Storage e sicurezza della rete: i progetti di Terna. Anna Carolina Tortora Head of Innovation Lab, Research and Development

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1 Storage e sicurezza della rete: i progetti di Terna Anna Carolina Tortora Head of Innovation Lab, Research and Development 1

2 Agenda Contesto e i Progetti I Servizi e le Applicazioni L Approccio Terna allo Storage L Eccellenza Italiana Il Futuro 2

3 Il Contesto Italiano. Cause Effetti Mitigazione Crisi economica unita alla perdita dei grandi consumatori (i.e. riduzione del carico nazionale del 7% da 340 TWh a 318 TWh) Una politica degli incentivi molto aggressiva che promuove le rinnovabili unito alla grid parity Tempi brevi per rafforzare la rete e per sostenere I nuovi scenari energetici Una veloce e incontrollata crescita delle rinnovabili : Aumento dei tagli derivanti da congestioni (MPE GWh) Aumento della richiesta di riserva non rotante Impianti termici che lavorano ai minimi tecnici: Perdita dell inerzia in sistemi isolani (i.e. Sicilia e Sardegna) Perdita della riserva primaria di frequenza Ottimizzare l integrazione delle Rinnovabili sul SEN e aumentare la flessibilità della rete (i.e. smart grid) Ottimizzazione del sistema elettrico Problema di Potenza Congestioni Problema di Energia Bassa Inerzia 3

4 Possibili soluzioni Soluzioni Investimento richiesto M / MW Tempo di implementazione Anni Benefici Criticità Gestione della domanda Virtual Power Plant Aggregatori di domanda distribuiti Scenario altamente variabile: dipende fortemente dal numero di players e dalle modalità di aggregazione N/A N/A Investimenti elevati Business model da definire Molteplici stakeholders coinvolti Mercato ancora da sviluppare Sistemi di accumulo Batterie Pompaggi < Tempi di realizzazione brevi Tecnologia matura Mercato emergente Costi elevati Tempi molto lunghi Fortemente site-dependent Pochi siti disponibili Migliore soluzione di breve termine CAES Investimento contenuto rispetto ad altre tecnologie Difficoltà nell individuare siti idonei Processi autorizzativi lunghi e complessi Fortemente site - dependent Bassa efficienza Supply Sviluppo Infrastrutture 0.2-0,315 >10 Terna core business Tempi di implementazione molto lunghi Non risolve tutte le criticità individuate 4

5 Progetti Storage di Terna Power Intensive Scopo: aumento della sicurezza del sistema Potenza totale: 40 MW Tecnologie: Li-Ion, Zebra, Flow, Supercap Numero di siti: 2 Energy Intensive Scopo : ridurre congestioni di rete Potenza totale: 35 MW Tecnologie: NaS Sodium Sulfur Numero di siti: 3 Fase I: 16 MW Storage Lab Codrongianos Potenza totale: 8 MW Status: sperimentazione 8 MW Ciminna Potenza totale: 8 MW Status: sperimentazione Sito 1: Ginestra Potenza totale: 12 MW Status: esercizio Sito 2 Flumeri Potenza totale: 12 MW Status: esercizio Sito 3 Scampitella Potenza totale: 11 MW Status: esercizio Fase II: 24 MW Casuzze e Codrongianos: da iniziare 5

6 OBIETTIVI Progetti Power I Fase - Storage Lab (16 MW) II Fase (24 MW) Sardegna: Sardegna: 8 MW Codrongianos 12 MW Codrongianos Sicilia: Sicilia: 8 MW Ciminna 12 MW Casuzze Fornire Servizi Essenziali: Regolazione di Frequenza; Regolazione Secondaria; Integrazione con I sistemi di difesa; Power Quality. Studiare le caratteristiche e prestazioni di diversi sistemi di accumulo Sviluppare un Sistema di controllo avanzato per la gestione di diverse tecnologie di accumulo 6

