unical scenari dei sistemi elettrici in presenza di forte penetrazione di iafr

Scenari dei sistemi elettrici in presenza

di forte penetrazione di IAFR

Fotovoltaico e Sistemi di Accumulo

sfide e opportunità del mercato oltre il Conto Energia

11 Luglio 2013

Università della Calabria

Prof. Ing. Daniele Menniti Docente di Sistemi Elettrici per l’Energia presso l’Università degli Studi della Calabria

Modulo 1 19/07/2013

Le centrali sono connesse alle utenze (o carichi)

dalla Rete di Trasmissione Nazionale

(RTN o semplicemente Rete di Trasmissione )

Centrali elettriche di

produzione

Utenze o Carichi

Rete elettrica

Trasmissione

Nodi di generazione Nodi di carico

Rappresentazione schematica di un sistema elettrico (Sistema Elettrico di Potenza)

ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA ELETTRICO (CENNI)

Architettura tradizionale

Modulo 1

ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA

ELETTRICO

19/07/2013 3

Centrali Utenze

elettri

issione Nodi di

generazi

carico Rappresentazione schematica di un sistema elettrico (Sistema

Elettrico di Potenza)

Corrente Alternata Corrente continua Denominazione comune

sistemi di categoria ZERO Vn < 25V Vn < 50V Bassissima tensione

sistemi di I categoria 25V<Vn ≤1000V 50V<Vn ≤1000V Bassa Tensione

(BT o LV)

sistemi di II categoria 1000V < Vn ≤30.000V 1000V < Vn ≤30.000V Media Tensione (MT o MV)

sistemi di III categoria Vn >30.000V Vn >30.000V Alta Tensione (AT o HV)

Modulo 1

ELETTRICO

19/07/2013 4

Centrali Utenze

elettri

issione Nodi di

generazi

(BT o LV)

Modulo 1

ELETTRICO

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Centrali Utenze

elettri

issione Nodi di

generazi

(BT o LV)

Modulo 1

ELETTRICO

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Centrali Utenze

elettri

issione Nodi di

generazi

(BT o LV)

Modulo 1

ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA ELETTRICO

19/07/2013

Dinamica della potenza richiesta dai carichi allacciati alla RTN

Nella sono riportati il diagramma della potenza totale richiesta dalle utenze

connesse alla rete italiana in un particolare giorno dell’anno (13 luglio 2011).

Come è possibile rilevare si osserva subito, come del resto in quasi tutte le reti

nazionali, forti scarti fra i valori delle potenze massime, minime e medie.

Modulo 1

19/07/2013

I generatori presenti nella rete, quindi, devono “inseguire” istante per istante la

curva della potenza richiesta dai carichi nella rete in modo tale che in ogni istante

la potenza immessa dai generatori, uguagli quella assorbita dai carichi (più le

perdite nella rete) e ogni eventuale sbilancio, a qualunque causa esso sia dovuto,

deve essere rapidamente azzerato mediante l’intervento di appropriate regolazioni.

Modulo 1 19/07/2013 9

REGOLAZIONE FREQUENZA

POTENZA

Modulo 1

Modello del generatore

19/07/2013

Ciò implica la presenza di impianti dedicati alla regolazione delle fluttuazioni della

potenza richiesta dai carichi capaci di inseguire le richieste dei carichi con diversi

livelli di velocità.

Modulo 1

19/07/2013

L'equilibrio tra la potenza generata e quella assorbita, che è elemento essenziale

per la cosiddetta continuità del servizio, può essere difficile per il fatto che:

1. il diagramma di carico dell'utenza varia nell'arco del giorno, della settimana, del

mese, dell'anno,

2. perché il diagramma di carico dipende, parzialmente, da eventi imprevedibili

(quali, ad esempio, cause meteorologiche),

3. per motivi di varia natura, possono avvenire nel sistema degli incidenti, ad

esempio la suddivisione della rete in due parti, una con un deficit, l'altra con un

surplus di potenza generata.

In tutto ciò, per affrontare situazioni di emergenza, è necessario disporre di

necessarie riserve, provvedere alla manutenzione ordinaria e straordinaria delle

centrali, coordinare comunque l'esercizio delle varie centrali nella maniera

economicamente più vantaggiosa nel rispettando dei diritti dei vari attori che

partecipano al libero mercato dell’energia.

