Stato e prospettive dei sistemi di accumulo per impieghi i stazionari nella rete nazionale. Anna Carolina Tortora Maggio 2015

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1 Stato e prospettive dei sistemi di accumulo per impieghi i stazionari nella rete nazionale italiana Anna Carolina Tortora Maggio

2 Agenda Il contesto italiano la scelta dei sistemi di accumulo Applicazione dei Sistemi di Accumulo I progetti Terna Progetto Energy Intensive Progetto Power Intensive sperimentazione grid scale Progetto Power Intensive sperimentazione lab scale Analisi dei costi 2

3 The Italian Context - The Issues Il contesto italiano Cause Crisi economica e conseguente riduzione del carico ( 9% dei consumi da 330 TWh a 300 TWh) Politica di forte incentivazione degli impianti RES + attesa della grid parity Necessità di trovaresoluzioni dibreve termine Esempio: Trend di crescita delle RES nel sud Italia Effetti Rapida crescita degli impianti RES: incremento delle congestioni ( GWh tagliati) incremento di produzione da sistemi statici Impianti termici tradizionali al minimo tecnico: perdita di inerzia (specie sulle isole) perdita di potenza regolante Analisi Esempio: incremento percentuale dell uso della riserva terziaria a salire (con riferimento al 2010), with relative probability of purchased hours as caused by the renewable trend Mitigazioni Ottimizzare l integrazione delle RES ed incrementare la flessibilità della RTN (smart grid) Ridurre le congestioni ed evitare il taglio delle rinnovabili Garantire le disponibilitàibilità di potenza sul sistema Ottimizzare integrazione RES e ripristinare I margini di riserva Congestioni di rete Aree a bassa inerzia 3

4 The Italian Context - Solutions Tool Box Il contesto italiano - la scelta della soluzione Solutions Investment required M / MW Deployment time Years Benefits Critical points Demand measure Virtual Power Plant Distributed Demand Virtual Aggregator Highly variable: depends on number of players and complexity of aggregation N/A N/A High investment The Business model must be defined Several stakeholders involved Market yet to be developed Batteries <1 Very fast deployment time Emerging market High costs/additional incentives needed to break even Best Short Term Bet! Storage options Pumped hydro Mature technology Very long deployment time Capital expenses site dependent Few available sites CAES (traditional underground) Investment limited compared to other technologies Difficulties in finding adequate sites Long & complicated approval process Limited Applications (site dependant) Low round trip efficiencies Supply Infrastructure Development 0.2 0,315 >10 Cheaper investment Terna core business Very long deployment time Does not address all issues Source: Terna; McKinsey 4

5 Agenda Il contesto italiano la scelta dei sistemi di accumulo Applicazione dei Sistemi di Accumulo I progetti Terna Progetto Energy Intensive Progetto Power Intensive sperimentazione grid scale Progetto Power Intensive sperimentazione lab scale Analisi dei costi 5

6 Soluzione Selecting the vs Appropriate applicazione Technologies When it comes to Energy Storage there is no Best Technology, there are instead Best Solutions Solutions must be selected according to the desired applications Energy Supply Voltage Congestion Load Frequency Power Time shift Capacity Support Relief Following Regulation Quality Energy Intensive Energy Intensive Power Intensive Energy Intensive Energy Intensive Power Intensive Power Intensive for each identified set of applications there are many technologies to chose from. 6

7 Applicazioni: Risoluzione delle congestioni ENERGY INTENSIVE : 380 kv : 220 kv : 150 kv Interconnessione CSUD-SUD Dir.ce 150 kv FOG-DEL-ANR Direttrice con surplus di generazione Dir.ce 150 kv BR-BAO Tempo reale L integrazione degli SdA con il Piano di Difesa conduce ad un incremento di capacità di transito per far fronte a contingenze che possono verificarsi nella gestione della rete. Questa caratteristica migliora la sicurezza della rete sia in condizione di esercizio N che N-1 # : Contingenza # Da programma # : Sovraccarica : SdA Integrazione Dynamic Rating Gli SdA sono in grado di ripristinare il margine di capacità di transito fornita dal dynamic rating nel caso in cui quest ultimo violi le condizioni di esercizio N-1 Dir.ce 150 kv SCD-ROS I transiti interzonali di energia possono essere gestiti tramite l attivazione degli SdA. In questo modo è possibile risolvere sia le congestioni interzonali di mercato che le congestioni locali 7

