nella SE di Codrongianos Milano, 27 settembre

30 Creazione Isola elettrica Sistema in isola Test isola con compensatore Integrazione Compensatore Sincrono Storage Lab (2/2) 50,2 Hz 50,1 Hz 50,0 Hz 49,9 Hz 49,8 Hz SdA erogano potenza Isola a regime Frequenza dell isola Regolazione rapida degli SdA che in 0,5s iniziano ad erogare potenza attiva, arrestando la variazione di frequenza in 3 secondi Frequenza a regime pari a 49,85 Hz Tutti gli elementi della rete in isola sono stati alimentati nei limiti di normale funzionamento 4 MW 2 MW 0 MW 0,5s 3 s Potenza attiva dallo Storage Lab Mantenuta l isola per 18 minuti prima di riconnettersi a rete Milano, 27 settembre

31 Key findings Gli impianti Storage Lab sono stati progettati per sperimentare e validare caratteristiche e performance delle principali tecnologie disponibili sul mercato per applicazioni power intensive Ogni tecnologia mostra proprie peculiarità che devono essere considerate in funzione dell applicazione/servizio che si intende implementare, quali dipendenza della potenza attiva dal SOC, caratteristiche del ciclo di calibrazione, numero di cicli vita, potenza di sovraccarico. Le Litio mostrano rendimenti più elevati delle Zebra e delle flusso. Tuttavia le ZEBRA risentono meno dell effetto del re-loaded e, se fatte ciclare, non subiscono perdite significative per effetto dei servizi ausiliari. I sistemi di accumulo installati mostrano caratteristiche di regolazione ultrarapide, asservibili sia alle logiche del sistema di difesa, nonché in integrazione con altri elementi di rete (compensatori sincroni). Milano, 27 settembre

32 Grazie

33 Tecnologie lithium based La cella elementare è costituita da due elettrodi con interposto un elettrolita Solitamente l elettrodo negativo o (anodo) è composto di carbonio con intercalati al suo interno ioni di Litio, mentre l elettrodo positivo (o catodo) è composto da un ossido di metallo (o più metalli) con intercalati ioni di litio Principio di funzionamento Caratteristiche: Rapporto energia/potenza 0,5-2 Rendimento > 90% Peso limitato Autoscarica molto bassa 1% al mese Performance: Le massime potenze di carica e scarica possono assumere valori differenti (capability asimetriche) Non richiedono di essere riscaldate Richiedono periodicamente di effettuare un ciclo di bilanciamento per portare tutte le celle allo stesso valore di stato di carica Le tecnologie lithium based esistono di diverse tipologie, e, pur restando il funzionamento analogo, la scelta dei materiali, principalmente catodici, influenza notevolmente le performance e le caratteristiche della cella Milano, 27 settembre

34 Tecnologia ZEBRA Le batterie al sodio-nickel (NaNiCl2) sono costituite da celle funzionanti a caldo ad una temperatura compresa tra 260 C e 350 C. L elettrodo negativo (o anodo) è costituito da sodio liquido ed è separato dal catodo dall elettrolita solido detto beta-allumina, elettricamente isolante ma in grado di condurre ioni sodio. L elettrodo positivo (o catodo) è costituito da cloruro di nichel impregnati da un ulteriore elettrolita (NaAlCl4) liquido alle temperature di funzionamento Caratteristiche: Rapporto energia potenza 2-4 Rendimento al lordo dei servizi ausiliari 90% Rendimento al netto dei servizi ausiliari < 85% Elementi costituenti gli elettrodi abbondanti in natura e facilmente riciclabili Performance: La potenza di carica dipende dallo stato di carica (SOC) della batteria, mentre la potenza di scarica ne è indipendente Richiedono di essere riscaldate e pertanto la fase di accensione di un sistema ZEBRA può durare fino a 12h Richiedono periodicamente di effettuare un ciclo di bilanciamento per portare tutte le celle allo stesso valore di stato di carica Milano, 27 settembre

35 Foto Installazioni CODRONGIANOS Visione d insieme CIMINNA Dettaglio installazioni Milano, 27 settembre