V. Casamassima, A. Cammi

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1 HELE 2016, Milano 27 settembre 2016 Esercizio flessibile dei cicli combinati: una risposta efficace alle necessità di un sistema elettrico a basse emissioni di CO2 V. Casamassima, A. Cammi vincenzo.casamassima@rse-web.it, andrea.cammi@rse-web.it

2 Sommario Conseguenze della crescente quota di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile non programmabile (FRNP) Incidenza della quota di produzione da FRNP sull esercizio dei cicli combinati (esercizio flessibile) Attività di ricerca in RSE sulla flessibilità dei cicli combinati

3 Potenza elettrica netta installata in Italia Geotermico stabile ( 0.6%) Idroelettrico in leggera flessione ( -3%) Eolico + fotovoltaico in crescita ( +18%) Termoelettrico in diminuzione ( -15%) Quota di potenza da cicli combinati per sola produzione di energia elettrica quota di potenza da FRNP

4 Effetti sulla gestione della rete Possibile eccesso di generazione (es. festivi estivi con bassa domanda e alta produzione da FR) Possibili congestioni di rete (sia locali, su linee a 150 kv con rilevante concentrazione di generazione eolica, sia su interconnessioni tra zone di mercato) Riduzione della capacità di regolazione primaria e secondaria (L incremento di quota di potenza da FRNP, non abilitata a prestare servizi di regolazione primaria di frequenza, va a scapito di una riduzione di quota di potenza abilitata a tale servizio.) Rischi di instabilità della rete (La minore frazione di potenza derivante da macchinario con masse rotanti (TG-TV) riduce l inerzia della rete e un deficit improvviso di generazione può innescare un decadimento di frequenza così rapido da generare un «black out»)

5 Effetti sulla gestione della rete Mercato dei servizi di dispacciamento (MSD), per l approvvigionamento di 4 tipologie di risorse: Attualmente: risoluzione delle congestioni a programma riserva secondaria di potenza riserva terziaria di potenza bilanciamento Le unità di produzione devono essere abilitate alla partecipazione all MSD sulla base di specifici requisiti. Se abilitate, hanno anche l obbligo di partecipazione. Sono escluse tutte le unità di produzione non rilevanti (potenza < 10MVA) e le unità (rilevanti e non) alimentate da fonti rinnovabili non programmabili Le unità di produzione abilitate devono rispettare determinati requisiti tecnici riguardanti il gradiente di potenza erogata, tempo di attuazione di una richiesta di dispacciamento (tempo di avviamento), controllabilità in tempo reale 24 ore su 24

6 Effetti sulla gestione della rete Necessità di una evoluzione nel mercato dei servizi di dispacciamento Proposta AEEGSI Allargamento della platea dei soggetti che possono partecipare al mercato dei servizi di dispacciamento (MSD), includendo : generazione distribuita generazione da fonti rinnovabili Domanda (unità di consumo) Sistemi di accumulo Riforma dei corrispettivi di sbilanciamento Revisione delle zone geografiche

7 Effetti sull esercizio dei cicli combinati Esercizio limitato alle ore di picco ( h/anno)

8 Effetti sull esercizio dei cicli combinati Ridotta marginalità (gas naturale combustibile pregiato) e remunerazione spostata verso la fornitura dei servizi di rete (non obbligatori) necessari per la stabilità della rete elettrica Funzionamento con modulazione di carico per rispondere alle variazioni di produzione da fonte rinnovabile Riduzione dei tempi di avviamento/fermata Elevato numero di cicli di accensione/spegnimento Elevati gradienti di variazione della potenza Esercizio estremamente «flessibile» con conseguente precoce consumo di vita del macchinario più sollecitato e incremento dei costi di manutenzione.