8 Applicazioni: Reintegro della capacità di regolazione POWER INTENSIVE PRODUZIONE CONVENZIONALE FRNP SdA No regolazione primaria Regolazione primaria con banda di regolazione: ± 1,5% P eff (*) Riduzione potenza immessa con 50.3Hz<f<51.5Hz Regolazione primaria con banda di regolazione: ±100% P nominale dell impianto Possibilità di ovviare alla riduzione della capacità regolante causata dalla forte penetrazione degli impianti di generazione da FRNP * Potenza efficiente 8

9 Frequenza 50Hz Applicazioni: Performance nella regolazione Inerzia del sistema Regolazione primaria Tempo P (MW) P regolata 100% 50% POWER INTENSIVE 50% SdA 100% 100% Tempo (s) Disponibilità riserva primaria Sicilia: 160 MW Disponibilità riserva primaria Sardegna: 60 MW + BMI ( 80 MW) Termoelettrico SdA Regolazione primaria Banda di regolazione: ± 1,5% P eff Almeno metà entro 15 sec Tutta entro 30 sec Mantenimento per almeno 15 min Banda di regolazione: ± 100%P nom dell impianto Tutta entro 1 sec (regolazione ultrarapida) Eventuale sovraccaricabilità Inerzia del sistema Inerzia delle masse rotanti Effetto non regolabile (statismo) Inerzia sintetica Effetto regolabile 9

10 Agenda Il contesto italiano la scelta dei sistemi di accumulo Applicazione dei Sistemi di Accumulo I progetti Terna Progetto Energy Intensive Progetto Power Intensive sperimentazione grid scale Progetto Power Intensive sperimentazione lab scale Analisi dei costi 10

11 Solution Selection Process Collect all Issues Identify the Critical Ones Classify them by application Calibrate Investment Optimize the benefits Fast and massive Fast and massive growth of RES growth of RES Rise in congestionrelated curtailments (i.e. related curtailments Rise in congestion GWh lost) Rise in demand for nonspinning reserve Rise in demand for nonspinning reserve Traditional plants Energy Intensive: Marginal M i l use: Solutions that store Low CapEx,, lower large quantities of efficiency, high OpEx, energy for long periods Medium use: of time Medium to high Power Intensive: CapEx, average efficiency, low O&M; Continuative use: High CapEx, low O&M, High Efficiency, Traditional plants running at minimum load running at minimum load Loss of inertia in Solutions capable of Loss of inertia in smaller smaller insular manipulating large insular systems (i.e. systems (i.e. Sicily and amounts of power in Sicily and Sardinia) Sardinia) very short bursts of Loss of frequency Loss of frequency reserves reserves time high #cycles The benefits which can be collected through the usage of Storage Systems are varied and hardly cumulative A correct identification of the benefit function allows for the maximization of the Return of Investment Terna s Commitment to EESS Grid Development Plan Energy Intensive Grid Defense Plan Power Intensive 11

12 I progetti Terna PdS e PdD Funzionalità richieste Energy Intensive (130 MW) Piano di Sviluppo 2011 Riduzione congestioni locali su rete AT Aumento riserva primaria Aumento riserva terziaria Regolazione di tensione Power Intensive (40 MW) Piano di Difesa 2012 Fornire i servizi essenziali Regolazione di frequenza Regolazione di tensione Integrazione nei Sistemi di Controllo e Conduzione Power Quality Valutazione delle performance delle differenti soluzioni tecnologiche Sviluppo di un Sistema di Controllo avanzato per la gestione multitecnologica Caratteristiche tecniche Rapporto Energia/Potenza nominale 7 MWh/MW Efficienza AC roundtrip 75% Tempi di risposta immediati Regolazione ultra-rapida di frequenza Alto rapporto Potenza/Energia AC Roundtrip Efficiency i >85% 12

