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 119/07/2013
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
di
Trasmissione
Nodi di generazione Nodi di carico
Rappresentazione schematica di un sistema elettrico (Sistema Elettrico di Potenza)
2
ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA ELETTRICO
(CENNI)
Architettura tradizionale

Modulo 1
ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA
ELETTRICO
19/07/2013 3
Centrali Utenze
Rete
elettri
ca
di
Trasm
issione
Nodi di
generazi
one
Nodi
di
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
Rete
elettri
ca
di
Trasm
issione
Nodi di
generazi
one
Nodi
di
carico
(BT o LV)

Modulo 1
ELETTRICO
19/07/2013 5
Centrali Utenze
Rete
elettri
ca
di
Trasm
issione
Nodi di
generazi
one
Nodi
di
carico
(BT o LV)

Modulo 1
ELETTRICO
19/07/2013 6
Centrali Utenze
Rete
elettri
ca
di
Trasm
issione
Nodi di
generazi
one
Nodi
di
carico
(BT o LV)

Modulo 1
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.
7

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.
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Modulo 119/07/2013 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.
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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.
11

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.).
12

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 13Prof. 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 14Prof. 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
FACTS

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 119/07/2013 17Prof. D. Menniti

19/07/2013 Prof. D. Menniti
18

Giovanna Menniti19/07/2013 Prof. D. Menniti 19

19/07/2013 Prof. D. Menniti 20

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 Menniti19/07/2013 Prof. D. Menniti 24

La rete di distribuzione
Tradizionalmente flussi unidirezionali
Centrali Utenze
Rete
elettric
a
di
Trasmi
ssione
Nodi di
generazion
e
Nodi di
carico
Rappresentazione schematica di un sistema elettrico (Sistema Elettrico
di Potenza)

Centrali Utenze
Rete
elettric
a
di
Trasmi
ssione
Nodi di
generazion
e
Nodi di
carico
di Potenza)

Attualmente Flussi Bidirezionali
Centrali Utenze
Rete
elettric
a
di
Trasmi
ssione
Nodi di
generazion
e
Nodi di
carico
di Potenza)

Generazione distribuita:
alcune definizioni
Impianto di
Rete per la
Connessione
Punto di connessione
DG
DDI
DDG
DG
N.A.
Impianto per la Connessione
InterruttoreG
G
G
G
G
G
CPai trasf. AT/MT
52-252-1
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
G
G
G
G
G
G
CPai trasf. AT/MT
52-252-1
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

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
tore

•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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