LE RINNOVABILI E LA GESTIONE DELLA RETE ELETTRICA

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 1 LE RINNOVABILI E LA GESTIONE DELLA RETE ELETTRICA Brescia, 20 ottobre 2015 Carlo Ansaloni, A2A SPA

Prima dell elettrificazione Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 2 PRIMA Utilizzo dell energia meccanica dove veniva prodotta (filande, mulini, opifici) POI Possibilità di decentrare i luoghi della produzione rispetto a quelli dell utilizzo

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 3 Primi utilizzi dell energia elettrica Sistema Edison in corrente continua Milano 1883: Santa Radegonda

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 4 Sviluppi successivi Sistema Westinghouse corrente alternata Macchine sincrone ed asincrone (Tesla)

La diffusione della corrente alternata Possibilità di variarne le caratteristiche Interruttori più semplici Trasformatori Lunghe distanze Alte tensioni Nascita della rete elettrica Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 5

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 6 Le reti si sviluppano e interconnettono

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 7 Rete elettrica L ENERGIA ELETTRICA NON SI ACCUMULA BILANCIO FRA PRODUZIONE E ASSORBIMENTO VERIFICATO ISTANTE PER ISTANTE Gli Enti di gestione delle reti (in Italia Terna, in Europa ENTSOE) presidiano: TENSIONE FREQUENZA

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 8 L Ente di gestione della rete (Terna) Al fine di salvaguardare l equilibrio della rete: Presidia il dispacciamento delle UP (Unità di Produzione) Gestisce gli assetti di rete (eventi accidentali e programmati) Detta le regole per l allacciamento dei generatori alla rete Attua i piani di emergenza/alleggerimento (di concerto con ENTSOE) Attua il piano nazionale di riaccensione in caso di black-out CENTRO NAZIONALE DI CONTROLLO (Roma) 8 centri di ripartizione con sede a Torino, Milano, Venezia, Firenze, Roma, Napoli, Palermo, Cagliari 3 centri di tele conduzione con sede a Rondissone (Torino), Dolo (Venezia), Bari.

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 9 Eventi catastrofici USA 9 novembre 1965 - ore 17.28 il primo black-out della storia, dopo 4 secondi rimane per dodici ore al buio un'area di 200.000 km quadrati, abitata da circa 30 milioni di persone (principali città: New York, Ottawa, Philadelphia, Toronto). Una contestata indagine della Commissione Federale per l'energia stabilisce che l'incidente è dovuto alla rottura di un relais in una centrale dell'ontario. USA 13 luglio 1977 - New York e la contea di Westchester rimangono senza corrente e imperversano vandalismi e saccheggi, una persona muore intrappolata nell'ascensore per tre giorni. È curioso notare che, esattamente 9 mesi dopo quel black-out, ci fu un significativo aumento delle nascite. La causa è individuata nel sovraccarico delle linee per effetto del condizionamento estivo) ITALIA 28 settembre 2003 - ore 3.01 per quasi 12 ore (ma in alcune zone anche per più di 24 ore), l'intero paese (esclusa la Sardegna e l'isola di Capri) è rimasto senza corrente elettrica (Black Out del Sistema Elettrico Italiano). La causa (rapporto commissione di inchiesta) prima è stata la caduta di un albero sulla linea 380 kv (interamente in territorio elvetico) Mettlen-Lavorgo. EUROPA 4 novembre 2006 - ore 21:38 di quel giorno, il TSO tedesco E.ON-Netz ha eseguito la disconnessone programmata della linea aerea a 400 kv in doppia terna Diele Conneforde, che attraversa il fiume Ems in bassa Sassonia, per consentire la navigazione in condizioni di sicurezza di una nave da crociera (la Norwegian Pearl) di notevoli dimensioni. La rete europea si è disconnessa formando tre grandi aree (la frequenza è scesa a 49 Hz) nelle quali ciascun operatore ha posto in essere i piani di difesa (in Italia Terna distaccò 2250 MW di utenza circa 8% del fabbisogno della rete in quel momento)

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 10 Stabilità della rete elettrica Tutte le UP da 10 MW in su concorrono alla stabilità della rete tramite: - Regolazione di frequenza (regolazione primaria) - Regolazione di potenza-frequenza (regolazione secondaria) Dettagli nel documento Terna (allegato A15 del codice di rete) Nei secondi successivi ad una variazione di frequenza, i regolatori di velocità delle unità di produzione agiscono automaticamente (statismo della macchina), ed in maniera autonoma l uno dall altro, sulla potenza generata dai rispettivi motori primi ad essi asserviti con una azione che modifica la potenza elettrica in modo da ristabilire l equilibrio tra la potenza generata ed il fabbisogno. L azione dei regolatori permette di contenere la variazione di frequenza, ma non ne ripristina il valore nominale. Per ottenerne il ripristino si agisce su di una «riserva rotante» di potenza della macchina (mercato dei servizi di dispacciamento).

