L ICT e l efficienza energetica Torino, 5 luglio 2010 ICT efficienti per Smart Grid efficienti Paolo Mora, Diana Moneta Luglio 2010
Agenda ERSE e le sue attività Le strategie europee L evoluzione della rete elettrica Il ruolo delle tecnologie di comunicazione Il ruolo delle utenze e l auto elettrica 2
ERSE S.p.A. ERSE S.p.A. (formerly CESI RICERCA S.p.A.) has been established at the end of 2005, with the mission to take over funded research activities of national and international interest focused on electricity and energy sector and it started operating on January 1st 2006. ERSE S.p.A. is currently owned by GSE, a publicly-owned company promoting and supporting renewable energy sources in Italy. ~400 researchers and technicians in 4 departments research on all aspects of energy sectors: security, power supply, regulation 3
Attività di ricerca ERSE nel settore ICT Comunicazioni per le reti elettriche: Power Line Communication, wireless ecc. Sistemi di supervisione e controllo (funzioni di tipo coordinato e distribuito) Protocolli per reti elettriche Interfaccia con le risorse distribuite Sistemi multimetering Sensoristica per reti attive Cybersecurity 4
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Efficienza energetica Energie primarie (combustibili fossili, uranio, vento, ecc.) Sistema energetico Risultati (produzione industriale, servizi terziari, trasporti, comfort domestico, ecc.) Considerare l impatto ambientale e le prospettive di disponibilità nel tempo delle energie primarie Considerare i risparmi possibili a parità di obiettivi raggiunti (garantire almeno lo stesso livello di servizio, usando meno energia) 6
Il sistema elettrico Generazione Trasmissione Carichi Dal sistema energetico al sistema elettrico, con qualche contaminazione (la cogenerazione, l auto elettrica) 7
Le strategie europee 2009 - Second Strategic Energy Review - Securing our Energy Future (follow-up) 2008 - Strategic Energy Review 2008 - Climate Action 2007 - Towards a low carbon future (SET-Plan) 2007 - Electricity & gas markets 2007 - Energy policy for Europe 2006 - Green paper Energy Inoltre: 2010 - European Energy Programme for Recovery (EEPR) 2010 - A digital Agenda for Europe 8
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Il cambiamento del contesto (1) Strategie europee Distributed Energy Resources DER Generatori Rete elettrica tradizionale + Energie rinnovabili e Cogenerazione = Rete a Generazione Distribuita Accumuli Carichi Mercato Liberalizzazione e Offerte commerciali monopolistico + mercato elettrico = più complesse * Business Models * Parallelo con l evoluzione del mercato delle telecomunicazioni 10
Il cambiamento del contesto (2) Distributed Energy Resources Smart Grid DER Generatori Rete elettrica tradizionale + Energie rinnovabili e Cogenerazione = Rete a Generazione Distribuita Accumuli Carichi Mercato monopolistico + Liberalizzazione e mercato elettrico = Offerte commerciali più complesse Business Models Automazione gerarchica + Scambio informativo diffuso = ICT e automazione diffusa Innovazione tecnologica Maggiore complessità Information and Communication Technology 11
Il cambiamento del contesto (3) produzione trasmissione distribuzione utenti Mercato verticalmente integrato I generatori seguono il carico oggi rete intelligente Liberalizzazione del mercato Generatori e carichi operano in modo coordinato domani 12
Smart Grid 13
La piattaforma europea Smart Grid Approccio integrato a livello tecnico, commerciale e regolatorio 14
Il primo approccio per i generatori Obblighi regolatori Obbligo per il DSO (Distribution System Operator) di permettere la connessione (MT e BT) a qualsiasi generatore di potenza non superiore a 10 MW (CEI 0-16) Obbligo per il generatore di rispettare la normativa di interfaccia La prima soluzione tecnica Fare riferimento alla situazione esistente della rete elettrica Usare l approccio attacca in modo che il generatore non disturbi e il DSO se ne possa scordare (fit and forget) 15
Perché le reti elettriche attuali non sono adeguate (1) AT MT AEEG ARG/elt 25/09 MONITORAGGIO DELLO SVILUPPO DEGLI IMPIANTI DI GENERAZIONE DISTRIBUITA PER GLI ANNI 2007 E 2008 Allegato 2 BT Schema rete distribuzione Problemi connessi con la Generazione Distribuita (delibera Autorità Energia Elettrica Gas AEEG 160/6): gestione di transitori derivanti da fenomeni di avviamento, sincronizzazione e messa in parallelo degli impianti di produzione; variazione dei livelli di correnti di cortocircuito e connessa sollecitazione termica/dinamica delle linee elettriche e dei componenti; corretto funzionamento dei sistemi di protezione; attuazione delle procedure di ricerca dei tronchi guasti; funzionamento in isola indesiderata di porzioni di rete; profili di tensione e regolazione della tensione in rete. 16
