Veronafiere 18 ottobre Gli atti dei convegni e più di contenuti su

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1 Veronafiere 18 ottobre 2017 Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 SMART GRID Garanzia della qualità e della continuità dell energia elettrica negli impianti industriali tramite la tecnologia rotante con flywheels applicata alla cogenerazione Ing. Lanfranco Pedrotti Amministratore Delegato Piller Italia srl Verona 18/10/2017

3 Agenda Chi siamo Perchè preoccuparsi della Power Quality Cosa è un UPS rotante con flywheel La tecnologia rotante applicata alla cogenerazione Dimensionamento UPS rotante per stabilizzare la rete in isola Case study Conclusioni

4 Chi siamo Azienda tedesca fondata nel 1909 Due stabilimenti: Osterode / Bilshausen Germania >800 dipendenti nel mondo Supporto al cliente tramite filiali per ingegneria, vendita e service Unica azienda al mondo che progetta/produce UPS rotanti, statici e accumulatori di energia cinetica (flywheel) Nel 2016 Piller ha acquisito Active Power Inc Leader di mercato accumulatori cinetici 3

5 Chi siamo PRODOTTI Gruppi rotanti di continuità fino a 2500 kva ogni singola unità Gruppi statici di continuità Commutatori statici Regolatori di tensione per le linee di distribuzione (RTL) Sistemi di alimentazione aeroportuali 50/400 Hz Convertitori di frequenza 50/60 Hz Sistemi di alimentazione per applicazioni militari

6 Chi siamo SERVIZI Studi di fattibilità Supporto tecnico Posa in opera Commissioning/training operatore Prove di funzionamento Manutenzione e riparazione Diagnosi e ricerca guasti Diagnostica e supporti remoti Noleggio UPS rotanti e banchi di carico

7 Perché preoccuparsi della Power Quality? Passato Presente Futuro Generazione concentrata Fonti tradizionali programmabili Utenza passiva Generazione distribuita Fonti rinnovabili non programmabili Utenza semi passiva Generazione distribuita Fonti rinnovabili non program. Utenza attiva Accumuli, Emobility, Microreti Da un sistema semplice. ad uno complesso o Smart!

8 Norme e delibere CAUSE anomalie Dipendenti dal distributore Dipendenti dal cliente Indipendenti Continuità del servizio (Delibera AEEGSI 646/15) Qualità Tecnica Qualità Tensione Forma d onda (Norma CEI EN 50160) EFFETTI anomalie Danno apparecchiature Costi di ripristino Prodotto/servizio non conforme Mancata produzione/ penali ritardata consegna

9 Generazione Vs Utilizzazione Generazione: Utilizzazione POWER QUALITY Rinnovabile Industry 4.0 8

10 Perché preoccuparsi della Power Quality? Dall avvio del mercato elettrico, nel 2004, il mix del parco di generazione è radicalmente cambiato. La capacità totale installata delle rinnovabili non programmabili nel 2015 è aumentata del 33% vs. il La produzione di energia prodotta dalle rinnovabili è cresciuta fino al 40% del totale. Si è ridotta sensibilmente anche la Potenza di Cto Cto della Rete, da una parte causata dalla generazione tramite inverter con il fotovoltaico/eolico e lo spegnimento di molte centrali tradizionali, dall altra a causa della riduzione del carico di tipo industriale, ossia di una riserva rotante garantita dai motori elettrici installati nei processi industriali.

11 Buchi di tensione L origine dei buchi di tensione è dovuta ai seguenti fenomeni: In Alta Tensione (AT) le cause sono associate alla meteorologia (fulmini, vento, ghiaccio), all esercizio, ad errori umani e altre cause (incendi, piante, etc.). In MediaTensione(MT)dai buchi provenienti dall AT e da fenomeni associati alle sovracorrenti, come i corto circuiti, le correnti di inserzione di trasformatori o condensatori, le correnti di spunto dei motori e ai carichi non lineari. Statisticamente il numero dei buchi prodotti in AT è circa il 30%, mentre quelli prodotti in MT è circa il 70%. In aggiunta a quanto sopra la rete di trasmissione e di distribuzione in Italia in questi ultimi anni 10 ha ridotto sensibilmente la propria Potenza di Cto Cto, da una parte causata dalla generazione tramite inverter con il fotovoltaico/eolico e lo spegnimento di molte centrali tradizionali, dall altra a causa della riduzione del carico di tipo industriale,ossiadiunariservarotantegarantitadaimotori elettrici installati nei processi industriali. 10

