Relazione scientifica Info. Università Università degli Studi di Padova Dipartimento Indirizzo

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1 Unità di PADOVA Info Università Università degli Studi di Padova Dipartimento Indirizzo Dipartimento di Ingegneria Industriale Via Gradenigo, 6/a Padova Sito Responsabile di Unità Roberto Caldon Responsabile web Fabio Bignucolo Composizione Cognome Ruolo Benato Roberto Professore Associato Bignucolo Fabio Ricercatore CALDON Roberto Professore Ordinario Coppo Massimiliano Dottorando Dambone Sessa Sebastian Dottorando Raciti Antonino Assegnista/contrattista Sgarbossa Riccardo Dottorando Turri Roberto Professore Associato

2 Temi di ricerca Distribuzione e Smart Grid Gestione delle reti di distribuzione in presenza di generazione distribuita Si sta studiando una strategia di controllo distribuito che ottimizza la gestione degli impianti di generazione al fine di incrementare le loro connettività alle reti di distribuzione e la fornitura di alcuni Servizi Ancillari. L approccio più promettente è mutuato dall architettura delle reti informatiche orientato alla comunicazione di segnali per il coinvolgimento di utenti attivi nella regolazione di rete. Questo tipo di strategia mira a una gestione delle risorse distribuite attraverso un meccanismo di libera partecipazione ai servizi di rete, simulando un sistema elettrico sempre più affine al paradigma della smart-grid. L algoritmo è basato sulla scomposizione del sistema elettrico in aree di regolazione in cui vengono raggruppati i nodi tra loro elettricamente vicini e con simili condizioni operative, procedendo poi alla richiesta di regolazione di potenza, reattiva ed eventualmente attiva attraverso dei segnali inviati in successione agli utenti attivi partecipanti nella stessa area fino al raggiungimento degli obiettivi tecnici fissati. In questo modo, il raggiungimento degli obiettivi tecnici non è garantito da un dispacciamento delle condizioni di esercizio delle utenze finali, ma è subordinato alla disponibilità di queste ultime alla fornitura di servizi di rete in relazione a vincoli di tipo tecnico ed economico, al fine di ottenere uno schema di regolazione più flessibile e in grado di aumentare l hosting capacity delle reti di distribuzione MT e BT. Distribuzione e Smart Grid Analisi delle reti di distribuzione in bassa tensione e proposte di regolazione L attività di ricerca relativa allo studio delle reti di bassa tensione si sta rivelando di sempre maggior interesse scientifico vista la crescente penetrazione di GD nelle reti di bassa tensione. I problemi dal punto di vista della gestione sono ulteriormente aumentati vista la natura asimmetrica delle linee in esse presenti e lo squilibrio nelle potenze di fase che possono portare all incremento dello squilibrio di tensione riducendo la qualità del servizio e potenzialmente trasmettendo questo squilibrio alla rete MT. In particolare su quest ultimo aspetto si è basata l attività svolta, che ha cercato di affrontare il problema dello squilibrio delle potenze di fase, da cui deriva uno squilibrio nelle tensioni del sistema BT, attraverso uno schema di controllo coordinato degli inverter che interfacciano le risorse distribuite, siano essi trifase o monofase. Allo scopo si è implementato un agile algoritmo in grado di valutare i contributi di potenza necessari in ciascuna fase al fine di compensare lo squilibrio. Successivamente i contributi vengono richiesti attraverso un sistema di comunicazione alle risorse distribuite, ottenendo una partecipazione coordinata degli utenti attivi. E prevista l applicazione a più livelli di tensione estendendo i principi sviluppati nella gestione della rete di media tensione analizzando l interazione tra i due sistemi, includendo possibili azioni Distribuzione e Smart Grid Studio del fenomeno dell isola indesiderata in reti attive di distribuzione Obiettivo dello studio è l analisi del comportamento della rete elettrica in presenza di una larga penetrazione di inverter per applicazioni fotovoltaiche, in particolare le interazioni tra sistemi di protezione di rete e inverter e l analisi del funzionamento in isola per perdita di rete. Lo scopo principale è quello di avere una comprensione approfondita dei principali fenomeni in presenza di sorgenti fotovoltaiche ed identificare i fattori che maggiormente influenzano il fenomeno dell isola non intenzionale. L attività è articolata in: 1) sviluppo di un modello di inverter tipico per applicazioni fotovoltaiche, sia nel dominio del tempo (Simulink) che nel dominio delle frequenze (DigSilent); 2) sviluppo di modelli di generatore sincrono, carico dinamico, protezioni di interfaccia e schemi di protezione; 3) modellizzazione di una rete in BT e definizione di differenti scenari di carico/generazione; 4) sviluppo di una metodologia di analisi statica per identificare le regioni di squilibrio di potenza attiva e di potenza reattiva che possono generare l isola indesiderata; 5) analisi delle perite di rete conseguenti a differenti criteri di regolazione del comportamento reattivo degli utenti connessi; 6) sviluppo di una metodologia per lo sviluppo di modelli equivalenti di reti attive e passive, da applicare nell analisi di reti elettriche di distribuzione di bassa tensione, in base sia alla conoscenza dei singoli componenti che su misure.

