Il Laboratorio di Microreti di Generazione ed Accumulo

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1 Il Laboratorio di Microreti di Generazione ed Accumulo Francesco Melino CIRI Energia ed Ambiente UO Bioenergie Alma Mater Studiorum università di Bologna

2 Perché un laboratorio di microgenerazione e accumulo di energia? ANNO 2008 Incremento della produzione eolica e solare dal 2008 al % 2

3 Perché un laboratorio di microgenerazione e accumulo di energia? PREVISIONE DELLA DOMANDA DI ENERGIA ELETTRICA NAZIONALE NUOVO SCENARIO PRODUTTIVO crescente incidenza delle FER non programmabili sulla produzione di EE necessità di sviluppare nuove modalità di gestione della rete (FonteTerna) PROBLEMI CONSEGUENTI ISTITUZIONI come erogare energia in modo continuativo? come soddisfare la domanda in qualsiasi momento della giornata? IMPRESE/PRIVATI quando conviene acquistare energia sul mercato? quando conviene vendere il surplus di energia prodotta autonomamente? VINCOLO EE non è stoccabile produzione e consumo sono simultanei RICERCA INDUSTRIALE SOLUZIONI TECNICHE regolazione impianti a combustibile fasce orarie differenziate educare l utenza ad un uso consapevole accumulo

4 Perché un laboratorio di microgenerazione e accumulo di energia? FER NON PROGRAMMABILI SISTEMI ENERGETICI PROGRAMMABILI RICHIESTA di ELETTRICITA SISTEMI DI ACCUMULO ELETTRICO 4

5 accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (1): Studio comparativo tra i diversi sistemi di accumulo oggi commercialmente disponibili o in fase di sviluppo, con particolare riferimento ai sistemi elettrochimici e a quelli di accumulo ad idrogeno MECHANICAL storage ELECTROCHEMICAL storage Pumped Hydro Storage (PHS) Compressed air energy storage (CAES) Flywheel Energy Storage (FES) Gravitational Potential Energy Storage (GPES) High and Low Temperature Batteries Redox-flow batteries CHEMICAL storage Hydrogen - Fuel Cell (FC) Power to Gas Metal-Air ELECTRICAL Storage Capacitors (C) and Supercapacitors (SC) Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) 5

6 Capital Req. per tech. Risk Il Laboratorio di microreti di generazione e accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (1): Studio comparativo tra i diversi sistemi di accumulo oggi commercialmente disponibili o in fase di sviluppo, con particolare riferimento ai sistemi elettrochimici e a quelli di accumulo ad idrogeno MATURITY 6

7 accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (2): Progettazione di un prototipo di sistema integrato di generazione ed accumulo che preveda la presenza di una batteria elettrochimica, di un sistema ad idrogeno e di un microgeneratore a fonte rinnovabile PV - emulator F.E.R. DC Inverter AC Electric Energy Storage Electric Load Emulator fuel DC AC OLTC transf. High pressure H2 storage FC Electrical Power Thermal Power heat Inverter AC BUS AC AC DC Ext. net Bidirectional converter Fuel Power Thermal Energy Sink 7

8 accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (3): messa a punto di una metodologia di controllo dell intero sistema ottimizzata nell ottica di una massimizzazione dell energia elettrica prodotta da fonte non-programmabile, in risposta ai carichi elettrici richiesti PV Panells -- DC/DC Converter + DC/AC Inverter Bidiretional Converter Electrical Network Sviluppo di un software per la progettazione e per l ottimizzazione energetico economica al variare: Biomass Boiler Batteris Electrolyzer H2 tank FC MRC Utility - carichi dell utenza; - scenario tariffario; - condizioni al contorno; Boiler Electrical Power Thermal Storage Thermal Power Fuel Power 8

9 NDD [-] NDD [-] Il Laboratorio di microreti di generazione e accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (3): messa a punto di una metodologia di controllo dell intero sistema ottimizzata nell ottica di una massimizzazione dell energia elettrica prodotta da fonte non-programmabile, in risposta ai carichi elettrici richiesti PV Panells DC/DC Converter DC/AC Inverter Electrical Network kwp 4 kwp 5 kwp kwp 4 kwp 5 kwp -- + Batteris FC Bidiretional Converter Utility kwp kwp PV = 1 kwp 0.10 PV = 1 kwp 0.10 Electrolyzer H2 tank CASE# Battery Max Storable Energy [kwh] CASE# H2 tank Max Storable Energy [kwh] Electrical Network Electrical Generation System EEPR EESO EE SC EEPU Electrical UTILITY EE PR EE SO EE ST EE SC EE SC total produced electrical energy produced electrical energy towards the network produced electrical energy to the storage system produced electrical energy to the utility produced electrical energy from the storage system to the utility EEST EE SC EE SC EE LO Total fraction of produced electrical energy consumed by utility EE SC = EE SC + EE SC fraction of the stored electrical energy not used for the utility and/or lost due to the EELO Electrical Storage System EE PU EE UT efficiency of the storage EE ST = EE LO + EE SC electrical energy from the network utility electrical energy demand EE U = EE PU + EE SC + EE SC 9

10 accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (3): messa a punto di una metodologia di controllo dell intero sistema ottimizzata nell ottica di una massimizzazione dell energia elettrica prodotta da fonte non-programmabile, in risposta ai carichi elettrici richiesti SVILUPPO ALGORITMI GENETICI INPUT Tariff Scenario Parameters PRIME MOVERS LIBRARY Define PRIME MOVERS Non Programmable Renewable Systems CH 4 AUXILIARY BOILERS (AB) Thermal and Cooling generators Utilities Load NATURAL GAS NETWORK Creation of the 1 st generation UTILITIES (U) Objective Function Fitness Function Rank PRIME MOVERS (PM) SOLAR THERMAL (RGt) NATURAL GAS GENETIC ALGORITHM Selection Creation of the i th generation Objective Function Fitness Function Rank ELECTRICAL ENERGY THERMAL ENERGY COOLING ENERGY EL RENEWABLE GEN (RGe) WIND PV PANELS TH STORAGE (TS) HEAT PUMP (HP) ABS CHILLER (AC) FFR#1(i) FFR#1(i-1) - FFR#1(i) < TOLL + EL STORAGE (ES) COMP CHILLER (CC) Energy Production total Cost (minimum) Energy Systems Optimal Load OUTPUT ELECTRIC GRID 10

11 Change in Cost [-] Il Laboratorio di microreti di generazione e accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (3): messa a punto di una metodologia di controllo dell intero sistema ottimizzata nell ottica di una massimizzazione dell energia elettrica prodotta da fonte non-programmabile, in risposta ai carichi elettrici richiesti SVILUPPO ALGORITMI GENETICI Full Load Optimized hour/day

12 accumulo: progetti Sistemi di accumulo per la programmabilità delle fonti energetiche non programmabili PROGETTI (4): Studio di una smart grid elettrica termica e del combustibile da fonte energetica rinnovabile 12

13 accumulo: applicazioni industriali Istituzioni Multiutilities In situazioni «Stand-Alone» Settore Nautico Vantaggio economico Produttori (cogenerativi) Industria e terziario «energivoro» Applicazioni domestiche 13

14 accumulo 14

15 accumulo 15

16 accumulo: contatti Ing. Francesco Melino Responsabile Laboratorio Microreti di Generazione ed Accumulo CIRI Energia ed Ambiente Alma Mater Studiorum Università di Bologna Viale del Risorgimento, Bologna studio: sistemi-macchine-ea contact us: follow us: 16