stato e prospettive dei sistemi di accumuliihilo per
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Stato e prospettive dei sistemi di l i i hiaccumulo per impieghi
stazionari nella rete nazionale it liitaliana
Anna Carolina TortoraMaggio 2015
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Agenda
Il contesto italiano – la scelta dei sistemi di accumulo
Applicazione dei Sistemi di Accumulo
I progetti TernaI progetti Terna
Progetto Energy Intensive
Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”
Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”
Analisi dei costi
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The Italian Context - The IssuesIl contesto italiano
CauseCause EffettiEffetti MitigazioniMitigazioni• Rapida crescita degli impianti RES:
•Crisi economica e conseguenteriduzione del carico (‐ 9% dei consumi –da 330 TWh a 300 TWh)•Politica di forte incentivazione degliimpianti RES + attesa della “grid parity”•Necessità di trovare soluzioni di breve
p g p incremento delle congestioni (2010 500 GWh tagliati)
incremento di produzione da sistemistatici
• Impianti termici tradizionali al minimotecnico:
•Ottimizzare l’integrazione delle RES ed incrementare la flessibilità dellaRTN (smart grid)•Ridurre le congestioni ed evitare il“taglio” delle rinnovabiliG ti l di ibilità di tNecessità di trovare soluzioni di breve
terminetecnico: perdita di inerzia (specie sulle isole)perdita di potenza regolante
•Garantire le disponibilità di potenzasul sistema
Analisi
Esempio: Trend di crescita delle RES nel sud Italia
Esempio: incremento percentuale dell’usodella riserva terziaria a salire (con riferimento al 2010), with relative probability of purchased hours as caused by the renewable trend
Ottimizzareintegrazione RES e ripristinare I margini
Congestionidi rete
di riserva
Aree a bassainerzia
3
Investment requiredDeployment
time
The Italian Context - Solutions Tool BoxIl contesto italiano - la scelta della soluzioneInvestment requiredM€/ MWSolutions
timeYears Benefits Critical points
Virtual Power Plant▪ High investment▪ The Business model must be
defined
Highly variable:
Distributed Demand Virtual Aggregator
defined▪ Several stakeholders involved
▪ Market yet to be developed
Demand measure
depends on number of players and complexity of aggregation
N/A N/A
1‐3.3Batteries <1
▪ Emerging market▪ High costs/additional incentives
needed to break even
▪ Very fast deployment time Best Short
Term Bet!
2.0‐2.5Pumpedhydro
5‐10▪ Very long deployment time▪ Capital expenses site‐dependent▪ Few available sites
▪ Mature technologyStorage
options
Term Bet!
0.5‐1.0CAES(traditional underground)
5‐10
▪ Difficulties in finding adequate sites▪ Long & complicated approval process▪ Limited Applications (site‐dependant)▪ Low round trip efficiencies
▪ Investment limited compared to other technologies
0.2‐0,315InfrastructureDevelopment >10
▪ Low round‐trip efficiencies
▪ Very long deployment time▪ Does not address all issues
▪ Cheaper investmentTerna core businessSupply
Source: Terna; McKinsey
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Agenda
Il contesto italiano – la scelta dei sistemi di accumulo
Applicazione dei Sistemi di Accumulo
I progetti TernaI progetti Terna
Progetto Energy Intensive
Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”
Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”
Analisi dei costi
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Selecting the Appropriate TechnologiesWhen it comes to Energy Storage there is no Best Technology, there are instead
Soluzione vs applicazionegy g gy,
Best Solutions
Solutions must be selected according to the desired applications pp
Energy Supply Voltage Congestion Load Frequency PowerEnergy Time shift
Supply Capacity
Voltage Support
Congestion Relief
Load Following
Frequency Regulation
Power Quality
Energy Intensive Energy Intensive Power Intensive Energy Intensive Energy Intensive Power Intensive Power Intensive
…for each identified set of applications there are many technologies to chose fromtechnologies to chose from….