3 Distribuzione e Smart Grid Sviluppo di sistemi di accumulo per applicazioni grid-connected e stand-alone Sono state analizzate le potenzialità introdotte nelle reti attive di distribuzione dalla connessione di elementi di accumulo, in funzionamento grid-connected e stand-alone/micro-grids. È stato sviluppato a livello concettuale e progettuale un impianto di accumulo prototipale basato sulla tecnologia NaNiCl2, testato in funzionamento grid-connected in abbinamento a utenti elettrici attivi e passivi per l erogazione di servizi ancillari di rete. È stata indagata la possibilità di adottare sistemi di accumulo finalizzati al contenimento degli oneri di sbilanciamento, in abbinamento ad impianti di generazione a fonte rinnovabile aleatoria. Sono state sviluppate le metodologie di dimensionamento e gestione, considerando i vincoli operativi di un sistema di accumulo e la regolamentazione corrente. È stata investigata la potenzialità dei sistemi di accumulo di incrementare il livello di autoconsumo dell energia prodotta localmente da impianti a fonte rinnovabile. In riferimento al funzionamento in isola, sia inteso come separazione intenzionale dalla rete sia nell ambito dei sistemi per l elettrificazione di utenze remote, sono state sviluppate delle logiche di controllo in grado di coordinare le risorse presenti in loco con il funzionamento ottimale di un sistema di accumulo in grado di garantire la stabilità della rete. Tali sistemi di controllo possono operare correttamente anche in assenza di comunicazioni reciproche tra i diversi impianti facenti parte del sistema isolato. Trasmissione e Super Grid Analisi multiconduttore di sistemi elettrici L analisi matriciale di sistemi multi conduttore, in grado di rappresentare opportunamente gli accoppiamenti induttivi e capacitivi tra tutti i conduttori (attivi e passivi) del sistema ha condotto alla risoluzione di diverse problematiche, quali: analisi dell'alimentazione di lampade a scarica installate nella sommità dei tralicci a scopo di segnalazione, alimentate per accoppiamento capacitivo; analisi di "sovrappassi" di linee elettriche aeree su impianti a fune, con valutazione delle sollecitazioni termiche dovute a elevate correnti di corto circuito provocato dalla caduta o dall'abbassamento accidentale di un conduttore elettrico sulla fune funiviaria; analisi del regime elettrico (e di corto circuito) di linee in cavo strutturalmente dissimmetriche con qualsiasi modalità di messa a terra degli schermi (cross-bonding, single-point bonding, solid bonding o combinazioni di queste), considerando l eventuale presenza di conduttori passivi (interferiti) o l armatura di un eventuale tunnel; analisi del regime elettrico di linee aeree in doppia terna (o terne multiple) strutturalmente dissimmetriche con qualsiasi modalità di esercizio dei singoli conduttori (energizzati, isolati, messi a terra) e delle funi di guardia, per la valutazione delle tensioni e correnti indotte. Trasmissione e Super Grid Analisi delle problematiche connesse all installazione di collegamenti in cavo che interessano infrastrutture viarie La razionalizzazione delle risorse del territorio induce a considerare con attenzione le possibilità offerte da infrastrutture stradali o ferroviarie (esistenti o in progetto) per l'installazione, al loro interno, di linee innovative in cavo. Tale sinergia "trasporto - trasmissione dell'energia elettrica" offre l'opportunità di sfruttare le sinergie di molteplici utilizzazioni nello stesso spazio limitato, ma, allo stesso tempo, pone questioni che debbono essere adeguatamente affrontate e risolte nella prospettiva di un esercizio affidabile, efficiente e sicuro degli impianti operanti all'interno della comune struttura. La ricerca ha preso in esame tutte le tecnologie in cavo, sia quelle in corrente alternata sia quelle in corrente continua. Per completezza si sono considerati anche gli elettrodotti blindati, sebbene abbiano una minore maturità tecnologica. Gli aspetti analizzati hanno riguardato i problemi di compatibilità geometrica linea in cavo infrastruttura, i campi e le interferenze elettromagnetiche, l effetto esterno di un possibile corto circuito fase-schermo all'interno dell'infrastruttura, l affidabilità dell'approccio sinergico cavi-strutture, il monitoraggio in tempo reale delle linee di potenza all'interno dell'infrastruttura.