7 OBIETTIVI X X X X Progetti Energy Benevento 2 Celle San Vito Benevento 2 Bisaccia 380 FOIANO MONTEFALCONE TROIA 12 MW IVPC VOLTURARA CAMPOBASSO EDENS VOLTURARA VOLTURARA CERCEMAGGIORE MONTORSI IVPC ALBERONA 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. 12 MW Flumeri S. SOFIA SAVIGNANO FS SAVIGNANO ACCADIA IRP. PRESENZANO BENEVENTO ARIANO IRPINO APICE FS ARIANO VALLESACCARDA BENEVENTO 2 BENEVENTO IND. BENEVENTO FS SCAMPITELLA FLUMERI LACEDONIA DURAZZANO BISACCIA AIROLA STURNO MONTESARCHIO BISACCIA MATERA ANDRETTA PRATA P.U. FIAT PRAT.S. UTE NOVOLEGNO FMA PRATOLA SER. GOLETO CALITRI S.ANGELO AVELLINO CASTELNUOVO N SOLOFRA CALABRITTO CONTURSI FS TUSCIANO CONTURSI MONTECORVINO BUCCINO SICIGNANO CAMPAGNA TANAGRO PRESENZANO BENEVENTO APICE FS BENEVENTO IND. GONGOLO ARIANO IRPINO NUOVA SE GONGOLO LAINO ROTONDA Ginestra BENEVENTO 2 S. SOFIA AIROLA / MONTESERCHIO BENEVENTO FS FLUMERI VALLESACCARDA FOIANO MONTEFALCONE TROIA AVELLINO STURNO SAVIGNANO FS Regolazione di Frequenza; Regolazione Secondaria; Regolazione Terziaria; Regolazione di Tensione Ridurre congestioni sulla rete in AT 12 MW S. SOFIA Scampitella SAVIGNANO ACCADIA IRP. PRESENZANO BENEVENTO ARIANO IRPINO APICE FS ARIANO VALLESACCARDA BENEVENTO 2 BENEVENTO IND. BENEVENTO FS SCAMPITELLA FLUMERI LACEDONIA DURAZZANO BISACCIA AIROLA STURNO MONTESARCHIO BISACCIA MATERA ANDRETTA PRATA P.U. FIAT PRAT.S. UTE NOVOLEGNO FMA PRATOLA SER. GOLETO CALITRI S.ANGELO AVELLINO CASTELNUOVO N SOLOFRA CALABRITTO CONTURSI FS TUSCIANO CONTURSI MONTECORVINO BUCCINO SICIGNANO CAMPAGNA TANAGRO LAINO ROTONDA 7

9 Ordine di intervento Regolazione Secondaria Regolazione primaria Regolazione Terziaria Inerzia La difesa del sistema Potenza Passato Inerzia: resistenza fisica del sistema contro le variazioni di frequenza dovute a sbilanciamento Futuro Assicura che la frequenza sia sempre stabile La primaria ferma la variazione di frequenza frequenza Primaria Secondaria Terziaria Riporta la frequenza ai valori nominali, ripristinando le risorse di regolazione primaria Supporta la regolazione secondaria, ripristinandone le relative risorse 30 Secondi Secondi Minuti Tempo

10 Perchè l inerzia è così importante? La riduzione di inerzia nel sistema diventa un grave problema quando si deve far fronte ad improvvisi fuori-servizio o rapide variazioni della generazione rinnovabile Generazione Località: Sicilia (in isola di frequenza) Generazione: 2,355 MW Perdità 230 MW Invio comando apertura pompa 2 Intervendo del sistema di difesa con 75 MW distaccati 3 Giugno 2015 Eolico (AT): 82 MW Apertura pompa 2 PV: 590 MW Percentuale RES: ~30% ~1 sec Le regole ENTSO-E prescrivono una variazione massima di frequenza durante il transitorio pari a 800 mhz 10

11 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 11

12 Applicazioni: Performance nella regolazione POWER INTENSIVE Frequenza 50Hz 160 P regolata (MW) % Inerzia del sistema Regolazione primaria Tempo % 50% 50% SdA 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 12

13 Tanti servizi possibili Generazione tradizionale e rinnovabili Ottimizzazione utilizzo carburante Consumatori Operatori di Sistema Generatori Trasmissione e distribuzione Impianti pubblici e industriali, carichi domestici Ripristino Riserva Primaria Fornitura Servizi di Rete Smoothing della generazione Inseguimento del carico Regolazioni Primarie (f and V) Regolazioni Secondarie (f and V) Gestione delle congestioni Synthetic Inertia Differimento di investimenti in T&D E-mobility Efficienza Energetica Taglio del Picco Servizi di UPS Gestione della Domanda Gestione delle Rinnovabili 13