13 Progetti Storage di Terna Power Intensive Scopo: aumento della sicurezza del sistema Potenza totale: 40 MW Tecnologie: Li-Ion, Zebra, Flow, Supercaps Numero di siti: 2 Investimento: 93 mln; 2,3 mln/mw Fase I: 16 MW Storage Lab Codrongianos Potenza totale: 8 MW Status: in commissioning 8 MW Ciminna Potenza totale: 8 MW Status: in commissioning Energy Intensive Scopo : ridurre congestioni di rete Potenza totale: 35 MW Tecnologie: NaS Sodium Sulfur Numero di siti: 3 Investimento: 160 mln; 4,6 mln/mw Sito 1: Ginestra Potenza totale: 12 MW Status: commissioning Sito 2 Flumeri Potenza totale: 12 MW Status: commissioning Sito 3 Scampitella Potenza totale: 11 MW Status: in construction Fase II: 24 MW Casuzze e Codrongianos: da iniziare 13

14 Agenda Il contesto italiano la scelta dei sistemi di accumulo Applicazione dei Sistemi di Accumulo I progetti Terna Progetto Energy Intensive Progetto Power Intensive sperimentazione grid scale Progetto Power Intensive sperimentazione lab scale Analisi dei costi 14

15 Il progetto Energy Intensive Siti autorizzati Energy Intensive CAMPOBASSO IVPC VOLTURARA CERCEMAGGIORE EDENS VOLTURARA VOLTURARA MONTORSI IVPC ALBERONA Nel Sud Italia su direttrice 150 kv: Benevento 2 Celle San Vito 12 MW 12 MW FLABRUM WIND ENERGY EDENS ALBERONA ALBERONA IVPC POW3 FOIANO CASTELPAGANO FOIANO FOGGIA ROSETO IVPC4 ROSETO ASI T. FV IVPC EDENS C.S.V. TROIA FOIANO FEO FORTORE E. R. DAUNIA SEA EDENS S. FAETO MARGHERITA FOIANO GIORGIO L.M. COLLE SANNITA MONTEFALCONE EOS CELLE S.VITO FAETO FORTORE E. GINESTRA CER EOS4 F. CASTELF. IVPC4 C.S.V. GINESTRA DEGLI IVPC M. SCHIAVONI MARGHERITA F.. W.F.U. SAVIGNANO FS EDENS M. AVINO DAUNIA W. ECOENERGIA MONTELEONE DAUNIA CALVELLO SAVIGNANO IRP. ARIANO IRPINO Castelfranco in Miscano Decreto aut. 191/2013 del 22/08/2013 PRESENZANO BENEVENTO APICE FS BENEVENTO IND. GONGOLO NUOVA SE GONGOLO BENEVENTO 2 BENEVENTO FS FLUMERI VALLESACCARDA S. SOFIA AIROLA / MONTESERCHIO AVELLINO STURNO FOIANO MONTEFALCONE TROIA SAVIGNANO FS Nel Sud Italia su direttrice 150 kv: Benevento 2 Bisaccia ,8 MW 12 MW S. SOFIA DURAZZANO PRESENZANO BENEVENTO APICE FS BENEVENTO 2 BENEVENTO IND. BENEVENTO FS AIROLA ARIANO FLUMERI SAVIGNANO IRP. ARIANO IRPINO ACCADIA VALLESACCARDA SCAMPITELLA LACEDONIA BISACCIA STURNO MONTESARCHIO BISACCIA MATERA ANDRETTA PRATA P.U. FIAT 19/09/2013 PRAT.S. UTE NOVOLEGNO FMA PRATOLA SER. GOLETO CALITRI S.ANGELO AVELLINO CASTELNUOVO N SOLOFRA MONTECORVINO TUSCIANO CALABRITTO SICIGNANO 10,8 MW CAMPAGNA TANAGRO LAINO XX CONTURSI FS CONTURSI BUCCINO ROTONDA Flumeri Decreto aut. 194/2013 del Scampitella Decreto aut. 204/2014 del 25/03/2014 Totale: 34,8 MW 15

