Applicazione degli accumuli nelle reti in bassa tensione

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Monica Lelli
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1 Scuola Estiva sull energia «Giacomo Ciamician» Sesto Pusteria, 24/06/2014 Applicazione degli accumuli nelle reti in bassa tensione Enrico Tironi Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria Politecnico di Milano

reti in bassa tensione Enrico Tironi Dipartimento di

densità di potenza efficienza (round-trip efficiency) vita attesa (in termini

2 Gli accumuli di energia elettrica Parametri e caratteristiche Parametri fondamentali: energia specifica e densità di energia potenza specifica e densità di potenza efficienza (round-trip efficiency) vita attesa (in termini di numero di cicli in funzione della profondità di scarica) profondità di scarica massima 2

3 Gli accumuli di energia elettrica Parametri e caratteristiche Batterie al piombo Batterie al litio - ioni Supercondensatori Volani Energia specifica [Wh/kg] Potenza specifica [W/kg] Cicli di vita years Può essere utile pensare ad una combinazione di tecnologie diverse. 3

[W/kg] 30-50 90-190 2-5 10-50 10-100 200-800 100-4 000 500 3 000 Cicli di vita 200-300

4 peak shaving time shift Gli accumuli possono contribuire a spostare e/o livellare la domanda di energia elettrica rendendola, in qualche modo, asincrona rispetto alla produzione. È possibile distinguere due tipologie di applicazione: in potenza in energia. Il peak shaving (in potenza) ha il beneficio di ridurre il costo dei componenti (dimensionamento, potenza impegnata inferiore) e di aumentare le ore di utilizzazione della potenza impegnata. Esempio: carichi pulsanti Il time shift (in energia) permette di sfruttare al meglio gli impianti di produzione da fonte rinnovabile. 4

Il peak shaving (in potenza) ha il beneficio di ridurre il costo dei componenti (dimensionamento, potenza impegnata inferiore) e di aumentare le

5 peak shaving esempio i AC [A] AC current (without flicker compensation) Time [s] AC current (with flicker compensation) Corrente assorbita dalla saldatrice in assenza di accumulo i AC v AC p 1 L p D 2 i L T v DC C output stage u on i AC [A] i ref Modulation Energy storage management p DC Time [s] Corrente assorbita dalla saldatrice con l inserimento di accumulo per la riduzione del flicker 5

1 L p D 2 i L T v DC C output stage u on i AC [A] 30 20 10 0-10 i ref Modulation Energy storage management p DC -20-30 -40-50

6 time shift esempio L autoconsumo è fondamentale per la giustificazione di impianti di produzione da fonte rinnovabile. Utenza domestica attiva : impianto fotovoltaico e auto elettrica L accumulo può sfruttare le differenze di prezzo durante la giornata I sistemi di accumulo possono essere caricati durante i periodi di produzione da fonte rinnovabile se tale energia non può essere totalmente consumata in loco 6

Utenza domestica attiva : impianto fotovoltaico e auto elettrica L accumulo può sfruttare le differenze

7 innalzamento del livello di guasto PROBLEMA: Ridotto livello di guasto della rete AC Possibile perdita di selettività del sistema di protezioni convenzionali di massima corrente INTRODUZIONE DI UN SISTEMA DI ACCUMULO DI ENERGIA PER INNALZARE TRANSITORIAMENTE IL LIVELLO DI GUASTO Nessuna modifica del sistema convenzionale di protezione della rete Nessuna esigenza di comunicazione tra i vari dispositivi di protezione 7

ACCUMULO DI ENERGIA PER INNALZARE TRANSITORIAMENTE IL LIVELLO DI GUASTO Nessuna modifica del sistema

8 innalzamento del livello di guasto Logica di controllo in corrente Tensione di rete Corrente erogata dal PEC (Power Electronic Converter) principale e dalla batteria Guasto a t=0,1 [s] sul Carico 1 Corrente erogata dal PEC principale e dalla batteria La protezione di massima corrente apre dopo 60 [ms] dalla rilevazione del guasto La corrente di intervento delle protezioni è tre volte la corrente nominale del carico 8

erogata dal PEC principale e dalla batteria La protezione di massima corrente apre dopo 60 [ms] dalla

