PARTE I: SISTEMI FISSI

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1 Unità Operativa di PISA Responsabile scientifico: prof. R. Giglioli Dipartimento di Ingegneria dell Energia e dei Sistemi (DESE) Università di Pisa Largo Lazzarino, 1, Pisa Luglio Giugno 2011 NOTA INTRODUTTIVA Negli ultimi tre anni la sede di Pisa ha avuto la possibilità di attrarre ingenti finanziamenti sia a livello nazionale e regionale sia a livello della Comunità Europea e di strutture industriali private, pari a qualche milione di euro l anno. Le attività richieste prevedono ideazione, sviluppi teorici, ma, soprattutto, attività sperimentali che hanno impegnato i ricercatori in attività di sviluppo di nuovi laboratori e di dispositivi dimostratori quali veicoli ibridi, sistemi di accumulo, sistemi di produzione da fonte rinnovabile. Tutte le attività sviluppate sono, e sono state, a forte contenuto interdisciplinare e hanno permesso ai ricercatori di cimentarsi in una consistente attività di coordinamento. Modellazione degli impianti di produzione PARTE I: SISTEMI FISSI 1. Produzione dell energia elettrica L unità di Pisa ha in corso da diversi anni un attività di collaborazione con Terna sul tema della gestione in eme rgenza del sistema elettrico (vedi più oltre) e sulla modellazione dinamica degli impianti termoelettrici. Data la crescente presenza nel parco di generazione di impianti a ciclo combinato, è stata ravvisata l esigenza di p oter valutare, da un lato, le reali prestazioni che tali impianti possono avere nei confronti delle richieste di rete e, dall altro, il contributo che tali impianti possono dare nelle fasi di riaccensione, eventualmente sfruttando anche le potenzialità della turbina a vapore. L unità di Pisa ha quindi sviluppato modelli dinamici di diverso grado di approssimazione che consentono da un lato di analizzare il comportamento degli impianti nelle attuali configurazioni di esercizio per valutare la loro risposta a fro n- te di perturbazioni di rete e richieste di regolazione, e dall altro di poter testare in simulato differenti logiche di controllo e modalità di esercizio. I modelli sviluppati ed in parte validati con misure effettuate su impianti in esercizio, permettono di analizzare nuovi sistemi di controllo e regolazione per migliorare la flessibilità degli impianti a ciclo combinato, necessità emergente nei sistemi con forte presenza di produzione da fonte rinnovabile non programmabile. Le analisi compiute hanno inoltre mostrato la fattibilità dell impiego di tali impianti sin dalle prime fasi della riaccensione della rete sia sfruttando le capacità di regolazione della sezione turbogas che integrando le potenzialità rese disponibili dalla sezione a vapore. Generazione distribuita È in corso una ricerca sull utilizzo della biomassa lignea in piccoli impianti di cogenerazione a combustione mista che prevedono l utilizzazione di caldaie a cippato o pellets e turbine a gas ad alta velocità. E stato realizzato un impianto da 75 kw elettrici con turbina TURBEC e caldaia METALREF completamente integrato sia in merito al ciclo termodinamico che di controllo, con sistema di recupero calore per essiccamento del cippato e la produzione di pelletts. La ricerca vede la collaborazione di privati, del centro interuniversitario CRIBE (centro per lo studio delle biomasse per l energia). Alcuni esemplari di tale impianto sono attualmente in esercizio presso diverse tipologie di utilizzatori [7, 8, 14].