15 INIZIO Roadmap dello Storage in Terna Studio Applicazioni Storage Presidio sulle Tecnologie Leader del Settore Selezione e realizzazione di Tecnologie nei Piani di Sviluppo e di Difesa Analisi Tecnica Ciclaggio dei moduli per analizzare capacità e limiti delle tecnologie Selezione Tecnologie per Servizio Associazione di tecnologie e fornitori a determinate applicazioni Market arbitrage/load shifting Transmission avoidance/deferral Analisi Economica Valutazione dei benefici e Quantificazione costi Energy intensive applications System operation Primary reserve Secondary/tertiary reserve Distribution avoidance/deferral PV and storage Off-grid Business Development Creazione Portfolio di prodotti e opportunità in campo Energy Storage Virtual Storage Plant piattaforma virtuale di telecontrollo in grado di integrare know-how su tutte tecnologie ottimizzando performance Ibridizzazione Progetti Smart Grid integrazione di conoscenze in ambito storage con opportunità business PV, Wind, Efficienza energetica, ecc Partecipazione a bandi internazionali su Sistemi di Accumulo 1.3 GW California entro il 2020, 200 MW Hawaii, ecc 15

16 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. 16

17 Test di invecchiamento Durante la fase di gara si è reso necessario individuare un ciclo, definito poi standard, da utilizzarsi per comparare in maniera uniforme tutte le diverse tecnologie. Il ciclo è stato definito senza il supporto di alcuno standard specifico per i sistemi grid scale, poiché non disponibili all epoca della gara. 1,5 1 Potenza [pu] 0, ,5-1 Procedura di test Ciclaggio Standard Scarica a potenza nominale, DOD 80%; Carica completa a potenza nominale; Nessuna fase di stand-by(*) -1,5 Ai fini della sperimentazione è stato effettuato anche un test di invecchiamento su ciclo di regolazione di frequenza. il profilo di frequenza individuato è desunto da un giorno di misure reali e adattato per ottenere una serie replicabile e rappresentativa di un periodo lungo (valore medio 50 Hz, massime deviazioni superiori a 100 mhz) Andamento frequenza Procedura di test 50,15 50,1 Frequenza [Hz] 50, ,95 49,9 Parametri ciclo: Statismo 0,075%; Banda Morta 0 mhz. SOC iniziale: 100%; SOC max :100% (non sono previste fasi di over-charge); SOC min: 0% (non sono previste fasi di over-discharge); Raggiunto SOC min ricarica fino a SOC 100% e ripresa del ciclo di regolazione dal punto in cui è stato interrotto; Ogni 10 giorni esecuzione del ciclo di riferimento per la determinazione dei principali parametri di batteria. 49, tempo [sec] * A seguito di colloqui con i fornitori il ciclo è stato poi applicato in forma modificata a seconda delle possibilità di ciascuna tecnologia in modo da rispettare le caratteristiche particolari. 17

18 Potenza [pu] Confronto tra i due test Confronto tra i due test Rispetto al ciclo standard il ciclo di regolazione risulta termicamente ed energeticamente meno dispendioso Potenza Media: Ciclo Standard: P Nominale Ciclo Regolazione: 0,4 Pn Cicli giornalieri equivalenti: 1,5 1 0,5 0-0,5-1 Ciclaggio Standard Ciclo Standard: 5-12 Ciclo Regolazione: 5 Numero di inversioni di potenza giornaliere: Ciclo Standard: max 24 Ciclo Regolazione: oltre ,5 La sperimentazione ha mostrato che l effettuazione di un ciclo di regolazione reale invecchia le batterie in maniera significativa e non prevista inizialmente 18

20 L Italia all avanguardia dello Storage in Europa 1 10, Più grande Batteria d Europa 13 4, Prima installazione multitecnologica Numeri in Nero: MW in esercizio Numeri in Rosso: MW in costruzione 20