Modulo 1

19/07/2013

I mezzi di produzione dell’energia elettrica

L'insieme dei mezzi di produzione, denominato centrali elettriche, nei quali avviene la

trasformazione delle varie fonti naturali di energia in energia elettrica, è di varia natura e può

comprendere:

• centrali idroelettriche, che possono essere:

• ad acqua fluente (lungo i fiumi),

• a serbatoio per regolazione giornaliera e settimanale (serbatoi a bassa capacità di

accumulo d'acqua),

• a serbatoio per regolazione stagionale e annuale (serbatoi ad alta capacità di accumulo

d'acqua),

• di pompaggio, composte da gruppi turbina-pompa-generatore, situati tra due serbatoi di

accumulo d'acqua;

• centrali termoelettriche a vapore con combustibile tradizionale (olio combustibile, carbone..);

• centrali geotermoelettriche, che sfruttano l'energia termica di soffioni boraciferi ad elevata

temperatura;

• centrali con turbine a gas;

• centrali termonucleari;

• centrali alimentate a fonti rinnovabili diverse da quella idraulica (centrali a biomassa, solari

termodinamiche, fotovoltaiche, eoliche ecc.).

Modulo 1

Per programmare la gestione del sistema elettrico è necessario

ricorrere ad un approccio statistico al fine di poter prevedere con

un certo anticipo la richiesta di potenza elettrica da parte delle

utenze allacciate alla rete.

19/07/2013 13 Prof. D. Menniti

PROGRAMMAZIONE E GESTIONE E CONTROLLO

La gestione e il controllo in tempo reale di un sistema elettrico

quale quello italiano, interconnesso con quello europeo, viene

svolta attraverso un apposito centro nazionale di controllo.

In Italia, attualmente il centro nazionale di controllo è gestito da

Terna S.p.a., denominato Transmission System Operator (TSO)

Modulo 1

Il Centro nazionale di controllo acquisisce,

istante per istante, tutti i dati relativi allo

stato del sistema elettrico e, in base alle

esigenze del momento, mette in atto le

opportune azioni correttive.

19/07/2013 14 Prof. D. Menniti

PROGRAMMAZIONE E GESTIONE E CONTROLLO

I compiti fondamentali del Centro nazionale di

controllo si svolgono in diverse fasi:

1. programmazione

2. Gestione e controllo

3. Analisi di esercizio

Programmazione

Gestione e Controllo

Obiettivo: controllare le potenze attive di generazione in ciascuna area

per mantenere lo scambio di potenza tra aree e la frequenza vicino ai

loro valori nominali

Problema del controllo frequenza

potenza multiarea

Caratteritiche:

le aree sono in competizione per motivi economici

ciascuna area progetta i propri controllori

Problema

L’architettura di controllo è totalmente decentralizzata ma il

coordinamento è necessario

ma nello stesso tempo l’autorità centrale deve

assicurare una prestazione dinamica accettabile dell’intero

sistema

minimizzare le interferenze con le decisioni delle aree

Problema del controllo frequenza

potenza multiarea

Modulo 1 19/07/2013 17 Prof. D. Menniti

19/07/2013 Prof. D. Menniti 18

Giovanna Menniti 19/07/2013 Prof. D. Menniti 19

Popolazione prevista per il 2050 dal

PRB tra gli 8 e i 10,5 miliardi

Picco massimo produzione

Petrolio intorno al 2010

Picco massimo

produzione Gas intorno

al 2020/2050

1. GENERAZIONE

2. TRASMISSIONE

3. DISTRIBUZIONE

La GD e i sistemi di accumulo

CENTRO di CONTROLLO Mercato Libero

Rete di grandi dimensioni

1. GENERAZIONE

2. TRASMISSIONE

3. DISTRIBUZIONE

Picco massimo

produzione Gas intorno

al 2020/2050

Le Smart Grids

Giovanna Menniti 19/07/2013 Prof. D. Menniti 24

La rete di distribuzione

Tradizionalmente flussi unidirezionali

Centrali Utenze

elettric

Trasmi

ssione

Nodi di

generazion

Nodi di

carico Rappresentazione schematica di un sistema elettrico (Sistema Elettrico

di Potenza)