2 E attualmente in corso lo studio, con la finalità di realizzare un impianto sperimentale, di un sistema di cogenerazione a biomassa a ciclo combinato con microturbina a combus tione esterna e ORC per il recupero energetico dei gas di scarico, laddove il calore non può essere utilmente impiegato in maniera diretta. Attualmente è in fase di assemblaggio l impianto sperimentale che utilizza uno dei sistemi con microturbina a combus tione esterna già realizzati [13]. Inoltre sono stati condotti vari studi, nell ambito del Consorzio di Ricerca Interuniversitario per le Biomasse da Energia (CRIBE), in merito alle possibili utilizzazioni delle sanse d oliva, dimostrando interessanti potenzialità di riconfigurazione della filiera a fini energetici. In particolare, sono state effettuate numerose analisi tecnico-economiche di ritorno degli investimenti, considerando vari scenari impiantistici di taglia e layout [5, 6]. L unità ha partecipato attivamente alle attività del Comitato C6 CIGRÉ Distribution Systems and Dispersed Generation, di cui ha svolto la funzione di segreteria fino al 2008, del WG C6.08 Integration of large share of fluctuating generation e delle due task force C e C istituite in tale ambito su: Connection Criteria at the Distribution Network for Distributed Generation e Computational Tools and Techniques for Analysis, Design and Validation of Distributed Generation Systems. Attualmente partecipa all attività del WG C6.20 ( Integration of electric vehicles in electric power systems ), in particolare sul tema delle variazioni di efficienza e di affidabilità del parco di generazione, indotte da una massiccia flotta di auto elettriche. Affidabilità e sicurezza del sistema elettrico 2. Trasmissione e mercato dell energia elettrica Nei sistemi elettrici liberalizzati, l Independent System Operator è responsabile della affidabilità e della sicurezza del sistema; di conseguenza a lui spetta la definizione della quantità di potenza da allocare per la riserva e della stima della quantità di energia di bilanciamento ad essa associata. Tale definizione deve essere effettuata tenendo in conto da un lato del rispetto di assegnati margini di affidabilità del sistema elettrico e dall altro dei costi associati all acquisto del servizio, in quanto tali costi ricadranno poi sugli utenti finali. In collaborazione con TERNA è stato sviluppato un software basato su tecniche Montecarlo sequenziale, tramite il quale è possibile simulare il sistema elettrico italiano tenendo conto non solo delle indisponibilità dei gruppi di produzione ma anche di quelle delle linee, sia di interconnessione con l estero sia di collegamento tra le differenti zone italiane. L uso di tale programma, che trae origine da applicativi già sviluppati in passato per Terna e in via di implementazione in sala controllo, consente di valutare come varia l affidabilità del sistema elettrico al variare della quantità di riserva (secondaria e terziaria, rotant e e ferma), della sua velocità di risposta (rampe di presa di carico) nonché della gestione delle centrali di pompaggio, sia su un orizzonte giornaliero che di poche ore [10, 12]. Sono state inoltre affinate tecniche probabilistiche per valutare l influenza di un crescente parco eolico sull affidabilità di un sistema di generazione idro-termoelettrico, mostrando come apposite simulazioni numeriche possano permettere il dimensionamento della riserva rotante in maniera coordinata con le caratteristiche tecniche dei gruppi eolici e con un modello probabilistico del vento. In questo contesto, sono state messe a punto tecniche Montecarlo sequenziale per la simulazione di complessi sistemi elettrici multi-area, in modo da ottimizzare le tecniche di ridispacciamento a seguito di eventi di rete o di parco di generazione. Tali metodologie possono permettere anche il corretto dimensionamento di dispositivi di accumulo, in grado di incrementare l affidabilità di piccoli sistemi elettrici (soprattutto a fronte di problemi di over-generation notturna), come isole caratterizzate da una forte presenza di generazione da fonte rinnovabile non programmabile; l analisi economica associata alle simulazioni mostra promettenti tempi di ritorno dell investimento, soprattutto se si tiene conto del minor costo del rischio [4]. Sono state infine confrontate e discusse in termini tecnico-economici le diverse modalità di incontro fra domanda e offerta sul Mercato del Giorno Prima dell energia, mostrando in particolare quale potrebbe essere l impatto di offerte complesse (ovvero comprendenti ulteriori informazioni rispetto alle coppie quantità/prezzo) nel sistema italiano. Gestione dell emergenza in un sistema elettrico in regime di liberalizzazione del mercato dell energia elettrica Nell ambito dell attività di studio di interventi tesi a migliorare la gestione del sistema in fase di emergenza sono state completate le analisi della possibilità di effettuare la riaccensione del sistema elettrico impiegando isole di carico. È stato in particolare condotto uno studio che ha consentito di valutare la possibilità di impiegare anche i sistemi di