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Applicazioni: Risoluzione delle congestioniENERGY INTENSIVE
Interconnessione CSUD-SUD
Dir ce 150 kV
Tempo realeL’integrazione degli SdA con il Piano di Difesa conduce ad un incremento di capacità di transito per far fronte a
Interconnessione CSUD-SUD
Dir ce 150 kV
Dir.ce 150 kV FOG-DEL-ANR Direttrice con surplus di
generazionecontingenze che possono verificarsi nella gestione della rete. Questa caratteristica migliora la sicurezza della rete sia in condizione di esercizio N che N-1
#
Dir.ce 150 kV BR-BAO: 380 kV
: 220 kV
: 150 kV
: Contingenza Da programma##
#
I t i D i R ti
: SdA
: Contingenza
: Sovraccarica
Da programmaI transiti interzonali di energia possono essere gestiti tramite l’attivazione degli SdA. In questo modo è possibile risolvere sia le
Dir.ce 150 kV SCD-ROS
Integrazione Dynamic Rating
Gli SdA sono in grado di ripristinare il margine dicapacità di transito fornita dal dynamic rating nelcaso in cui quest’ultimo violi le condizioni di
congestioni interzonali di mercato che le congestioni locali
esercizio N-1
7
Applicazioni: Reintegro della capacità di regolazionePOWER INTENSIVE
PRODUZIONE CONVENZIONALE FRNP SdA
• No regolazione primaria
• Riduzione potenza
• Regolazione primaria con banda di regolazione: ± 1,5% Peff
(*)
• Regolazione primaria con banda di regolazione: ±100% Pnominaledell’impianto
• Riduzione potenza immessa con 50.3Hz<f<51.5Hz
Possibilità di ovviare alla riduzione della capacità regolante causata dalla forte penetrazione degli impianti di generazione da FRNP
* Potenza efficiente 8
Applicazioni: Performance nella regolazione
P
POWER INTENSIVE
140
160
180
50Hz
FrequenzaPregolata(MW)
100%
60
80
100
120
100%
50%
100%SdA
0
20
40
0 5 10 15 20 25 30TempoTempo (s)
50%
100%
Inerzia del sistema
Termoelettrico SdA
Regolazione primaria • Disponibilità riserva primaria Sicilia: 160 MW• Disponibilità riserva primaria Sardegna: 60 MW + BMI (≈80 MW)
Regolazione primariaRegolazione primaria
• Banda di regolazione: ± 1,5% Peff• Almeno metà entro 15 sec• Tutta entro 30 sec• Mantenimento per almeno 15 min
• Banda di regolazione: ± 100%Pnom dell’impianto• Tutta entro 1 sec (regolazione ultrarapida)• Eventuale sovraccaricabilità
Inerzia del sistema
• Inerzia delle masse rotanti• Effetto non regolabile (statismo)
• Inerzia sintetica• Effetto regolabile
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I progetti TernaI progetti Terna
Progetto Energy Intensive
Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”
Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”
Analisi dei costi
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Solution Selection Process
Collect all IssuesCollect all Issues Identify the Critical Ones
Identify the Critical Ones
Classify them by application
Classify them by application
Calibrate InvestmentCalibrate
InvestmentOptimize the
benefitsOptimize the
benefits
• Fast and massive • Fast and massive E I i M i l•The benefits which• Fast and massive
growth of RES• Rise in congestion-
related curtailments (i.e. 2010 500 GWh lost)
• Rise in demand for non-spinning reserve
• Fast and massive growth of RES
• Rise in congestion-related curtailments
• Rise in demand for non-spinning reserve
• Traditional plants
• Energy Intensive:Solutions that store large quantities of energy for long periods of time• Power Intensive:
•Marginal use:Low CapEx,, lower efficiency, high OpEx,•Medium use: Medium to high CapEx average
The benefits which can be collected through the usage of Storage Systems are varied and hardly cumulative
• Traditional plants running at minimum load
• Loss of inertia in smaller insular systems (i.e. Sicily and Sardinia)
• Loss of frequency reserves
running at minimum load• Loss of inertia in
smaller insular systems (i.e. Sicily and Sardinia)
• Loss of frequency reserves
• Power Intensive:Solutions capable of manipulating large amounts of power in very short bursts of time