Centrali Utenze

elettric

Trasmi

ssione

Nodi di

generazion

Nodi di

di Potenza)

Tradizionalmente flussi unidirezionali

Centrali Utenze

elettric

Trasmi

ssione

Nodi di

generazion

Nodi di

di Potenza)

Attualmente Flussi Bidirezionali

Centrali Utenze

elettric

Trasmi

ssione

Nodi di

generazion

Nodi di

di Potenza)

Attualmente Flussi Bidirezionali

Centrali Utenze

elettric

Trasmi

ssione

Nodi di

generazion

Nodi di

di Potenza)

Generazione distribuita:

alcune definizioni

Impianto di

Rete per la

Connessione

Punto di connessione

Impianto per la Connessione

Interruttore G

CP ai trasf. AT/MT

52-2 52-1

MicroGrid (µµµµG)

Generazione distribuita:

alcune definizioni

Perché la GD complica la

gestione delle reti elettriche?

• La rete di distribuzione non è stata progettata per raccogliere

energia della GD (energia ‘dal basso verso l’alto’)

• Questa condizione può verificarsi per poche ore dell’anno: fino a

quando la GD è poca, e il carico prevale, tutto funziona come prima

• Quando la GD supera il carico, si ha la cosiddetta inversione di

flusso:

a livello di trasformazione AT/MT (CP) problemi per SPI

a livello di singola linea MT problemi per SPI e profilo di

tensione

• La GD altera l’esercizio in sicurezza del sistema elettrico di

trasmissione non è garantito il funzionamento continuativo a fronte

di variazioni anche minime della frequenza nella rete AAT e AT

Funzionamento in isola

CP ai trasf. AT/MT

52-2 52-1

Intervento

delle protezioni

Virtual power plant

Si pongono nella µµµµGrid gli stessi problemi della gestione del

sistema di potenza

Controllo della Virtual power plant

Controllo della Virtual power plant:

Regolazione della tensione

La soluzione? Le smartgrid

GD e consumatori si coalizzano diventando soggetti ‘attivi ed

intelligenti’ utilizzando anche le intelligenze ed I sistemi di

comunicazione a supporto delle smartgrid.

Esiste un ‘coordinatore’ che utilizzando le tecnologie di

smartgrid è in grado di far agire direttamente produtttore GD

con il consumatore scambiandosi l’energia all’interno della

coalizione con indubbi vantaggi economici/energetici per la

coalizione diventando di fatti un operatore di mercato accanto

al DSO e TSO.

Un nuova visione

Virtual micro grid (VµµµµG)

Gli utenti si scambiano l’energia in maniera virtuale utilizzando la

rete del distributore

Coordina

•Utente di dispacciamento responsabile verso il TSO dei profili di

immissione e prelievo

•Previsione di produzione e consumo

•Vendere all’interno della coalizione l’energia prodotta secondo

meccanismi competitivi in modo da massimizzare l’utile della coalizione

•Acquistare/vendere I residui di energia sul mercato

•Implementarie programmi di demand response

•Dotarsi di sistemi di accumulo

•Struttura di controllo gerarchica a due livelli

Livello di utente

Smart User Network la rete di utenza è diventata attiva a causa della

presenza di sistemi di produzione di energia sia elettrica che termica la sua

gestione intelligente nel rimodulare I profili di carico in funzione della

produzione e dei costi dell’energia interagendo con la rete di distribuzione

è un fattore cruciale (progetto PON Smartcities-RESNOVAE)

Livello aggregatore

Energy district manager si preoccupa di approvviggionare al minimo

prezzo I membri della coalizione e gestisce la coalizione per raggiungere la

massima utilità collettiva (progetto PON - µµµµPERLA)

Risultato finale

• Modellazione statica e dinamica del sistema

elettrico quale sistema complesso per

antonomasia

• Coordinamento e controllo della generazione e

relativi sistemi di interfaccia con la rete di

distribuzione in ambiente smartgrid

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