TECNOLOGIE PER L'EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE
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TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE Scenari di transizione energetica e trasformazione delle reti elettriche di distribuzione Prof. Salvatore Favuzza, Prof. Gaetano Zizzo Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Palermo
notte del 28 Settembre 2003
2
“Evoluzione del sistema elettrico: dalla produzione centralizzata dell’energia elettrica alla
TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Introduzione
La società sta rapidamente cambiando per vari motivi:
➢ Nuove e più complesse politiche ➢ Liberalizzazione sempre più spinta del
energetiche mercato elettrico
➢ Sviluppo delle rinnovabili ➢ Sviluppo sostenibile
➢ Necessità di ridurre le emissioni ➢ Riduzione della dipendenza energetica dagli
inquinanti altri paesi
➢ Riduzione dei costi ➢ Incremento dell’efficienza energetica
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TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Introduzione
La potenza richiesta al sistema elettrico mondiale è in continua crescita.
Nuovi carichi: ICT, Veicoli elettrici (EV), Riscaldamento/Raffrescamento e produzione
di acqua calda sanitaria elettrica.
2050
2050
2010
2010
4
TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Introduzione
Consumo interno lordo di elettricità
CIL [TWh] Anno 2025 Anno 2030 Anno 2040
PNIEC 332 338 -
BAU 342 351 384
CEN 337 342 364
DEC 349 366 405
Il Documento di Descrizione degli Scenari (DDS 2019), edito da Terna e SNAM definisce le possibili
evoluzioni del sistema energetico italiano: uno scenario Business-as-Usual (BAU), che proietta
inerzialmente i trend attuali e che basa lo sviluppo sul merito economico, e due scenari, Centralized
(CEN) e Decentralized (DEC), che raggiungono i target di decarbonizzazione, quota FER ed
efficienza energetica.
PNIEC Piano Nazionale Integrato Energia e Clima
BAU Business as Usual
CEN Centralized
DEC Decentralized
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TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Mobilità elettrica
Crescita costante del mercato delle auto elettriche italiano [1]
Nel 2018 sono stati immatricolati nel mondo quasi 2,1 milioni di veicoli elettrici con un aumento del 78%
rispetto all’anno precedente. La Cina è il più grande mercato globale con circa 1,2 milioni di veicoli
immatricolati nel 2018.
6
[1] School of management - Politecnico di Milano, Energy & Strategy Group, «Smart Mobility Report,» Energy Strategy Group & Politecnico di
Milano, Milano, 05/2019.
TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Mobilità elettrica
[1]
• Scenario base, caratterizzato dal mantenimento del trend di crescita degli ultimi due anni
senza particolari stravolgimenti nel mercato dell’auto elettrica;
• Scenario moderato, il quale risulta essere in linea con quanto previsto dai piani di sviluppo
dei produttori di auto elettriche;
• Scenario accelerato, il quale prevede meccanismi di supporto rilevanti atti a modificare le
abitudini di acquisto degli automobilisti.
7
[1] School of management - Politecnico di Milano, Energy & Strategy Group, «Smart Mobility Report,» Energy Strategy Group &
Politecnico di Milano, Milano, 05/2019.
TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Mobilità elettrica
Nuove immatricolazioni per tipologia di alimentazione al 2050 [2]
8 [2] Cambridge Econometrics, «Fuelling Europe’s Future,» Cambridge Econometrics, 2018.
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Scenari energetici
Continua crescita delle FER [3]
e dei sistemi di accumulo
elettrico [4]
9 [3] School of management - Politecnico di Milano, Energy & Strategy Group, «Renewable Energy
Report,» Energy Strategy Group & Politecnico di Milano, Milano, 06/2020.
[4] ANIE Rinnovabili, «OSSERVATORIO Sistemi di accumulo,» ANIE, 03/2019.
TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Il sistema elettrico
IERI
Generazione
Energia elettrica
Trasmissione
Distribuzione
Consumatori
10TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Il sistema elettrico
OGGI
Generazione
Energia elettrica
Trasmissione
Distribuzione
Consumatori
Generazione ed
accumulo
11TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Generazione distribuita
Delibera AEEGSI n.427/2014/I/eel
(Monitoraggio dello sviluppo degli impianti di generazione distribuita in Italia per l'anno 2012)
Generazione distribuita unità di generazione connesse alle reti di
distribuzione
Piccola generazione impianti di generazione di taglia ≤ 1 MW
Microgenerazione impianti di generazione di taglia < 50 kW
12TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Generazione distribuita
La generazione distribuita pone una grande sfida per il settore
elettrico.