9 innalzamento del livello di guasto Soluzioni alternative Sovradimensionamento del PEC di alimentazione principale: Utilizzo di più PEC di alimentazione in parallelo con sistema di accumulo: main PEC DC AC PEC 1 PEC 2 PEC 3 PEC n ESS DC AC DC AC DC AC DC AC 5 Load 1 Load 2 Load 3 Load n Main PEC sovradimensionato Load 1 Load 2 Load 3 Load n Possibile funzionamento del PEC con rendimenti di conversione non ottimali La rete a monte deve supportare l eventuale incremento della potenza di c.to c.to durante un guasto su un carico Sistema di accumulo di dimensioni ridotte PEC accumulo non necessario Migliore suddivisione del carico tra i PEC di alimentazione (rendimenti di conversione elevati) 9

Possibile funzionamento del PEC con rendimenti di conversione non ottimali La rete a monte deve supportare l eventuale incremento della potenza di c.to c.

10 efficienza energetica Gli accumuli di energia elettrica possono contribuire a migliorare l efficienza di sistemi con azionamenti. Si possono evidenziare due tipologie principali di vantaggi: Vantaggi sul dimensionamento Vantaggi energetici Possibilità di modulazione Recupero di energia in azionamenti 10

Si possono evidenziare due tipologie principali di vantaggi: Vantaggi sul

11 efficienza energetica recupero in frenatura Ulteriori vantaggi: Ottimizzazione dimensionamento Più azionamenti in parallelo 11

12 Test facility presso RSE DC smart grid Convertitore di interfaccia AC/DC (100 kw) Inverter trifase basato su IGBT che gestisce gli scambi tra la rete in continua e la rete in alternata Sistema di accumulo: 2 batterie Zebra (32 kw, 64 Ah, 279 V) 2 moduli supercap (384 V, 30 kw, 120 kj) Simulatore PV (50 kw) Carico programmabile (2 x 30 kw minimo step 1 kw) 12

in alternata Sistema di accumulo: 2 batterie Zebra (32 kw, 64 Ah, 279 V) 2 moduli

13 Test facility presso RSE DC smart grid (power quality) Interruzione dell alimentazione principale con carico variabile: andamento dei contributi del sistema di accumulo ibrido 13

14 Test facility presso RSE DC smart grid (power quality) Interruzione dell alimentazione principale con carico variabile: andamento dei contributi del sistema di accumulo ibrido Alta qualità della tensione 14

con carico variabile: andamento dei contributi del

15 Test facility presso RSE DC smart grid (peak shaving) Carichi pulsanti in assenza della rete peak shaving per livellare la potenza prelevata dal carico 15

16 Gli accumuli di energia elettrica Criteri di dimensionamento Energia utilizzabile Specific Energy (pu) Specific Power (pu) Cycle Life (pu) Vita attesa DoD (%) Rendimento 1 Efficinecy Specific Power (pu) 16

17 Breve richiamo sugli accumuli Analisi dei costi Storage Device Interface Converter Sistema di accumulo External System Tot Storage Cost N sostituzioni ( 1+ cr) ( 1+ d ) Vita attesa del sistema (anni) n l r k l plant 1 storage = Storage Cost + k lstorage k = 0 r j= 0 Energy Cost j ( 1+ cr) ( 1+ d ) j r Dimensione dell accumulo Vita utile Costi di manutenzione c r e d r sono rispettivamente l inflazione e il costo del denaro l storage : durata (in anni) dell accumulo Energia scambiata Rendimento del sistema Numero di cicli Costi addizionali Sistema di gestione e monitoraggio Convertitore di interfaccia Manutenzione 17

Dimensione dell accumulo Vita utile Costi di manutenzione c r e d r sono rispettivamente l inflazione e il costo del denaro l storage : durata (in anni)

18 Scuola Estiva sull energia «Giacomo Ciamician» Sesto Pusteria, 24/06/2014 Applicazione degli accumuli nelle reti in bassa tensione GRAZIE PER L ATTENZIONE

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