21 Storage in Terna: sviluppo di know how italiano! (1/3) Un sistema storage può essere composto, a livello esemplificativo, in tre macro-blocchi di rilievo: Stringhe batterie Sistema di conversione (PCS) Sistema di controllo (SCI) Terna, nell implementazione dei suoi progetti, ha coinvolto una serie di aziende, molte delle quali dal brand apparentemente internazionale, ma con competenze e know how fortemente italiano! Batterie PCS Sistema di Controllo Sebbene non sia fornitore diretto dei componenti, l azienda italiana green utility ha sviluppato forti competenze di installazione di sistemi storage! 21

22 Storage in Terna: sviluppo di know how italiano! (2/3) Nella realizzazione dei sistemi di accumulo per i progetti Terna, le realtà italiane hanno potuto stringere rapporti commerciali con aziende estere leader del settore, facendosi conoscere come partner per le future attività di business. Forniti due sistemi PCS+SCI Forniti due sistemi PCS+SCI Forniti più PCS per 35MW totali Una delle aziende italiane che attraverso i progetti Terna ha avuto modo di farsi conoscere ad altre realtà industriali è senz altro Nidec ASI. Altro esempio è costituito da MCMEnergy Lab, spin off del politecnico di Milano, che assieme ad ELVI ha fornito il sistema PCS e il sistema di controllo a due colossi come Toshiba e General Electric Integrati i PCS con i sistemi scada Siemens per gli impianti NGK Forniti due PCS 22

23 Storage in Terna: sviluppo di know how italiano! (3/3) Alcune delle società che hanno lavorato nei progetti Terna, forti delle competenze acquisite, stanno rafforzando il proprio business nei Sistemi di Accumulo, anche all estero. Altre, oltre a cogliere opportunità di business con altri utility, continuano a fornire sistemi di accumulo a Terna di tecnologie innovative! Nidec ASI ha siglato in questi giorni con la utility tedesca Steag un contratto del valore di oltre 70 mln di euro per la fornitura di un sistema multiplo di stoccaggio di energia elettrica con una capacità totale di 90 MW. Questo sistema, basato sulle soluzioni di conversione dell energia di Nidec ASI, utilizzerà batterie fornite da LG Chem per immagazzinare energia elettrica che la utility utilizzerà per garantire la stabilità della rete elettrica in Germania. Fonte: corriere della sera Saet si è aggiudicata la fornitura del sistema di accumulo tecnologia flusso che sarà installato nell impianto in Sicilia Potenza nominale: Energia nominale: 450kW; 1,4 MWh 23

25 Quanti sistemi di accumulo servono? Previsione a lungo termine Previsione domanda capacità di accumulo Aumento della generazione rinnovabile; Riduzione della generazione tradizionale; Evoluzione della generazione distribuita; Evoluzione della domanda; Rafforzamento della capacità di connessione. Tipicamente gli studi volti a determinare la necessità di sistemi di accumulo a lungo termine non tengono in considerazione la necessità di servizi di breve durata (Inerzia e Riserva primaria). In quest ottica le stime della necessità di capacità di accumulo potrebbero essere riduttive (*) Source: EASE 25

26 Analisi dei costi EESS Identificazione Riduzione 2% 7% 2% 7% 7% 2% 2% Litio EESS Litio - costi Batterie EESS Litio - distribuzione costi [%] [%] Average Total Cost 1.3 Mill/MWh, 1.3 Mill/MW 2% 2% 7% 7% 7% 16% 16% 16% EESS distribuzione dei costi di realizzazione al 2011 [%] 12% 12% 12% 54% 54% 54% NAS Average Total Cost 3.3 Mill/MW 6% 6% 5% 5% 8% 8% 67% 67% Batterie PCS Batterie PCS Trasformatore PCS Trasformatore Servizi Trasformatore ausiliari 14% Batterie 14% Batterie Servizi Apparecchiature Servizi ausiliari di ausiliari manovra e protezione Apparecchiature SCI Apparecchiature di di manovra manovra e protezione e protezione SCI Altro SCI PCS-SCI PCS-SCI Servizi ausiliari Servizi ausiliari Apparecchiature di Apparecchiature manovra e di protezione manovra e protezione Altro Altro Zebra EESS EESS Zebra Zebra - - distribuzione costi costi [%] [% Average Total Cost 1 Mill/MWh, 3 Mill/MW 1% 3% 1% 3% 1% 1% 8% 1% 1% 8% 10% 10% 76% 76% Batterie Batterie PCS PCS Alcune considerazioni di massima: Alcune quantità sono legate alla potenza (PCS, parte degli Ausiliari) Altre all energia (Batterie, parte degli Ausiliari) Altre sono one-off (SCI, Apparecchiature di Manovra e protezione, TR) Altre alle dimensioni dell impianto (opere civili, container, ecc) Trasformato Trasform Servizi Servizi ausili au Apparecchia Apparecc manovra manovra e p SCI SCI 21