3 interconnessione in corrente continua per la prima riaccensione mediante l impiego di sistemi di compensazione rotanti [1]. 3. Distribuzione dell energia elettrica La sede di Pisa, in collaborazione con ENEL ed altre Università, si occupa da anni di sistemi di distribuzione Smart Grids, sia con ricerche teoriche che con attività sperimentali. Sul tema delle Smart Grids è in corso una importante attività di ricerca finanziata dalla Regione Toscana, in collaborazione anche con ENEL Ingegneria e Innovazione, Università di Firenze e di Siena, per la sperimentazione su una vasta area industriale, in fase di realizzazione nell ambito della Darsena Pisana, che porterà allo studio, realizzazione e esercizio sperimentale del sistema elettrico in MT, del sistema termico, della cogenerazione e della generazione da fonti rinnovabili, di sistemi di accumulo elettrici e termici, nonché degli utilizzatori, secondo logiche Smart Grid. E stato poi approfondito il tema dei sistemi di alimentazione a supporto del trasporto elettrico urbano, evidenziando quali servizi di potenza e di energia potrebbero essere forniti al Distributore installando adeguati dispositivi di accumulo o modificando parzialmente i sistemi di conversione e di interfaccia con la rete [9]. Infine, in collaborazione con il Politecnico di Milano e l Università La Sapienza di Roma, sono stat e messe a punto logiche innovative di integrazione tecnico-economica di sistemi energetici urbani, sia attivi che passivi [15]. Gestione del carico 4. Utilizzazione dell energia elettrica Completata la liberalizzazione del settore elettrico, sono stati avviati studi per evidenziare i principali ostacoli posti dall attuale quadro tariffario e regolatorio allo switching di fornitura; è stata inoltre discussa la nascita di aggregati regionali d utenza diffusa, che, per volume e strumenti gestionali, possano garantire interessanti prospettive di risparmio rispetto alla tariffa amministrata, così come avviene da anni per categorie d utenza già idonee ma molto meno parcellizzate. In collaborazione con l Università di Genova, sono state inoltre analizzate e discusse le moderne tecniche di Demand Side Management a servizio della Pubblica Amministrazione, supportate dai progressi tecnologici nel campo della telelettura, telegestione e monitoraggio del carico, finalizzati al risparmio sia energetico che economico [3]. Si sottolinea inoltre la significativa e pluriennale esperienza maturata in materia di energy management nell ambito della collaborazione fra il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione e la Società Consortile Energia Toscana, primo esempio italiano di consorzio pubblico di acquisto di energia elettrica e gas su scala regionale. E stata poi avviata una collaborazione con Enel Ingegneria e Innovazione, volta a valutare l impatto che l alterazione del profilo di carico nazionale, riconducibile ad una significativa flotta di auto elettriche o ibride plug -in, potrebbe avere in un prossimo futuro sul sistema di produzione e trasmissione, in termini di rendimento energetico, di impatto ambientale e di affidabilità (impatto sulla riserva operativa e mitigazione del fenomeno dell over-generation notturna associata agli elevati minimi tecnici degli odierni gruppi di produzione). In collaborazione con il Politecnico di Milano e l Università La Sapienza di Roma, sono state studiate modalità di risparmio energetico e di contenimento delle emissioni di sistemi di trasporto urbano integrato [2]. Infine è stata avviata una campagna mirata di misure dei profili di potenza assorbita da varie tipologie di utenze civili (abitazioni, scuole, aggregati rurali), che ha portato allo sviluppo di alcune tecniche di dimensionamen to di sistemi di accumulo, chiamati essenzialmente a erogare servizi di potenza; le analisi di ritorno economico degli investimenti hanno mostrato sviluppi promettenti e vantaggi significativi non solo dal punto di vista degli utenti, ma anche della rete di distribuzione (differimento di investimenti in ulteriore capacità di trasporto). Bibliografia [I.1] [I.2] S. Barsali (Università di Pisa), R.Salvati, R.Zaottini (Terna), Use of HVDC Links for Power System Restoration, Electric Power Systems Research Vol. 79, Issue 6, June 2009 pages (ISSN ). M.Brenna, F.Foiadelli (Politecnico di Milano), M.C.Falvo (Università di Roma), D.Poli (Università di Pisa), Risparmio Energetico e Contenimento delle Emissioni in un Sistema di Trasporto Urbano In tegrato, Convegno Nazionale AEIT Catania settembre 2009.