12 Utilizzazione ITIC/CBEMA SEMI F47

13 Utilizzazione Classificazione dei buchi di tensione secondo la Norma Europea EN50160 In VERDE i buchi di tensione sopportabili da apparecchiature di classe 2 e 3 In ROSSO i buchi di tensione sopportabili solo da apparecchiature di classe 3 (IEC e 34)

14 Monitoraggio delle anomalie di tensione web.it 13

15 Costi dovuti alle microinterruzioni ll termine microinterruzioni individua: buchi di tensione + interruzioni transitorie Nel 2006 l Autorità ha commissionato al Dipartimento di Ingegnera Gestionale del Politecnico di Milano un indagine sui costi delle microinterruzioni per l economia italiana: costi diretti dei settori osservati 274 M /anno costi indiretti 197 M /anno settori non osservati (stima) 315 M /anno CostototaleperilpaeseItalia: 786M /anno Quantificare i costi dovuti alle anomalie di rete significa valutare: danni alle apparecchiature(costi per sostituzione, pezzi di ricambio, etc.) costi di ripristino (ore uomo, strumenti, materiali, etc), prodotto/servizio non conforme (costi di rilavorazione, scarti, etc.) mancata produzione (minor profitto, danni di immagine, etc.)

16 Cosa è un UPS Rete Statico: inverter alimenta il carico Batteria stazionaria: energia chimica Filtra le anomalie e regola la tensione Modulo UPS Accumulo energia Supera le interruzioni e regola la frequenza Carico Rotante: macchina sincrona al carico Volano: energia meccanica 15

17 Cosa è un UPS rotante con flywheel Reattanza P Flywheel POWERBRIDGE Q Moto-generatore UNIBLOCK COMPONENTI PRINCIPALI : Moto-generatore UNIBLOCK regola la tensione (V Q kvar ) La reattanza disaccoppia la rete dal carico (filtro) Flywheel POWERBRIDGE ad asse verticale regola la frequenza (f P - kw)

18 UNIBLOCK: moto-generatore sincrono Cuore del Sistema Cosa è UNIBLOCK: Macchina sincrona trifase con doppio avvolgimento statorico

19 UNIBLOCK: moto-generatore sincrono Motore Generatore Tecnologia standard fino agli anni 80 Motore di lancio Avvolgimento motore Avvolgimento generatore Ventola Macchina compatta mono-motore progettata da Anton Piller nel 1981 Eccitatrice Unica macchina elettrica estremamente affidabile comprendente motore e generatore Raddrizzatore rotante

20 UNIBLOCK: moto-generatore sincrono Eccitazione Brushless Ventola Cuscinetto portante Rotore comune con avvolgimento smorzatore Avvolgimenti motore e generatore in un unico statore Pony Motor Cuscinetto di guida Disposizione verticale per un minore carico sui cuscinetti

21 UNIBLOCK: moto-generatore sincrono P (kw) Ø A (kva) Curva capability P vs Q Q (kvar) Capacitivo Induttivo

22 REATTANZA: magic-choke CHOKE M V M Rete Ingresso: Livello di tensione: +/- 10% permanente - 20% per 10 minuti - 50% fino a -100% per 200 ms Riduzione armoniche da rete: 99% Corrente di corto verso rete: 2 x In Lg = M = L1*L2 50% 1% L1 7% M G Lg UNIBLOCK L2 Carico V L Uscita: Livello di tensione: - precisione: +/- 1% permanente - fattore di cresta: illimitato Riduzione armoniche da carico: 99% Corrente di corto verso carico: - 14 x In - 3 x In fino a 5 s

23 POWERBRIDGE: accumulatore cinetico Cuscinetto superiore Magnete di trazione Eccitazione brushless Macchina sincrona principale Volano Cuscinetto inferiore

24 POWERBRIDGE: accumulatore cinetico Curve autonomia Vs carico

25 UNIBLOCK UBT+ con POWERBRIDGE Powerbridge Convertitore di frequenza Uniblock Pannello comandi Interruttori rete uscita e bypass

26 UNIBLOCK UBT+ con POWERBRIDGE 25

27 UNIBLOCK UBT+ con POWERBRIDGE 26

28 UNIBLOCK UBT+ con POWERBRIDGE 27

29 UNIBLOCK UBT+ con POWERBRIDGE 28

30 UNIBLOCK UBT+ con POWERBRIDGE MT 29

31 UNIBLOCK UBT+ con POWERBRIDGE MT 30

32 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Eolico Solare Rete TM UNIBLOCK UBT+ Carico Cogenerazione/Gruppi elettrogeni