16 Energy Intensive l impianto (4/4) Caratteristiche tecniche impianto SdA da 12 MW Tecnologia di accumulo energetico Potenza nominale di scarica Potenza nominale di carica Energia nominale netta Dati di targa Batterie NAS (sodio-zolfo) 12 MW 12 MW 80 MWh Efficienza energetica di round trip ac/ac (1) 75% Full charge time (da SOC 0%, a potenza nominale di carica) (2) Full discharge time (da SOC 100%, a potenza nominale di scarica) Circa 10 h Circa 7,5 h Tasso di autoscarica - Rampa nominale di potenza in scarica Rampa nominale di potenza in carica Numero di cicli (a DOD 100%) (3) Vita utile calendariale 12 MW/sec 12 MW/sec 4500 cicli 15 anni Temperatura operativa di esercizio C (1): L efficienza è comprensiva dei servizi ausiliari, valutata con riferimento ad un ciclo di carica/scarica completo giornaliero (2): SOC, State Of Charge (3): DOD, Depth Of Discharge 7

17 Agenda Il contesto italiano la scelta dei sistemi di accumulo Applicazione dei Sistemi di Accumulo I progetti Terna Progetto Energy Intensive Progetto Power Intensive sperimentazione grid scale Progetto Power Intensive sperimentazione lab scale Analisi dei costi 17

18 Il Progetto Power Intensive I Fase (Storage Lab) II Fase La Fase II è subordinata agli esiti positivi della Fase I Sardegna: 8 MW Sardegna: 12 MW Codrongianos Codrongianos Sicilia: 8 MW Ciminna Sicilia: 12 MW Casuzze Totale previsto 16 MW Totale previsto 24 MW Totale previsto 40 MW 18

19 Storage Lab - Panoramica della sperimentazione START Grid Scale(>1MW) Module scale (<100kW) gramma di imentazione Pro speri Prog ramma di sperim mentazione Accumulo/rilascio di energia Regolazione di tensione Regolazione primaria frequenza Regolazione secondaria di frequenza Asservimento al sistema di difesa Analisi tempi di risposta Analisi efficienza totale Analisi di compatibilità con i sistemi DSC di secondo livello Test di invecchiamento Creazione circuito equivalente Test di prestazione Test termici e climatici Test di overcharge/discharge Test di sovraccaricabilità Test di cortocircuito Individuzione della migliore tecnologia per un dato servizio Regolazioni (frequenza/tensione); Load following; Bilanciamento;; Peak-shaving; Load-shifting; Congestion management; Tecnologie: NaS Litio-ioni Zebra Supercaps Flow.? PROGRAMMA DI INVESTIMENTI FUTURO e POSSIBILI ULTERIORI STRATEGIE MIGLIORATIVE i Laboratori Laboratori scelti per l esecuzione dei test sui moduli: 19

20 Codrongianos - Layout di impianto Area SET UP MT Area Storage EPC Litio Zebra Numero 5 2 Altre tecnologie Potenza [MW] 53 5,3 22 2,2 Energia [MWh] 4,6 6,2 Altre tecnologie Altre tecnologie 7

21 Codrongianos - Layout di impianto Area Storage Area SET UP MT Litio Zebra Altre tecnologie Altre tecnologie Altre tecnologie Numero 4 1 Potenza [MW] Energia [MWh] 3,9 1,2 3,9 4,2 7