9 Aspetti economici dell esercizio «flessibile» Parametri rilevanti per la competizione nel MSD tempi di avviamento/fermata ridotti (< 2 ore) gradienti di variazione della potenza elevati

10 Soluzioni per la «flessibilità» dei cicli combinati Linee principali di intervento per la riduzione dei tempi di avviamento e incremento di gradienti di potenza Intervenire sui componenti (scambiatori, corpi cilindrici ) per incrementarne la resistenza alla fatica termomeccanica Modificare la procedura di spegnimento dell impianto e introdurre dei sistemi che limitino la dispersione termica e mantengano l impianto il più vicino possibile alle condizioni di riaccensione da caldo Ottimizzare la procedura di avviamento, disaccoppiando l avviamento della turbina a gas dall avviamento e riscaldamento della turbina a vapore, eseguendo così le due manovre in parallelo anziché in modo sequenziale Automatizzare il più possibile le manovre in modo da incrementarne affidabilità e ripetibilità e ottimizzare il consumo di vita del macchinario più rilevante (corpi cilindrici, turbina a vapore)

11 Soluzioni per la «flessibilità» dei cicli combinati Scambiatori: sostituire gli ancoraggi rigidi con degli ancoraggi maggiormente elastici che assorbano le dilatazioni del fascio tubiero Disaccoppiamento TG-TV: avviamento della turbina a gas indipendente dall avviamento della turbina a vapore

12 Soluzioni per la «flessibilità» dei cicli combinati Minimizzazione della dispersione di calore durante la fermata: Imbottigliamento (chiusura) dei circuiti acqua-vapore per mantenere alta la pressione. Ciò ha un impatto sull intero sistema dei drenaggi che va rivisto sia in termini di componenti installati (valvole e attuatori), sia in termini di gestione (automazione). Automazione e ottimizzazione della manovra di avviamento: Gli stress indotti dai gradienti termici nei componenti di grande spessore rappresentano il fattore predominante di condizionamento dei tempi di avviamento di un impianto. La minimizzazione di tali stress durante la manovra di avviamento e la sua completa automazione concorrono ad una minimizzazione dell usura del macchinari e dei relativi costi.

13 Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE Obiettivi: Lo sviluppo di strumenti di calcolo che consentano una valutazione del consumo di vita del macchinario più coerente con il consumo di vita conseguente all esercizio flessibile. Un confronto tecno-economico fra le principali soluzioni proposte per la riduzione dei tempi di avviamento. Attività : Caratterizzazione dei materiali. Studio e ottimazione dei transitori operativi, rispetto al consumo di vita di uno specifico componente.

14 Flessibilità dei cicli combinati: programma Simulatore Impianto Impianto di riferimento Simulatore modificato (interventi per flessibilità) Avviamento disaccoppiato di TG e TV GVR imbottigliato Simulazione transitori (Operatività standard) Simulazione transitori (Operatività flessibile) Sparging system Modello F.E.M. rotore TV Analisi termomeccanica Analisi tecno-economica Modello F.E.M. rotore TV Analisi termomeccanica Analisi tecno-economica Elaborazione cicli di riferimento per prove TMF (cicli service like) Caratterizzazione materiali (nuove leggi di danno) Confronto Valutazione prestazioni e costi della flessibilità

15 Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE Caratterizzazione dei materiali: RdS 2015 Ciclo TMF «service like" Addolcimento del materiale Legge di danno

16 Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE modello FEM del rotore di turbina a vapore Validazione campo termico Fermata e raffreddamento Avviamento da tiepido Avviamento da freddo

17 C bar MW RPM Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE Simulatore dinamico impianto CC Potenza e velocità TV Potenza Velocità h.mm.ss Temperatura e Pressione ing. TV MP T in MP P in MP Interfaccia operatore simulatore h.mm.ss

18 Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE modello FEM del rotore di turbina a vapore Consumo di vita del rotore a seguito di un avviamento «standard» Consumo di vita del rotore a seguito di un avviamento con setpoint temperatura SH, RH variabile

19 Finalità Commenti La «flessibilizzazione» degli impianti termoelettrici già in esercizio è conveniente?! Riflessioni Al crescere della quota di potenza elettrica prodotta da fonte FRNP, cresce la rilevanza di un meccanismo efficace ed efficiente che stabilizzi il sistema compensando lo squilibrio produzioneconsumo e l errore di previsione. Opzioni flessibilità dei carichi - può fare molto, non tutto Accumulo di energia - nuovi investimenti, costosi Flessibilità della generazione tradizionale - opzione di minimo costo: sfruttamento di investimenti già fatti, impianti che comunque restano in servizio per l adeguatezza, investimenti di adeguamento inferiori ( 20 k /MW)

20 Grazie per la cortese attenzione!