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 11 Regolazione primaria

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 12 Regolazione secondaria Tutte le UP che partecipano alla regolazione secondaria non possono vendere tutta la potenza a disposizione, ma devono riservarne una quota parte (semibanda di partecipazione) alla regolazione secondaria. Terna, con un segnale telefonico diretto sul regolatore, attiva la potenza al fine di riportare la frequenza al valore nominale. Esempio: cresce il consumo di energia nella rete che si manifesta facendo scendere la frequenza. In prima battuta i generatori rispondono con la loro potenza regolante che riporta l equilibrio della potenza ad un valore di frequenza più basso del nominale e con una potenza erogata più alta di quella programmata. Per far risalire la frequenza al valore nominale occorre uno squilibrio di potenza in eccesso tramite la regolazione secondaria per riaccelerare la rete al valore nominale ed una nuova posizione di equilibrio. Simmetricamente avviene in caso di decrescita del consumo di energia.

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 13 Stabilità della rete in caso di forti perturbazioni Azioni «fisiologiche» di stabilizzazione della rete Regolazione primaria (in autonomia per ciascuna unità) Regolazione secondaria (necessita di regia centrale) Azioni emergenziali (regia centrale) Attivazione dei gruppi di picco (emergenza) Distacco dei carichi (priorità) Se falliscono questi interventi (che si sovrappongono alla risposta fisiologica della rete) intervengono le protezioni delle macchine che rendono il fenomeno progressivo e catastrofico: BLACK-OUT) Azioni preventive Prove di load-rejection (rifiuto di carico) Prove di riaccensione (direttrici programmate)

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 14 Impatto della generazione distribuita (GD) Fino al 2012 le direttive Terna per la generazione collegata alla rete prevedevano: Per la generazione convenzionale un campo «fisiologico» di funzionamento fra 47,5 Hz e 51,5 Hz (±1,5 Hz rispetto alla frequenza nominale) Per la generazione distribuita (indipendentemente dalla tipologia, ma sotto i 10 MW) fra 49,7 Hz e 50,3 Hz (±0,3 Hz rispetto alla frequenza nominale) Finchè la GD era una quota marginale della potenza complessiva, il presidio della stabilità di rete era demandato ai gruppi convenzionali che si facevano carico della stabilizzazione (aggravante: la GD risulta assai meno programmabile della convenzionale)

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 15 Il «boom» delle rinnovabili Nel 2009 i rapporti Terna sulla generazione riportavano il solo contributo dell energia di fonte eolica (6.087 GWh rispetto ai totali 289.164 prodotti in Italia) mentre quella fotovoltaica era assente. Nel 2014 l energia fotovoltaica e quella eolica ricoprono una quota non certo marginale (23.299 GWh e 14.966 GWh rispettivamente, su un totale generato di 267.557 GWh) Questa crescita (nel 2011 il fotovoltaico ha registrato un tasso di crescita rispetto all anno precedente del 394%!!!) è stata pilotata dalla forte incentivazione che, venuta meno negli ultimi anni, porta nel 2015 (agosto su agosto precedente) ad una modesta crescita del solo 9%. Gli oneri di sistema (componente A3 della bolletta) nel 2015 sono stimati in circa 15 miliardi di Euro (*) che l Italia dovrà sostenere, per 20 anni dalla messa in servizio dei primi impianti incentivati, sotto forma di maggiorazione del prezzo dell energia in bolletta (circa 5 cent/kwh nel 2015).

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 16 L incidenza delle rinnovabili sulla rete Nel 2014 l energia di fonte fotovoltaica pesava per circa 8,7% dell energia complessivamente prodotta. Pur considerando la forte variabilità giornaliera e stagionale della fonte fotovoltaica, l impatto sulla rete è rilevante: Terna (stime giugno 2012) attribuisce alla fonte fotovoltaica Il 16% della punta di carico del Mercoledì Il 25% della punta di carico della Domenica Corrispondenti ad una potenza generata di circa 8.000 MW (Per raffronto: punta storica Italia Martedì 21 luglio 2015 alle ore 15.15 con 57.287 MW)

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 17 Rinnovabili (fotovoltaico) e stabilità della rete Per capire l eventuale effetto sulla rete della presenza di generazione fotovoltaica per circa un quarto della generazione complessiva occorre analizzare come è fatto un sistema di generazione fotovoltaica. Quanto segue vale per il fotovoltaico, ma più in generale per la GD che richiederebbe un ripensamento della rete elettrica che, per circa un secolo, ha operato secondo i propri criteri di progetto: generazione concentrata e consumo distribuito. Oggi si parla molto di Smart Grid. La rete elettrica (sviluppatasi nei primi anni del secolo) ed internet (sviluppatasi negli ultimi anni del secolo) hanno come unico punto in comune la loro capillare e pervasiva diffusione. Per spostare informazioni o spostare energia sono richieste tecnologie del tutto differenti e problematiche specifiche. In un (lontano) futuro le due reti si integreranno?