4 [I.3] [I.4] [I.5] [I.6] [I.7] [I.8] [I.9] D.Poli, F.Silvestro, Razionalizzazione e monitoraggio dei consumi elettrici nella pubblica amministrazione, Rivista AEIT n.10/2009, Ottobre P.Pelacchi, D.Poli, The influence of wind generation on power system reliability and the possible use of hydrogen storages, Electric Power System Research (Elsevier) Vol.80 Issue 3 (March 2010). D.Poli, G.Ragaglini, Possible energy uses of olive mill residues: a technical and economical comparison, 18th European Biomass Conference, Lyon, 3-7 May R.Villani, G.Ragaglini, D.Poli, E.Bonari, Utilization of olive pomace for energy purposes in Tuscany: a spatially explicit approach applied to estimating potentials of local bioenergy chains, 18th European Biomass Conference, Lyon, 3-7 May S. Barsali, M. Cellini, R. Giglioli, D. Poli An externally fired micro gas turbine plant for combined heat and power generation from solid biomass: a practical experience 18th European Biomass Conference & Exhibition. Lyon, France, May 3-7, S. Barsali, G. Ludovici Externally fired micro gas turbine (75kWe) for combined heat and power generation from solid biomass: concept, efficiency, cost, and experiences from pilot and commercial plants in Italy 11. Holzenergie-Symposium: Potenzial und Technik zur Holzenergie-Nutzung, 17. September 2010, ETH Zurich, Switzerland (ISBN ). S. Barsali, R. Giglioli, G.Lutzemberger, D. Poli Sistemi di alimentazione a supporto del trasporto elettrico urbano AEIT Vol 97 n 11/12, Novembre-Dicembre 2010, ISSN [I.10] D.Poli, P.Pelacchi, A probabilistic nodal analysis for helping the System Operator to validate the results of the day-ahead electricity market, International Conference on Energy & Environment (EE 11), Cambridge, UK, February [I.11] M.Marracci, D.Poli, Analysis of the possible impact of complex bids in the Italian electricity spot market, International Conference on Energy, Environment, Devices, Systems, Communications, Computers (EEDSCC 11), Venice, 8-10 March [I.12] D.Poli, A Monte Carlo approach to advanced load dispatching in multi-area deregulated systems, CIGRE International Symposium, Recife, Brazil, 4-6 April [I.13] M. Barcaglioni, S. Barsali, R. Giglioli, G. Ludovici, D. Poli A micro combined cycle plant for power generation from solid biomass: coupling EFMGT and ORC 19th European Biomass Conference & Exhibition. Berlin, Germany, June 6-10, [I.14] S. Barsali, R. Giglioli, G. Ludovici, D. Poli Esperienze sulla cogenerazione da biomassa solida con microturbine a combustione esterna, Convegno Nazionale AEIT. Prospettive economiche e strategie industriali, Milano, Giugno [I.15] M.Brenna, F.Foiadelli (Politecnico di Milano), M.C.Falvo, L.Martirano (Università di Roma), D.Poli (Università di Pisa), Il Microsistema Energetico Sostenibile: un modello per l'integrazione di sistemi energetici attivi e passivi a livello urbano, Convegno Nazionale AEIT. Prospettive economiche e strategie industriali, Milano, Giugno 2011.