CapEx, average efficiency, low O&M;•Continuative use:High CapEx, low O&M, High Efficiency, high #cycles
•A correct identification of the “benefit” function allows for the maximization of the Return of Investment
Terna’s Commitment to EESSTerna’s Commitment to EESS
reserves reserves g yReturn of Investment
Grid Defense PlanGrid Development PlanPower Intensive
pEnergy Intensive
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I progetti Terna – PdS e PdD
Energy Intensive (130 MW)
Piano di Sviluppo 2011
Power Intensive (40 MW)
Piano di Difesa 2012
Fornire i servizi essenzialiRegolazione di frequenzaRegolazione di tensione Integrazione nei Sistemi di Controllo e Conduzione
• Riduzione congestioni locali su rete AT
Funzionalitàrichieste
ConduzionePower Quality
Valutazione delle performance delle differenti soluzioni tecnologiche
• Aumento riserva primaria• Aumento riserva terziaria
Regolazione di tensione
Sviluppo di un Sistema di Controllo avanzato per la gestione multitecnologica
Caratteristichetecniche
• Regolazione ultra-rapida di frequenza• Alto rapporto Potenza/Energia
AC R dt i Effi i 85%
• Rapporto Energia/Potenza nominale ≥ 7 MWh/MW
• Efficienza AC roundtrip ≥ 75%• AC Roundtrip Efficiency >85%• Tempi di risposta immediati
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E I t i
Progetti Storage di Terna
Power Intensive
Energy Intensive
• Scopo: aumento della sicurezza del sistema
• Scopo : ridurre congestioni di rete• Potenza totale: 35 MW• Tecnologie: NaS Sodium Sulfurp
• Potenza totale: 40 MW• Tecnologie: Li-Ion, Zebra, Flow, Supercaps• Numero di siti: 2• Investimento: 93 €mln; 2,3 €mln/MW
Sodium Sulfur• Numero di siti: 3• Investimento: 160 €mln; 4,6 €mln/MW
Sito 1: Ginestra• Potenza totale: ≈ ≈ 12 MW• Status: commissioning
Sit 2 Fl iFase I: 16 MW Storage Lab
• Codrongianos• Potenza totale: • Status: in commissioning≈ 8 MW
≈ 8 MW
Sito 2 Flumeri• Potenza totale: ≈ 12 MW• Status: commissioning
g
• Ciminna• Potenza totale:• Status: in commissioning
Sito 3 Scampitella• Potenza totale: ≈ 11 MW• Status: in construction≈ 8 MW
Fase II: 24 MW
Casuzze e Codrongianos: da iniziare
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Applicazione dei Sistemi di Accumulo
I progetti TernaI progetti Terna
Progetto Energy Intensive
Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”
Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”
Analisi dei costi
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Il progetto “Energy Intensive”
Siti autorizzati Energy IntensiveVOLTURARA
EDENS ALBERONA
CERCEMAGGIORE
CAMPOBASSOIVPC VOLTURARA
EDENS VOLTURARA
IVPC ALBERONA
ALBERONA
MONTORSI
WIND ENERGY FOIANO
FLABRUM
Nel Sud Italia su direttrice 150 kV:“Benevento 2 – Celle San Vito”12 MW
ROSETO
COLLE SANNITA
SAVIGNANO FS
TROIAFEO
CELLE S.VITO
SAVIGNANO IRP.
GINESTRA DEGLI SCHIAVONI
CASTELPAGANO FOGGIA
FOIANO
ALBERONA
IVPC M.
CER CASTELF.
MONTEFALCONEFAETO
IVPC FOIANO
IVPC4 ROSETO
FORTORE E. R.
FOIANOIVPC POW3 FOIANO
EDENS M.
EDENS S.GIORGIO L.M.
EOS GINESTRA
W.F. U. AVINO
DAUNIA FAETO
EOS4 F.
MARGHERITA F..
EDENS C.S.V.
IVPC4 C.S.V.
ASI T. FV
DAUNIA CALVELLO
ECOENERGIADAUNIA W. MONTELEONE
FORTORE E.
MARGHERITASEA
12 MW
Castelfranco in MiscanoDecreto aut. 191/2013 del 22/08/201312 MW
TROIAMONTEFALCONE
FOIANO
FLUMERI
STURNO
PRESENZANOBENEVENTO IND.
BENEVENTO FSBENEVENTO 2
APICE FS
ARIANO IRPINO
AIROLA / MONTESERCHIO
S. SOFIA
BENEVENTO
AVELLINO
VALLESACCARDA
NUOVA SE GONGOLOGONGOLO
12 MW
Nel Sud Italia su direttrice 150 kV:FLUMERI
STURNO
ACCADIA
TROIA
BISACCIA
BISACCIA
PRESENZANO
BENEVENTO 2APICE FS
ARIANO IRPINO
AIROLAS. SOFIA
MONTEFALCONE
LACEDONIASCAMPITELLA
MONTESARCHIO
DURAZZANO
XX
BENEVENTO
SAVIGNANO IRP.
ARIANO
MATERA
SAVIGNANO FS
BENEVENTO IND. BENEVENTO FS
VALLESACCARDA
ANDRETTA
FlumeriDecreto aut. 194/2013 del 19/09/2013“Benevento 2 – Bisaccia 380”
22,8 MW12 MW
10 8 MW
CALABRITTO
CONTURSIBUCCINO
TANAGROCAMPAGNA
CONTURSI FS
GOLETO S.ANGELO
CALITRI
AVELLINO
PRATA P.U.