Perché le reti elettriche attuali non sono adeguate (2) AEEG ARG/elt 25/09 MONITORAGGIO DELLO SVILUPPO DEGLI IMPIANTI DI GENERAZIONE DISTRIBUITA PER GLI ANNI 2007 E 2008 Allegato 2 Istogramma cumulato della percentuale di nodi con GD installabile pari al valore indicato in ascissa: dettaglio dei vincoli nodali più stringenti, assumendo come limite di variazione rapida di tensione il 4% del valore nominale 17
I problemi ci sono già adesso Richieste connessioni MT >> carichi Inversione flusso (16% cabine primarie dato Enel Distribuzione) Impatti non sono limitati alla distribuzione ma si propagano anche su livelli superiori (MT -> AT) Problema di coordinamento delle risorse Richieste MT su rete Enel Distribuzione (Enel Distribuzione, giornata 22 feb 2010) 18
Un passo oltre per i generatori L approccio fit and forget è positivo (punta alla garanzia della fornitura e alla salvaguardia dei generatori connessi), ma può essere superato, ottenendo obiettivi migliori I suoi limiti: la capacità di connettere generatori (hosting capacity) non è quella massima possibile non si massimizzano le funzionalità del sistema elettrico (es: black out Germania 2006) Necessità di transizione (graduale) verso nuovo modello Trasformare i generatori in elementi attivi, che partecipano alle funzionalità della rete elettrica. 19
Gestione integrata Per aumentare le possibilità di gestione ottimizzata della rete elettrica, si includono nella gestione: organi di rete generatori comandabili dispositivi di accumulo un insieme di clienti finali in grado di variare su richiesta la potenza assorbita 20
Gli elementi del sistema generazione distribuita veicoli elettrici interconnessioni rete di distribuzione smart grid rete di trasmissione smart metering generazione centralizzata contatori e visualizzatori DOMANDA ELETTRICA transazioni commerciali microgenerazione elettrodomestici efficienza energetica abitudini dei consumatori ERGEG-CEER Position paper on Smart Grids 21
Implicazioni tecniche Migliorare il controllo locale (elettronica di potenza, inverter e relativi algoritmi di controllo) Assicurare lo scambio informativo tra i diversi elementi della rete elettrica, sovrapponendo una rete informativa alla rete elettrica Realizzare sistemi di supervisione e controllo centralizzato, coordinati con i controlli locali 22
Previsioni meteo per la generazione eolica La produzione elettrica è proporzionale al cubo della velocità del vento In Danimarca il 20% è eolico, la differenza di velocità di 1 m/s 450MW Numeric Weather Prediction (NWP) + reti neurali Necessità di acquisire misure dal campo 23
Una piattaforma per l integrazione http://seesgen-ict.erse-web.it/ 24
Standardizzazione Questo tipo di soluzioni richiede, anche per l apertura del mercato e la necessità di garantire la concorrenza, l uso di: Descrizioni standard di componenti e reti elettriche e informatiche (es. IEC 61850 e CIM) Interfacce standard Protocolli di comunicazione standard Molto è stato fatto, ma molto manca, sia in ambito europeo che extraeuropeo 25
La rete informatica adesso futuro trasmissione AT distribuzione MT BT Protocolli separati Data model condiviso 26
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Le reti di comunicazione Reti di comunicazione: di proprietà del DSO e utilizzate solo per la gestione della rete pubbliche (di chi è allora la responsabilità?) Struttura delle reti di comunicazione: backbone affidabili reti virtuali con struttura logica e funzionalità proprie affidabilità, tempi di risposta, sicurezza nuove architetture (es. reti wireless ad hoc) Sicurezza (security): la sicurezza è da vedere a livello di sistema, non solo della rete di comunicazione, la forza della catena è definita dall anello più debole intrusioni, segregazione fisica e logica, Denial of Service, servizi minimi in assenza di comunicazione Supporto alla Safety 28