4 Trasmissione e Super Grid Accumulo elettrochimico stazionario sulla rete di trasmissione Negli ultimi anni si è assistito ad un imponente aumento di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile. La repentinità con cui si è verificato tale fenomeno ha comportato una difficoltà di adattamento della rete elettrica italiana. Il principale elemento di criticità risiede come noto nella natura randomica di produzione energetica caratteristica delle fonti rinnovabili e dalla loro ovvia non programmabilità. Un secondo aspetto, che incide in maniera significativa sui flussi di potenza, risiede nella localizzazione di tali impianti. Infatti essendo essi concentrati nella parte meridionale dell'italia, la trasmissione dell'energia da essi prodotta viene trasmessa da linee elettriche che nei punti più critici non risultano più sufficienti, causando sovraccarichi e imponendo forti investimenti di adeguamento della rete. L'introduzione di sistemi di accumulo elettrochimico stazionario rappresenta un supporto efficace per affrontare le problematiche brevemente summenzionate. Il gruppo di ricerca ha sviluppato vari studi di compatibilità ambientale della famiglia Na-beta (a cui appartengono sia la tecnologia sodio-zolfo sia quella di sodio-cloruro di nichel) per l'accumulo stazionario sulla rete di alta tensione italiana. Ha inoltre seguito tutte le fasi delle prime installazioni energy-intensive con tecnologia Na-S per un totale di potenza installata pari a 34,8 MW.

5 Progetti Progetto ATLANTIDE (Archivio TeLemAtico per il riferimento Nazionale di reti di Distribuzione Elettrica) Roberto Caldon MSE - Ministero per lo Sviluppo Economico Definizione dei riferimenti per le reti elettriche italiane di distribuzione. Analisi di scenari di medio e lungo periodo per tali sistemi (evoluzione della domanda elettrica e della penetrazione della GD). Realizzazione di un portale on-line per l archiviazione dei suddetti modelli e per la simulazione degli scenari e delle strategie di controllo (e.g. Distribution Management System). ENEL Ingegneria e Innovazione; UniCA; UniNAII. Sviluppo di logiche di controllo e gestione di sistemi di accumulo basati sulla tecnologia Na- NiCl2, operanti sia in regime grid connected che stand alone Fabio Bignucolo FIAMM SpA (VI) Sviluppo concettuale, supporto alla progettazione preliminare e di dettaglio, identificazione delle logiche operative e analisi di funzionamento del prototipo FIAMM Green Enegy Island con tecnologia nichel-cloruri metallici NaNiCl2. Sviluppo e supporto scientifico alla progettazione di un sistema in isola (stand-alone), preassemblato in container. Analisi di convenienza economica di un sistema di accumulo domestico abbinato a impianti di generazione a fonte rinnovabile fotovoltaica. Impianti di accumulo per applicazione grid-connected e stand alone Roberto Caldon SAET Padova Il progetto ha indagato le opportunità di integrazione nel sistema elettrico di sistemi di accumulo elettrochimico. Sono state analizzate le potenzialità di miglioramento del profilo di generazione di impianti a fonte rinnovabile aleatoria e intermittente. E stata analizzata la realizzabilità tecnico-economica di soluzioni ibride off-grid, con analisi di autosostenibilità energetica del sistema in relazione alle disponibilità energetiche locali.