NOVOLEGNO
CASTELNUOVO N
MONTECORVINO
SOLOFRA
SICIGNANO
FMA PRATOLA SER.
TUSCIANO
FIAT PRAT.S. UTE
19/09/2013
ScampitellaDecreto aut. 204/2014 del 25/03/2014
Totale: 34,8 MW
10,8 MW TANAGROCAMPAGNA
LAINO ROTONDA
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Energy Intensive – l’impianto (4/4)Caratteristiche tecniche impianto SdA da 12 MW
Dati di targa
Tecnologia di accumulo energetico Batterie NAS (sodio-zolfo)
Potenza nominale di scarica 12 MW
Potenza nominale di carica 12 MW
Energia nominale netta 80 MWh
Efficienza energetica di “round trip” ac/ac (1) 75%
Full charge time (da SOC 0%, a potenza nominale di carica) (2) Circa 10 h
Full discharge time (da SOC 100%, a potenza nominale di scarica) Circa 7,5 h
Tasso di autoscarica -
Rampa nominale di potenza in scarica 12 MW/sec
Rampa nominale di potenza in carica 12 MW/sec
Numero di cicli (a DOD 100%) (3) 4500 cicli
Vita utile calendariale 15 anni
Temperatura operativa di esercizio 305 – 340 °C
(1): L’efficienza è comprensiva dei servizi ausiliari, valutata con riferimento ad un ciclo di carica/scarica completo giornaliero(2): SOC, State Of Charge(3): DOD, Depth Of Discharge
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Il contesto italiano – la scelta dei sistemi di accumulo
Applicazione dei Sistemi di Accumulo
I progetti TernaI progetti Terna
Progetto Energy Intensive
Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”
Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”
Analisi dei costi
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Il Progetto “Power Intensive”La Fase II è subordinata agli esiti positivi della Fase I
I Fase (Storage Lab) II Faseesiti positivi della Fase I
Sardegna:8 MW
Sardegna:12 MW
C d i Codrongianos
Sicilia: Sicilia:
Codrongianos Codrongianos
Sicilia:8 MW
Sicilia:12 MW
Ciminna Casuzze
Totale previsto 16 MW Totale previsto 24 MW
Totale previsto 40 MW
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Storage Lab - Panoramica della sperimentazioneIndividuzione della migliore
tecnologia per un dato servizio•Accumulo/rilascio di energia tecnologia per un dato servizio
•GridScale(>1MW)
gram
ma
di
imen
tazi
one g
•Regolazione di tensione•Regolazione primaria frequenza•Regolazione secondaria di frequenza•Asservimento al sistema di difesa•Analisi tempi di risposta
•Regolazioni (frequenza/tensione);•Load following;•Bilanciamento;
STA
RT
Pro
sper
i
•Analisi efficienza totale•Analisi di compatibilità con i sistemi DSC di “secondo livello”
;•Peak-shaving;•Load-shifting;•Congestion management;•……
T l i ?S
•Module scale (<100kW) ra
mm
a di
m
enta
zion
e • Test di invecchiamento• Creazione circuito equivalente• Test di prestazione• Test termici e climatici• Test di overcharge/discharge
Tecnologie:
•NaS•Litio-ioni•Zebra
?
(<100kW)
Prog
sper
im • Test di overcharge/discharge• Test di sovraccaricabilità• Test di cortocircuito
•Supercaps•Flow•…….