33 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola PROBLEMA Negli impianti di cogenerazione, a causa della lenta dinamica dei motori a gas, si possono verificare delle instabilità di frequenza e tensione, che portano al blocco dell impianto, durante le seguenti condizioni: A) Perdita della rete: in caso di cessione di energia in rete B) Perdita della rete: in caso di assorbimento di energia dalla rete C) Funzionamento in isola: in caso di elevate variazioni di carico SOLUZIONE Il sistema Piller UBT PCD (Power Conditioning Device), oltre a proteggere l impianto, ha la funzione di stabilizzare la frequenza negli impianti di cogenerazione durante il funzionamneto in isola. Il gruppo rotante Piller UNIBLOCK UBT con accumulatore cinetico POWERBRIDGE è in grado di compensare variazioni di potenza positive o negative (ad es. esportazioni o importazioni di energia dalla rete o gradini di carico), svolgendo la funzione di polmone elettrico

34 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola CASO A) PERDITA DELLA RETE CON CESSIONE DI ENERGIA VERSO RETE

35 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola COG (Pcog) G (Pc) Rete (Ptr) V f Carico Pcog = Pc + Ptr V, f fissati dalla rete COG regola P e Q (cosfi)

36 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola COG (Pcog) G Rete (Pc) (Ptr) V f Pcog = Pc + Ptr Carico V f (?)

37 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog P (kw) Ptr V f Pc Rete Isola t (s)

38 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola COG (Pcog) G (Pc) Rete M G (Ptr) V, f Carico Polmone Elettrico (PCD) M Pcog = Pc + Ptr V, f = OK

39 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog Ptr P (kw) Energia accumulata dal PCD V f Pc Rete transitorio Isola t (s)

40 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola CASO B) PERDITA DELLA RETE CON ASSORBIMENTO DI ENERGIA DALLA RETE

41 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola COG (Pcog) G (Pc) Rete (Ptr) V f Carico Pc = Pcog + Ptr V, f fissati dalla rete COG regola P e Q (cosfi)

42 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola COG (Pcog) G Rete (Ptr) = 0 Pc > Pcog (Pc) V f Carico V f (?)

43 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pc1 P (kw) Stacco carichi Pcog Ptr V Pc2 f Rete transitorio Isola t (s)

44 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola COG (Pcog) Rete M G (Ptr) G V, f (Pc) Carico Polmone Elettrico (PCD) M Pc = Pcoge + Ptr V, f = OK

45 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog V f Pc P (kw) Ptr Stacco carichi Energia ceduta dal PCD Pc Rete transitorio Isola t (s)

46 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola CASO C) FUNZIONAMENTO IN ISOLA CON ELEVATE VARIAZIONI DEL CARICO

47 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola COG (Pcog) G (Pc) M G (Ptr) V, f Carico Polmone Elettrico (PCD) M Pcog = Pc + Ptr V, f = OK

48 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola P (kw) Pcog Energia in/out dal PCD Pc3 Pcog Pc1 V Pc2 f Isola t (s)

49 Dimensionamento del sistema PCD DATI PRINCIPALI Potenza del carico (kw) Potenza della cogenerazione (kw) Max gradino di potenza trasmessa in rete/ricevuta dalla rete (Pgap) Max gradino di potenza del carico in funzionamento in isola (Pgap) Gradiente minimo di salita/discesa della cogenerazione (kw/s) Pcog kw Pgap Energia accumulata dal PCD Gradiente Coge kw/s Pc t (s)

50 Dimensionamento del sistema PCD COGENERATORE: curva di capability in isola

51 Dimensionamento del sistema PCD COGENERATORE: classi con riferimento alla frequenza (senza PCD) ISO

52 Dimensionamento del sistema PCD COGENERATORE: classe con riferimento alla tensione (senza PCD) ISO

53 Dimensionamento del sistema PCD COGENERATORE: gradiente (kw/s) Dall esperienza: gradiente kw/s = 0,6% 1,2 % x Pn COGE

54 Dimensionamento del sistema PCD POLMONE ELETTRICO PCD Pgap (kw) Uniblock MJ = Pgap(kW) 2 (2 x kw/s cog x 1000) Powerbridge

55 Dimensionamento del sistema PCD PERFORMANCE UBT PCD + COGENERATORE Variazione di frequenza in isola: +/- 1% Hz Variazione di tensione in isola: +/- 1% +/- 10% Vn Rete TM UNIBLOCK UBT+ Carico Cogenerazione

56 Dimensionamento del sistema INTERFACCIA TRA POLMONE ELETTRICO UBT PCD E COGENERAZIONE Durante il funzionamento in isola, la regolazione di frequenza è effettuata dal UBT PCD e invia un segnale ma, proporzionale alla potenza immessa in rete dall UBT, al PLC di impianto, che ha il compito di azzerare tale potenza, pilotando la cogenerazione per far raggiungere l equilibrio tra potenza generata e quella consumata. UBT PCD PLC IMPIANTO Pg Cogenerazione Pc CARICO