5 PARTE II: SISTEMI MOBILI Valutazione sperimentale di sistemi elettrochimici e supercondensatori Sono proseguite attività sperimentali di valutazione delle prestazioni e modellazione di accumulatori elettrochimici ed elettrostatici, con particolare riferimento a batterie al Litio, di varie famiglie (Nickel-Manganese Cobalto e Ferro fosforo). Un analisi delle prestazioni di queste batterie con riferimento all utilizzo in veicoli ibridi è riportata nell articolo [II.7]. Per quanto riguarda l analisi del funzionamento dei supercondensatori come sistemi di accumulo dell energia è stato prodotto il lavoro [II.9] Le attività da lungo tempo svolte dall unità nel settore dei veicoli a propulsione ibrida ha trovato riscontro anche nei tre capitoli del volume pubblicato dall ENEA Sistemi di propulsione elettrica ed ibrida [II.2-II.4] Sistemi Elettrici di Bordo e veicoli a propulsione ibrida Nel corso del biennio in esame è proseguita la ricerca iniziata nel precedente biennio dal titolo Filiera Idrogeno. Essa prende in considerazione tutto il complesso di attività relative all utilizzazione dell idrogeno come vettore energetico, dalla produzione all utilizzazione finale pas sando per stoccaggio, trasporto e distribuzione, nonché per le tematiche di sicurezza connesse all uso di questo gas altamente infiammabile. Questa ricerca viene svolta in collaborazione da Università di Pisa e Scuola Superiore di Studi Universitari S. Ann a. All interno del progetto Filiera idrogeno l unità di Pisa, oltre a importanti funzioni di coordinamento generale, ha svolto attività di ricerca specifiche che perseguono i seguenti obiettivi: o realizzazione di un piccolo veicolo per trasporto merci di ambito urbano, con architettura propulsiva ibrida e generazione elettrica con fuel cells ad alimentazione ad idrogeno, e l effettuazione della relativa sperimentazione al banco e su strada; o realizzazione di un sistema di alimentazione elettrica dei carichi ausiliari navali con sistema ad idrogeno in fuel cells e l effettuazione della relativa sperimentazione a bordo. Queste attività hanno portato alla pubblicazione degli articoli [II.5], [II.6], [II.8]. Bibliografia [II.1] D. Poli, A. Di Donato, G. Lutzemberger, Experiences in modelling and simulation of hydrogen fuel-cell based propulsion systems, 9th International Conference on Engines & Vehicles ICE2009, Capri Settembre [II.2] M. Ceraolo: "Strategie di gestione energetica dei veicoli ibridi", articolo pubblicato nel volume "Sistemi di Propulsione Elettrica ed Ibrida", ISBN , Novembre [II.3] M. Ceraolo: "Sistemi con trasmissione a rotismo epicicloidale", articolo pubblicato nel volume "Sistemi di Propulsione Elettrica ed Ibrida", ISBN , Novembre [II.4] L. Carmignani, M. Ceraolo: "Scooter ibrido parallelo 'Hyscooter-hys'", articolo pubblicato nel volume "Sistemi di Propulsione Elettrica ed Ibrida", ISBN , Novembre [II.5] M. Ceraolo, M. Cellini, G. Lutzemberger, F. Papini, L. Sani: "Il progetto Filiera idrogeno: sviluppo di un minivan ibrido serie a celle a combustibile" - 21 Seminario interattivo ANAE "Azionamenti elettrici: Evoluzione tecnologica e problematiche emergenti" marzo 2010 Bressanone (BZ) [II.6] M. Ceraolo, G. Lutzemberger, N. Doveri: Experiences of realisation and test of a fuel-cell based vehicle", International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, SPEEDAM 2010, Pisa Italy June 2010.

6 [II.7] M. Ceraolo, G. Lutzemberger, M. Marracci: "High power lithium batteries usage in hybrid vehicles", Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2010, IEEE Lille (France) 1-3 Sept. 2010, ISBN [II.8] M. Ceraolo, G. Lutzemberger, F. Papini, L. Sani: "Il progetto Filiera Idrogeno: sviluppo di un mini-van ibridoserie a celle a combustibile", Ingegneria dell'autoveicolo, Vol. 63, N. 9/10, Settembre/Ottobre [II.9] S. Barsali, M. Ceraolo, M. Marracci, B. Tellini Frequency Dependent Parameter Model of Supercapacitor Measurement Vol 43, Issue 10, December 2010, pages (ISSN ).