6 Analisi di reti elettriche in presenza di larga penetrazione di inverter per applicazioni fotovoltaiche Roberto Turri ENEL Distribuzione L obiettivo principale della ricerca, svolta in collaborazione con il DTG dell Università di Padova e il CESI, è l analisi del comportamento della rete elettrica in presenza di una larga penetrazione di inverter per applicazioni fotovoltaiche. Di particolare interesse sono le possibili interazioni tra sistemi di protezione di rete e inverter con differente tipologia di controllo e l analisi del funzionamento in isola per perdita di rete. Studio del comportamento dinamico e soluzioni migliorative di reti elettriche di distribuzione in presenza di generazione distribuita e sorgenti da fonte rinnovabile Roberto Turri ENEL Distribuzione L obiettivo principale dello studio è l analisi del comportamento della rete elettrica in presenza di una larga penetrazione di generazione distribuita di tipo statico e rotante, con riferimento alle evoluzioni delle regole di connessione sia a livello nazionale che internazionale e in coordinamento con le attività di tipo sperimentale e modellistico svolte dal DTG dell Università di Padova. Sistemi di accumulo elettrochimico dell'energia elettrica sulla rete AT: analisi dei rischi e delle normative ambientali vigenti per l'installazione della tecnologia Roberto Benato TERNA PLUS L installazione di accumulo elettrochimico stazionario sui nodi della rete di trasmissione in alta tensione prevede l'utilizzo di celle secondarie ad alta temperatura sodio-zolfo (famiglia Na-beta). È stata approfondita la verifica della compatibilità tecnica, normativa e ambientale delle succitate celle secondarie per installazioni di tipo "energy intensive" sulla rete italiana di AT (chimica, elettrotecnica, comportamento al fuoco, analisi del rischio e analisi della normativa).

7 Sistemi di accumulo elettrochimico stazionario dell'energia elettrica sulla rete AT italiana con tecnologia Sonick della FIAMM SONICK Roberto Benato FIAMM ESS SpA Il progetto di ricerca ha mostrato come le caratteristiche elettriche degli accumulatori con tecnologia sodio-cloruro di nichel e le scelte impiantistiche delle unità di accumulo assicurino alti valori di energia specifica volumetrica e ponderale. Inoltre sono stati approfonditi gli aspetti legati alla sicurezza intrinseca della tecnologia in relazione ai vincoli di installazione degli impianti di accumulo elettrochimico stazionario. Studio e Analisi di un Cavo Tripolare in Corrente Alternata per la Trasmissione dell'energia Elettrica Roberto Benato PRYSMIAN POWER LINK Finalità del contratto è la definizione e la documentazione di una metodologia per l analisi elettromagnetica mediante modelli FEM 3D di cavi tripolari di alta tensione per la trasmissione di corrente alternata con armatura a fili per mezzo del software commerciale FLUX. La metodologia sarà validata per mezzo dei risultati di misure di laboratorio forniti da Prysmian. L attività di simulazione prevede l analisi di un cavo tripolare armato di riferimento e di un certo numero di sue varianti. Sviluppo e diffusione della tecnologia FIAMM SODIO-CLORURO DI NICHEL applicata all'accumulo stazionario Roberto Benato FIAMM Sonick In questo contratto di ricerca è stato ideato e costruito un modello di una cella elettrochimica Na-NiCl2, di un modulo costituito da più celle in serie con BMS e un'unità costituita da più moduli in parallelo. Il modello è interamente basato su dati sperimentali. Le attività svolte sono state: a) raccolta dati e riorganizzazione degli stessi; b) impostazione base di un modello di n batterie; c) modello in regime stazionario del sistema batterie e del sistema di conversione.

8 Studio di configurazione ottimale di bobine di sbarramento per onde convogliate su linee in AT Roberto Caldon Bertel SpA Si tratta di cercare la configurazione geometrica migliore di un sistema di piattine di alluminio in parallelo (per lo sbarramento di onde convogliate), capace di ripartire equamente l'elevata corrente di linea presentando complessivamente uno stabilito valore di induttanza.

9 Laboratori Laboratorio Simulazione Sistemi Elettrici Le attività del laboratorio sono principalmente costituite da simulazioni di sistemi elettrici di potenza, in differenti ambienti di simulazione, tra cui: DigSilent Power Factory, Neplan, PowerWorld, EMTP-RV, PSCAD, Matlab Power Block-Set. Laboratorio Power Quality Il laboratorio sviluppa misure e analisi basandosi sulle apparecchiature per prove sperimentali disponibili, tra cui: generatore di forme d onda tipo California Instruments Mod per transitori V-f.

10 Didattica Corso CFU CdL Impianti elettrici di bordo 6 Ingegneria Aerospaziale Impianti elettrici Progettazione di sistemi elettrici industriali Sistemi elettrici per i trasporti Sistemi Elettrici per l'energia Impianti elettrici Impianti di produzione dell'energia elettrica Ingegneria dell'energia Magistrale in Ingegneria dell'energia elettrica Magistrale in Ingegneria dell'energia Elettrica Magistrale in Ingegneria dell'energia elettrica Triennale in Ingegneria dell'energia Magistrale di Ingegneria dell'energia Elettrica Sitemi elettrici per l'energia 9 Magistrale in Ingegneria Energetica