57 Case study CASE STUDY AMD Dresda SINCROTRONE Trieste GAI Ceresole d Alba

58 Case study 1) AMD: industria produzione di semiconduttori Processo: produzione microprocessori Applicazione: generazione locale con connessione alla rete Generazione: cogenerazione a gas naturale in MT Problema: trasferimento dei disturbi dalla rete ai carichi critici; instabilità di frequenza e tensione dei motori a gas durante il transitorio rete-isola e l esercizio in isola Soluzione : 4 x UBT 1670 kva in MT con PowerBridge da 16MJ

59 Case study AMD è una multinazionale statunitense produttrice di semiconduttori. È leader mondiali nella produzione di microprocessori per il mercato consumer, workstation e server. L impianto di Dresda, ora ceduto a Global Foundries, produce circa wafer al mese

60 Case study Potenza richiesta dal carico 30 20kV Utilizzazione di 9 motori a gas da 4 MW a gas naturale; Possibilità di scambiare potenza con la rete fino a 5 MW in entrambi le direzioni

61 Case study 2) SINCROTRONE: centro di ricerca internazionale Processo: studio della luce Applicazione: generazione locale con connessione alla rete Generazione: trigenerazione a gas naturale in BT Problema: trasferimento dei disturbi dalla rete ai carichi critici; instabilità di frequenza e tensione dei motori a gas durante il transitorio rete-isola e l esercizio in isola Soluzione : 1 x UBT 1100 kva in BT con PowerBridge da 16MJ

62 Case study: Sincrotrone Elettra Sincrotrone Trieste è un centro di ricerca internazionale specializzato nello studio della luce. La sua missione è di promuovere la crescita culturale, sociale ed economica tramite la ricerca di base e applicata, il trasferimento tecnologico e della conoscenza, l'alta formazione tecnica, scientifica e gestionale, la creazione e il coordinamento di reti scientifiche nazionali e internazionali.

63 Case study: Sincrotrone La potenza del carico è di 1 MW Utilizzazione di 3 cogeneratori da 580 kw a gas naturale Il caldo/freddo prodotto è utilizzato dai laboratori Energia in eccesso va in rete Rete Carico UBT PCD

64 Case study Prove in campo Evento: mancanza rete 3xCOG (75%): 1305kW Carico: 600kW Export: 705kW Impianto Hz PB Hz

65 Case study 3) GAI: industria manifatturiera 4.0 Processo: produzione di macchine imbottigliatrici Applicazione: stabilità della frequenza e della tensione con la presenza di due cogeneratori e di un impianto FV Problema: garantire la continuità all intero stabilimento e il funzionamento in isola autoproducendo l energia tramite impianto fotovoltaico, cogenerazione, gruppo elettrogeno di emergenza; Soluzione : 1 x UBT+ 1500kW con 2 Powerbridge da 21 MJ

66 Case study La GAI nasce nel E leader nella produzione di macchine imbottigliatrici. Esporta in tutto il mondo e ha sede a Ceresola d Alba (CN) Il 93% dell energia viene autoprodotta, di cui il 50% con il fotovoltaico e il 43% con cogenerazione

67 Case study Impianto elettrico Carico: 1200 kw UPS Piller: 1500 kw con 2xPB21MJ Motore a gas Viessmann : 2 x 538 kw Motore a gas Viessmann: 1 x 236 kw Impianto FV: 2000 kw Genset Cummins: 1500 kw

68 Case study CARATTERISTICHE MACCHINA GAI 1.670kVA/1500kW POWERBRIDGE: 2 X 21MJ = 42MJ Powerbridge Convertitore di frequenza Uniblock

69 Case study

70 Case study Durante il funzionamento in isola, la regolazione di frequenza è effettuata dal UBT PCD e il PLC ALBASYSTEM ha il compito di far raggiungere l equilibrio tra potenza generata e quella consumata. UBT xPB21 MJ PLC ALBASYSTEM Pg Viessmann Cummins Fotovoltaico Pc CARICO GAI

71 Case study

72 Conclusioni I vantaggi degli UPS rotanti Piller sono: continuità elettrica di qualità, affidabile e robusta; funzionamento in isola con vari tipi di generazione tramite i flywheels assenza delle batterie sovraccaricabilità del 150% per 2 minuti; elevata corrente di corto circuito per garantire la selettività minimi costi di manutenzione

73 Grazie per la Vostra attenzione Piller Italia Srl V.le Colleoni Agrate Brianza (MB) Tel ; Fax italia@piller.com