i
PROGRAMMA DI INVESTIMENTI FUTURO e POSSIBILI ULTERIORI STRATEGIE MIGLIORATIVE
Labo
ratori Laboratori scelti per l’esecuzione dei test sui moduli:
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Codrongianos - Layout di impiantoArea StorageArea SET UP MT
EPC
Litio Zebra
N 5 2 Altre tecnologie
Numero 5 2
Potenza 5 3 2 2[MW] 5,3 2,2
EnergiaAltre
tecnologieAltre
tecnologie
Energia [MWh] 4,6 6,2
7
Codrongianos - Layout di impiantoArea SET UP MTArea Storage
Litio Zebra
Numero 4 1Altre
l i
Potenza [MW] 3,9 1,2
Altre
tecnologie
Energia [MWh] 3,9 4,2
tecnologie Altre tecnologie
7
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Applicazione dei Sistemi di Accumulo
I progetti TernaI progetti Terna
Progetto Energy Intensive
Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”
Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”
Analisi dei costi
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Oggetti della sperimentazioneLitio: Rack e moduli
Fornitori TecnologiaEnergia nominale (kWh)
Potenza nominale (kW)
Tensione Massima
(V)
Tensione Minima (V)
Tensione nominale
(V)
Corrente di scarica 1C (A)
Numero di cicli
standard dichiarati
SaftModulo
NCA2 2 28,2 21 25,2
82 3000Saft NCA 82 3000Rack 50 58 818 609 730
BYDModulo
LiFePO42,37 2,37 14,4 11,2 12,8
185 4000Rack 147 147 893,6 694 793,6
SamsungModulo
LMO3,5 3,2 65,9 48 59,2
60 5000Rack 56 52 1054 7 768 947 2Rack 56 52 1054,7 768 947,2
LGModulo
NMC3,2 3,2 59 42 51,8
62 3000Rack 44,96 45 814 588 725
ToshibaModulo Litio‐
titanato1,1 1,1 32,4 18 27,7
40 6000Rack 24,2 24,2 780 480 610
Elementi principali
‐ Alimentazione e unità di controllo
BMS ‐ Interruttore principale
‐ Sensore di Corrente
‐ Fusibile di potenza
R l
23
‐ Relay
Zebra: Moduli
Oggetti della sperimentazione
Fornitori TecnologiaEnergia nominale (kWh)
Potenza nominale (kW)
Tensione Massima
(V)
Tensione Minima (V)
Tensione nominale
(V)
Corrente di scarica 1C (A)
Numero di cicli
standard dichiarati
FIAMM Modulo Zebra 22,5 6,25 640 460 620 10 4500
GE Modulo Zebra 20 10 577 432 557 20 4500
BMS
Elementi principali
‐ Alimentazione e unità di controllo
‐ Interruttore principale
‐ Sensore di Corrente
‐ Fusibile di potenza
‐ Relay
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Relay
Strategia di test
• Test di prestazione;• Test di prestazione a cicli parziali;
• Test di invecchiamento su ciclo di regolazione di a cicli parziali;
• Test di creazione circuito equivalente
gfrequenza;• Test di invecchiamento su cicli standard;
Creazione Creazione modello
invecchiamentomodello elettrico
Valutazione comportamento i di i
Valutazione comportamento in condizioni
• Test di Overcharge;• Test di Overdischarge;
• Test termici;
in caso di guastiin condizioni non nominali
Overdischarge;• Test di Corto circuito.
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Agenda
Il contesto italiano – la scelta dei sistemi di accumulo
Applicazione dei Sistemi di Accumulo
I progetti TernaI progetti Terna
Progetto Energy Intensive
Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”
Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”
Analisi dei costi
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EESS – distribuzione dei costi di realizzazione [%]
Analisi dei costi EESS
Litio Zebra
1%
1% 3%
[ ]
Batterie
PCS
7%
2% 7%
12%
10%
1%1% 8%
Trasformatore
Servizi ausiliari
54%
16%
2%
7%
76%
Apparecchiature di manovra e protezione
SCI
AltroAltro
Batterie
NAS
A causa delle differenze impiantistiche i costi non sono perfettamente comparabili:
• La voce SCI è compresa
PCS‐SCI
Servizi ausiliari5%
6%
14%
nel costo del PCS• Il TR non è oggetto di
fornitura
Apparecchiature di manovra e protezione
Altro67%
8%
21
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
28
Applicazione dello storage nel settore elettrico
GeneratorsThermal Generators
Optimization of Fuel Consumption
Primary Reserve Compensation
Regulation Services to Grid
Given the potentialuser and theapplication, quantifythe economicRenewable Generators
S t O t
Generation Smoothing
Load Following
Primary Reserve (f and V)
the economicbenefits per MWor MWh. Factor inround-tripSystem Operators
Transmission System Operators
Distribution System Operators
Primary Reserve (f and V)
Secondary Reserve (f and V)
Congestion Management
Renewables Integration
round tripefficiency, life timeand number ofcyclesDistribution System Operators
Load
Renewables Integration
T&D Investment Deferral/Avoidance
Electric Transportation
cycles.
Optimize your solutionbased on theseparameters keeping inPublic Service Consumers
Large Industrial Consumers
Support to Energy Efficient Techs
Peak Shaving
UPS Service
parameters, keeping inmind that oftentimesthe best solution mightbe a hybridization
Small Domestic ConsumersDemand Management
Renewable Management
of varioustechnologies.
29