Requisiti per le comunicazioni (1) Con riferimento ai servizi richiesti alla GD Transfer rate Latency Priority Reliability Availability Inject energy surplus into the grid Produce maximum power Peak shaving (generation curtailment) Anti-islanding (safety) Voltage and reactive power regulation Support island operation Ensure correct operation of power system High, Medium, Low High: 10 2 msec Medium: sec Low: minuti 29
Requisiti per le comunicazioni (2) Con riferimento ai canali di comunicazione Inject energy surplus into the grid Mobile networks Satellite networks WLAN PLC PLT Wired networks Fieldbus Produce maximum power Peak shaving (generation curtailment) Anti-islanding Voltage and reactive power regulation Support island operation Ensure correct operation of power system High, Medium, Low 30
Un esempio 150 140 130 Overall latency on three VPN tunnels with embedded HW tunnel 1 - avg 83.98 tunnel 2 - avg 75.37 tunnel 3 - avg 68.06 120 Tempo [ms] 110 100 90 80 70 60 50 00.00 01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 Orario [mm.ss] Esempio: analisi latenza intertrip messaggio anti islanding Obiettivo tecnico da raggiungere: 100 msec Impatto sugli apparati: nuove funzionalità Fino a ora, si tratta di indagini singole realizzate da alcuni centri di ricerca, manca approccio generale e integrato. 31
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I cambiamenti del contesto: automazione Il nodo utente è in grado di immettere in rete un flusso di potenza Diffusione della tecnologia negli ambienti domestici Possibili sinergie tra le esigenze di chi deve gestire la rete, di chi vende il servizio di fornitura e di chi usufruisce di tale servizio l utenza finale è anch essa un nodo intelligente La rete elettrica si trasforma gradatamente in un insieme di nodi intelligenti AT/MT MT/BT System automation Home/building automation Funzioni System integration 33
Segnali di rete e segnali di prezzo 34
Gestione Locale dell Energia Accumuli Segnale prezzo Carichi Gestore Energia Locale & gateway GED Generazione Segnale di sistema Funzioni: comunicazioni con distributore/retailer gestione locale di carichi, accumuli, generazione, climatizzazione, micro- CHP interazione con utente, visualizzazione consumi (istantanei, storico) Climatizzazione 35
Veicoli elettrici Infrastruttura di ricarica del DSO Integrata nelle reti intelligenti Smart Grid Nuovi modelli di business Ricarica privata / pubblica, swap batterie Metering Percorrenze (Gm) per alimentazione 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0 1990 1994 1998 2002 2006 2010 2014 2018 2022 2026 2030 PHEV PEV IBRIDE GPL DIESEL BENZINA ERSE, 2010 36
Impatto dei PEV/PHEV sulle reti di distribuzione ERSE, 2010 Impatto minimo su generazione Ricarica dei veicoli elettrici: impatto su rete distribuzione Gestione locale della ricarica 37
Considerazioni riassuntive E chiara la necessità di evoluzione Nuove opportunità si aprono per applicazioni ICT Necessità di integrazione tra mondo elettrico e mondo TLC L approccio a questi problemi richiede cooperazione tra enti e persone provenienti da contesti diversi e integrazione di conoscenze da diverse discipline E importare definire una roadmap, che precisi contenuti e priorità (ad es. prima i problemi sulla rete MT, poi quelli sui carichi). 38
Grazie per l attenzione Ricerca di Sistema per il Settore Elettrico Research Fund for Italian Electric System Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell ambito dell Accordo di Programma tra ERSE (ex CESI RICERCA) ed il Ministero dello Sviluppo Economico - D.G.E.N.R.E.. stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM, 19 marzo 2009. Per ulteriori informazioni: www.ricercadisistema.it www.erse-web.it paolo.mora@erse-web.it 39
Materiale aggiuntivo 40
Rete attuale Il sistema elettrico è attualmente composto dai seguenti elementi principali: topologia radiale topologia magliata Impianti di produzione (conversione energia); Linee di trasmissione Alta Tensione (AT); Stazioni primarie; Linee di distribuzione AT; Cabine primarie (AT/MT); Linee di distribuzione Media Tensione (MT); Cabine secondarie (MT/BT); Linee di distribuzione Bassa Tensione (BT) tensione 150 380 kv 20 kv 380 V Flusso Potenza 41
Schema 42
Link progetti & siti Progetti 6 FP EU: DERlab http://www.der-lab.net Progetti 7 FP EU: SEESGEN ICT CRUTIAL OPEN Meter ADDRESS DERri http://seesgen-ict.erse-web.it/ http://crutial.erse-web.it/ http://www.openmeter.com/ http://www.addressfp7.org/ http://www.der-ri.net Milano WI Power (Politecnico di Milano) Siti: TERNA http://www.terna.it/ GSE http://www.gse.it/ 43