27 Annex 27

28 Codrongianos Rappresentazione impianto Tecnologie installate 1 MW MWh Litio Ferro Fosfato 1.2 MW MWh Litio Nichel Cobalto Alluminio 1 MW MWh Litio Manganese 1.08 MW MWh Litio Nichel Manganese Cobalto 1 MW MWh Litio titanato 1,2 MW 4,15 MWh 1 MW 2 MWh Nichel-Cloruro di Sodio Nichel-Cloruro di Sodio Altre tecnologie Altre tecnologie Altre tecnologie 7

29 Focus tecnologico LITIO Lithium Iron Phosphate modulo cella Container Batterie Lithium Nickel Cobalt Alluminium armadio container batterie L assemblato batterie è composto da molteplici celle elettrochimiche opportunamente connesse in serie e parallelo. Le celle sono infatti assemblate in dei case formando i moduli batteria, che a loro volta sono inseriti in degli armadi batteria (o rack) formando delle stringhe che vengono quindi connesse al PCS. Assemblati batterie nell ordine di 1 MW sono solitamente containerizzati. PCS container EESS P: MW E: MWh Lithium Manganese Lithium Nickel Manganese Cobalt Lithium Titanate 15

30 Focus tecnologico ZEBRA container batterie batteria Container Batterie Nickel-Sodium Chloride Anche in questo caso il sistema presenta una architettura modulare con l elemento principale costituito dalla cella elettrochimica (generalmente del tipo prismatico ) collegata a formare moduli a loro volta raccolti in armadi. Oltre al container batterie è presente un container (tipicamente da 40ft) contenente il PCS ed il necessario per il collegamento alla rete elettrica. I container non sono accessibili all interno modulo PCS container EESS P: MW E: 4.15 MWh Nickel-Sodium Chloride 30

31 Focus Tecnologico NAS NAS Technology Produced by NGK Insulators 1,2 MW Battery Assembly Blueprint of 12 MW ESS (20 kv 3~AC) 1,2 MW - PCS 31

32 Altre tecnologie Batterie al flusso e Supercapacitori Batterie al Flusso Coppia di Elettroliti in due Serbatoi Cella (stack) suddivisa da Membrana dove avviene il passaggio di ioni Pompe di circolazione Supercap Double Layer/ Supercap Litio I supercapacitori tradizionali (EDLC) basano il proprio principio di funzionamento su fenomeni elettrostatici, i supercapacitori Litio ioni (LIC) invece, sono caratterizzati da una struttura ibrida in cui uno degli elettrodi accumula carica per via elettrostatica mentre l altro per via elettrochimica. Nei supercapacitori tradizionali (EDLC) anodo e catodo sono costituiti da carbone attivo, mentre nei LIC l anodo è costituito generalmente in grafite. Avvio installazione nel corso del

33 Foto Installazioni Ciminna Dettaglio Installazioni Codrongianos Visione d insieme 33

34 Dicono di noi [ ]Terna può vantare oggi un primato: un progetto sperimentale chiamato Storage Lab, uno dei primi impianti multi tecnologici al mondo. E un progetto che consente di testare l efficienza e la potenza delle diverse tecnologie esistenti per l uso ottimale delle batterie per lo storage elettrico, al servizio della sicurezza e dei minori costi per la rete. Agenzia Giornalistica Italiana [ ] E' un progetto cui tutto il settore energetico sta guardando e che consente di testare l'efficienza e la potenza delle diverse tecnologie esistenti per l'uso ottimale delle batterie per lo storage elettrico, al servizio della sicurezza e dei minori costi per la rete. 34