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 18 Impianto fotovoltaico

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 19 Impianto fotovoltaico

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 20 Impianto fotovoltaico (inverter)

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 21 Comportamento in rete

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 22 Stabilità dei sistemi statici di generazione Visto dalla rete, Il vero cuore di un impianto fotovoltaico non è la cella bensì l inverter cui è collegato. L inverter è un dispositivo elettronico di conversione della potenza elettrica privo di qualsivoglia capacità regolante e privo di inerzia nei confronti della rete. Se la rete ha meno inerzia, le perturbazioni di carico sempre presenti (distacchi/attacchi, manovre programmate/accidentali, eventi atmosferici ecc.) creano maggiori escursioni della frequenza. La GD fotovoltaica necessita sempre e comunque di generazione convenzionale «di accomodamento» 1) Per la generazione sostitutiva quando viene meno la generazione rinnovabile non programmabile (ancorchè prevedibile) 2) Per la stabilità della rete in quanto l assenza di inerzia della generazione statica richiede un controbilanciamento con generazione rotante convenzionale Il problema si pone oggi nelle giornate di minore domanda di energia (Domeniche) nelle quali l incidenza delle rinnovabili raggiunge quote ragguardevoli (anche del 25%). E molto complesso stabilire quale sia il limite di generazione statica sopportabile da una rete in quanto anche la rete stessa contribuisce alla stabilizzazione o alla destabilizzazione con la varietà dei suoi utilizzatori (utilizzi statici, rotanti, induttivi, resistivi ecc.)

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 23 Contributo della GD alle correnti di guasto Un ulteriore problema intrinseco ai sistemi statici di generazione è il modesto contributo in termini di corrente di corto circuito. Tipicamente: Icc generatori statici circa 1,1 In Icc generatori sincroni circa 5 In Tutti i sistemi di protezione elettrica prevedono elevate correnti di corto circuito in grado di far intervenire tempestivamente le protezioni limitando il guasto alla porzione di impianto interessata dal guasto. Se le correnti di corto circuito diminuiscono la rete diventa maggiormente insensibile al guasto allargando l area geografica nella quale si percepiscono gli effetti del guasto con ritardo nell intervento delle protezioni.

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 24 Intervento di Terna sul codice di rete Dal marzo del 2012 le regole di connessione alla rete sono cambiate (allegato A70 del Codice di Rete): PRIMA Frequenza fra 49,7 Hz e 50,3 Hz (±0,3 Hz rispetto alla frequenza nominale) DOPO Frequenza fra 47,5 Hz e 51,5 Hz (±1,5 Hz rispetto alla frequenza nominale) Tensione fra 85% e 110% della nominale con mantenimento per 400 ms Questo argina (parzialmente) il problema dell instabilità (bouncing). L elettronica di potenza asservita agli impianti ha richiesto un generale rinforzo con aumento dei costi (più che compensato dalla diminuzione del costo dei pannelli).

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 25 Ulteriori problematiche Quanto visto finora riguarda solo i macro-effetti della GD sulla rete elettrica. Vi sono ulteriori micro-effetti locali di portata locale: Effetti sulla qualità della distribuzione (filtrazione delle armoniche generate dagli inverter) Effetti sulla taratura delle protezioni elettriche concepite per un flusso di potenza dalle alte alle basse tensioni e non viceversa

Le rinnovabili e la gestione della rete elettrica 26 Considerazioni conclusive L energia da fonte rinnovabile è caratterizzata dall ineguagliabile vantaggio della libertà da fonti fossili di durata incerta (non è ancora chiaro dove si collochi il picco di dimezzamento) e di non facile approvvigionamento (instabilità geopolitica). Giusta quindi l incentivazione alla quale ha avuto accesso. Rimangono però aperti alcuni temi: L incentivazione concessa è stata proporzionata ai vantaggi per il sistema nel suo complesso? E stata data corretta e tempestiva considerazione degli effetti che la generazione diffusa ha sulla rete elettrica e sulla sua stabilità?