Problematiche economiche ed ambientali limitano la costruzione
di nuove infrastrutture di trasmissione e grandi centrali di
produzione.
D’altro canto, la generazione distribuita da FER ha una produzione
variabile nel tempo, difficilmente prevedibile e dipendente dalle
condizioni climatiche.
13TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
DG in Italia
Numero di unità e potenza installata
https://www.arera.it/it/docs/20/320-20.htm
14produzione totale nazionale si è ridotta di circa 6 TWh e, in termini percentuali, l’apporto da
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fonti non rinnovabili è diminuito (dal 64,9% al 59,9%). In relazione alle fonti rinnovabili, si
evidenzia un aumento rispetto all’anno 2017, imputabile prevalentemente a un incremento della
fonte idrica (dal 12,2% al 16,9%). Si registra, invece, una lieve riduzione di incidenza della
DG in Italia
fonte solare (dal 8,2% al 7,8%), a fronte di un lieve aumento della produzione da fonte eolica
(dal 6% al 6,1%), e da biomasse, biogas e bioliquidi (dal 6,5% al 6,6%).
Distribuzione per produzione annuale
Totale: 67,64 TWh Totale: 55,03 TWh Totale: 289,71 TWh
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
GD GD-10 MVA ITALIA
Geotermica 0,3% 0,0% 2,1%
Eolica 8,0% 2,9% 6,1%
Biomasse, Biogas e Bioliquidi 19,8% 19,0% 6,6%
Solare 31,1% 39,1% 7,8%
Idrica 17,7% 19,5% 16,9%
Fonti non rinnovabili 23,1% 19,5% 60,5%
Figura 2.1. Produzione lorda di energia elettrica dalle diverse fonti nell ’ ambito della GD9
15
Differenziando per tipologia di impianti in funzione delle fonti utilizzate, nel caso della GD si notaTECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
DG in Italia
Distribuzione per potenza installata
Potenza installata
Hydropower
10% Thermal Biofuel
6%
Thermal WtE
6%
Thermal No-RES
55% 12% Thermal Hybrid
1%
0% Geothermal
10% Wind
PV
16TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
DG in Italia
Distribuzione per produzione annuale
Produzione annuale
Hydropower
16% Thermal Biofuel
27%
Thermal WtE
15% Thermal No-RES
Thermal Hybrid
7% Geothermal
2% 14%
Wind
19%
0% PV
17TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
DG in Italia
Distribuzione per livello di tensione di connessione
Livello di tensione
3% 0%
LV
MV
HV
97%
18TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Potenziali benefici della DG
➢ Copertura dei picchi locali di carico
➢ differimento nel tempo di investimenti destinati ad adeguare le reti elettriche di
trasmissione e distribuzione, alla costruzione di nuove centrali di tipo tradizionale e/o
al potenziamento di quelle esistenti
➢ diversificazione nell’approvvigionamento di risorse energetiche
➢ maggiore possibilità di sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili in luoghi
particolarmente favorevoli
➢ Riduzione delle perdite di energia nelle reti
➢ Flessibilità ed incremento dell’autoconsumo nelle comunità energetiche
19TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Potenziali problemi della DG
➢ Incremento delle correnti di corto circuito
➢ Incremento della complessità dei sistemi e delle logiche di
automazione e protezione
➢ Incremento della complessità della regolazione della tensione a causa
della modifica dei flussi di potenza
➢ Riduzione dell’inerzia
➢ Possibili funzionamenti di porzioni di rete in isola
➢ Inquinamento armónico (per i gruppi di generazione connessi mediante
convertitori statici)
20TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Servizi di rete forniti dalla DG
Generatori Generatori Impianti DFIG Generatori
sincroni ad induzione eolici full con
converter convertitore
statico
Voltage ride X X X X X
fault through
Regolazione X X X X X
di potenza
reattiva e di Pr≥6 MW
tensione
Regolazione X X X X X
di potenza
attiva e di
frequenza
Supporto di X X X
tensione
durante i
cortocircuiti
Partecipazio X X X X X
ne ai piani di
difesa Pr≥100 kW Pr≥100 kW
21 Nuovi servizi in fase di studio: Black start, Fast reserve e Inerzia sinteticaTECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Demand Response
SOLUTION D.1
SOLUTION D.2
Automatic double pole thermal
magnetic circuit breaker with
earth leakage module Power supply Power sypply Touchscreen - local control unit
230V 16A 6kA 30mA for BUS KNX for Touchscreen Perdite Perdite
Picco di Perdite
nel in linea
potenza totali
TRAFO [kWh/a]
[kW] [kWh/a]
[kWh/a]
230Va.c. line 230Va.c. line 24Vd.c. line
BASE
Communication BUS 255 18250 2177 20427
CASE
Energy
234 17520 1971 19491
saving
Webserver
Grid
200 15700 1683 17383
service
Sistemi di gestione dei carichi e delle risorse flessibili degli
utenti, facilmente integrabili negli impianti esistenti e in grado di
comunicare con il DSO, un aggregatore o con gli altri membri di
una comunità energetica per implementare logiche di controllo
finalizzate ad ottimizzare uno specifico obiettivo.
