Workshop Il mercato elettrico: struttura, meccanismi e formazione del prezzo dell'energia elettrica. Ferrara, 29 giugno 2011 Introduzione: la domanda elettrica e gli aspetti critici della penetrazione delle rinnovabili. Mirko Morini
I profili di fabbisogno elettrico Il fabbisogno di energia elettrica di una utenza (sia domestica, industriale e del terziario) non è costante durante la giornata. I profili di carico cambiano secondo la tipologia di giorno (feriale o festivo) e dipendentemente dai mesi dell anno. Fonte: Energy and Buildings, Volume 41, Issue 7, July 2009, Pages 753-768
I profili di fabbisogno elettrico Periodo invernale Periodo estivo 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Carico elettrico Carico refrigerazione 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Giorni tipo uffici 10% 8% 6% 4% 2% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 10% 8% 6% 4% 2% 0% Carico elettrico Carico refrigerazione 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Giorni tipo utenza alberghiera 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Carico elettrico Carico refrigerazione 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Giorni tipo centro commerciale Fonte: Macchi et al, La microcogenerazione a gas naturale, Polipress 2005
La domanda aggregata Aggregando i profili delle varie utenze per tipologia si possono individuare dei trend che spianano i picchi. La somma di tutte le utenze nazionali crea la domanda elettrica nazionale.
La domanda elettrica nazionale Fonte: www.terna.it
La rete elettrica L'energia elettrica correntemente non si può immagazzinare. E' quindi necessario gestire la trasmissione dell energia dai produttori ai consumatori in modo che l'offerta e la domanda siano sempre in equilibrio. La gestione di questi flussi di energia sulla rete si chiama dispacciamento. 39.427 km di linee Linee a 380 kv : 9.812 km Linee a 220 kv : 9.773 km Linee a < 150 kv : 19.842 km Rete a 380 kv Centrali Stazione elettrica 380 Stazione elettrica in costruzione Stazione elettrica 220 Linea in semplice terna Linea in doppia terna Linea in costruzione Linea 200 kv c.c. 362 stazioni di trasformazione e smistamento 567 Trasformatori 3 centri di tele conduzione Fonte: Atti Giornata Studio Cogenerazione distribuita per applicazioni civili e residenziali, Ferrara 5 dicembre 2007
La produzione elettrica Le tecnologie, in funzione della loro flessibilità, vanno a coprire il fabbisogno nelle ore della giornata.
Produzione elettrica e le rinnovabili modulazione di carico Profilo di carico giornaliero Carico di picco accumulo idroelettrico, turbine a gas a ciclo semplice e aeroderivate Carico intermedio turbine a gas in ciclo combinato Le rinnovabili inseriscono una ulteriore aleatorietà nella parte di carico che deve essere coperta dai cicli combinati. orario Rinnovabili sostituiscono parte del carico di base per la priorità di dispacciamento, ma devono essere supportate da potenza in riserva Carico di base nucleare, idroelettrico, cicli a vapore a carbone, olio e gas naturale Fonte: Fast-cycling and starting combined cycle power plants to back up fluctuating renewable power, Industrial Fuels and Power, 27 agosto 2010
Fonti rinnovabili Tra le fonti rinnovabili quelle che rappresentano una criticità per il sistema elettrico (stabilità della rete) ci sono l eolico e il fotovoltaico. Le biomasse, il biogas e i bioliquidi, essendo utilizzati in sistemi termoelettrici convenzionali, non creano problemi, ma rappresentano una alternativa al carico di base. Lo stesso vale per lo sfruttamento della fonte idroelettrica. Fonte: CAISO Report of Integration of Renewable Resources 2010
Non programmabilità La produzione da fonte eolica non è programmabile ed è soggetta ad una grande variazione durante le giornata e tra giorni diversi. La figura rappresenta la proiezione di misure del 2005 sul giugno del 2012 in California. Ogni colore rappresenta un giorno diverso, mentre la linea spessa è la media mensile. Fonte: CAISO Report of Integration of Renewable Resources 2010
Inaffidabilità La figura rappresenta previsione della produzione per l estate del 2012 in California. La barra verde rappresenta la media (±σ) mentre gli steli rappresentano il minimo e il massimo. Nelle ore di picco l eolico può dare un contributo che va da 0 a 4 GW. Fonte: CAISO Report of Integration of Renewable Resources 2010
Backup power E necessaria l installazione di potenza di backup caratterizzata da una risposta rapida alle fluttuazioni della produzione da parte dell eolico. Fonte: Holttinen H, et al. Impacts of large amounts of wind power on design and operation of power systems, results of IEA collaboration Proc. 8th Inter-country workshop on large scale integration of wind power into power systems as well as on transmission networks of offshore wind farms. Bremen; 2009. Come rule of thumb per ogni 400 MW di potenza eolica installata servono fino a 100 MW di potenza in riserva calda e fredda. Fonte: ASME Paper GT2011-46484
Il solare fotovoltaico Considerazioni analoghe riguardanti la non programmabilità possono essere fatte anche per il solare fotovoltaico. In figura sono riportati i profili di produzione del fotovoltaico in Germania in 5 giorni del 2010. Dalla distribuzione oraria del profilo nascono però problemi diversi in quanto il picco di produzione è piazzato a metà giornata ciò modifica sostanzialmente la forma della curva di carico da coprire con le centrali a ciclo combinato. Fonte: Operation and Maintenance Changes for Combined Cycle Gas Turbine Units as Result of Renewable Energy Policy, Presentation at ASME TurboExpo 2011
La variazione del profilo di carico Sostanzialmente si passa da un profilo a vasca rovesciata ad un profilo caratterizzato da due picchi giornalieri. Per gli impianti a ciclo combinato questo può rappresentare l esigenza di uno spegnimento e un riavvio durante una stessa giornata. Fonte: Operation and Maintenance Changes for Combined Cycle Gas Turbine Units as Result of Renewable Energy Policy, Presentation at ASME TurboExpo 2011
Produzione elettrica Nuove esigenza per i NGCC Si passerebbe da 8000 h di funzionamento e 10 accensioni all anno a meno di 2500 ore di funzionamento con oltre 400 accensioni. Questo comporta un aumento dei costi di manutenzione, che unito alla riduzione del numero di ore di funzionamento e alla riduzione del rendimento complessivo a causa della modulazione, porta ad un aumento del costo di produzione dell energia elettrica. modulazione di carico Profilo di carico giornaliero Carico di picco accumulo idroelettrico, turbine a gas a ciclo semplice e aeroderivate Carico intermedio turbine a gas in ciclo combinato La sfida è ottenere bassi costi di produzione ridotti tempi di start-up alta affidabilità dello start-up Rinnovabili sostituiscono parte del carico di base per la priorità di dispacciamento, ma devono essere supportate da potenza in riserva ottimi rendimenti a carico parziale orario Carico di base nucleare, idroelettrico, cicli a vapore a carbone, olio e gas naturale
Gli effetti sui costi Simulazione della penetrazione dell eolico in Gran Bretagna fino a 45 GW Fonte: Operation and Maintenance Changes for Combined Cycle Gas Turbine Units as Result of Renewable Energy Policy, Presentation at ASME TurboExpo 2011
Domande? Mirko Morini, PhD mirko.morini@unife.it Tel/FAX 0532974966