22 Agenda Il contesto italiano la scelta dei sistemi di accumulo Applicazione dei Sistemi di Accumulo I progetti Terna Progetto Energy Intensive Progetto Power Intensive sperimentazione grid scale Progetto Power Intensive sperimentazione lab scale Analisi dei costi 22

23 Fornitori Oggetti della sperimentazione Litio: Rack e moduli Tecnologia Energia nominale (kwh) Potenza nominale (kw) Tensione Massima (V) Tensione Minima (V) Tensione nominale (V) Corrente di scarica 1C (A) Numero di cicli standard dichiarati Saft Modulo , ,2 NCA Rack BYD Modulo 2,37 2,37 14,4 11,2 12,8 LiFePO4 Rack , , Samsung LG Toshiba 3,5 3,2 65, ,2 LMO Rack , ,2 3,2 3, ,8 NMC Rack 44, Litiotitanato 1,1 1,1 32, ,7 Rack 24,2 24, Modulo Modulo Modulo Elementi principali Alimentazione e unità di controllo BMS Interruttore principale Sensore di Corrente Fusibile di potenza Rl Relay 23

24 Oggetti della sperimentazione Zebra: Moduli Fornitori Tecnologia Energia nominale (kwh) Potenza nominale (kw) Tensione Massima (V) Tensione Minima (V) Tensione nominale (V) Corrente di scarica 1C (A) Numero di cicli standard dichiarati FIAMM Modulo Zebra 22,5 6, GE Modulo Zebra BMS Elementi principali Alimentazione e unità di controllo Interruttore principale Sensore di Corrente Fusibile di potenza Relay 24

25 Strategia di test Test di invecchiamento su ciclo di regolazione di frequenza; Test di invecchiamento su cicli standard; Creazione modello invecchiamento Creazione modello elettrico Test di prestazione; Test di prestazione a cicli parziali; Test di creazione circuito equivalente Test termici; Valutazione comportamento in condizioni non nominali Valutazione comportamento in caso di guasti Test di Overcharge; Test di Overdischarge; Test di Corto circuito. 25

26 Agenda Il contesto italiano la scelta dei sistemi di accumulo Applicazione dei Sistemi di Accumulo I progetti Terna Progetto Energy Intensive Progetto Power Intensive sperimentazione grid scale Progetto Power Intensive sperimentazione lab scale Analisi dei costi 26

27 Analisi dei costi EESS EESS distribuzione dei costi di realizzazione [%] Litio 12% Batterie PCS Trasformatore Zebra 1% 3% 1% 1% 8% 2% 7% Servizi ausiliari 10% 2% 7% 16% 54% Apparecchiature di manovra e protezione SCI 76% Altro NAS 5% 8% 6% 14% 67% Batterie PCS SCI Servizi ausiliari Apparecchiature di manovra e protezione Altro A causa delle differenze impiantistiche i costi non sono perfettamente comparabili: La voce SCI è compresa nel costo del PCS Il TR non è oggetto di fornitura 21

28 GRAZIE PER L ATTENZIONE 28

29 Applicazione dello storage nel settore elettrico Generators Thermal Generators Renewable Generators System Operators Transmission System Operators Distribution System Operators Load Public Service Consumers Large Industrial Consumers Small Domestic Consumers Optimization of Fuel Consumption Primary Reserve Compensation Regulation Services to Grid Generation Smoothing Load Following Primary Reserve (f and V) Secondary Reserve (f and V) Congestion Management Renewables Integration T&D Investment Deferral/Avoidance Electric Transportation Support to Energy Efficient Techs Peak Shaving UPS Service Demand Management Renewable Management Given the potential user and the application, quantify the economic benefits per MW or MWh. Factor in round-trip efficiency, life time and number of cycles. Optimize your solution based on these parameters, keeping in mind that oftentimes the best solution might be a hybridization of technologies. various 29