La gestione locale del carico ha sempre un impatto sulla rete
elettrica che lo alimenta. La sfida è trovare algoritmi di gestione
delle risorse distribuite in grado di ottimizzare il beneficio per la
rete e per l’utente finale.
22TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Demand Response
Logiche di controllo differenti dei carichi locali hanno un
impatto sui consumi e sulla rete dell’utente diverso in funzione
della località.
Si confrontino i profili di potenza ottenuti per un aggregato di
120 cabine di trasformazione ottenuti per tre diverse logiche di
controllo oltre lo scenario tradizionale: COMFORT – Massimo
comfort preservando la continuità di servizio; ENERGY –
Massimo risparmio energetico; ECONOMY – Massimo
risparmio economico.
Scenario Riduzione Riduzione Riduzione
dei consumi delle perdite delle perdite
annuali annuali annuali
(Torino) (Roma) (Palermo)
Comfort 1780 MWh 800 MWh 90 MWh
Energy 1520 MWh 600 MWh 500 MWh
Economy 2800 MWh 1500 MWh 1700 MWh
23TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Storage elettrico
Lo storage elettrico può essere utilizzato
per incrementare la penetrazione di
rinnovabile evitando il curtailment in caso
di congestioni di rete o di power reverse
flow. E’ fondamentale a tal fine nelle isole
minori non alimentate dalla rete elettrica
principale.
9 9
WINTER SUMMER WINTER SUMMER
7 7
5 5
P (MW)
P (MW)
3 3
1 1
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
24
-3 -3
Ora OraTECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Storage elettrico
Attraverso la regolazione veloce di
frequenza e il servizio di inerzia
sintetica, lo storage elettrico
opportunamente controllato può
contribuire in modo significativo a
ristabilire la frequenza di rete in
presenza di disturbi dovuti a guasti o
improvvisi squilibri.
25TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Storage elettrico
L’introduzione della tecnologia V2G in Italia consentirà, attraverso automobili e sistemi di
ricarica bidirezionali di contribuire a fornire servizi di rete sia per la risoluzione delle
congestioni che per la regolazione di tensione e frequenza.
26TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Microreti DC e ibride AC/DC
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MICRORETE IN DCTECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Microreti DC e ibride AC/DC
28 MICRORETE IN DCTECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Microreti DC e ibride AC/DC
Vantaggi chiave Sfide affrontabili
Microreti DC Microreti AC Microreti DC Microreti AC
Energia in DC Approccio plug-in per tutte le Mancanza di applicazioni Maggiori requisiti di
prodotta/immagazzinata da risorse distribuite esistenti per sistemi di conversione da DC ad AC e di
sistemi FV, celle a Interconnessione, standard di distribuzione DC in bassa nuovo a DC
combustibile e batterie prodotto e codici di rete ben tensione Perdite di energia nella
Energia in DC usata da un sviluppati Attuali mancanze di standard conversione
numero crescente di Familiarità con la approvati e codici di rete per Maggior numero di
dispositivi elettrici progettazione di sistemi apparecchiature DC in bassa apparecchiature e dispositivi
Minori requisiti di conversione elettrici AC in bassa tensione tensione, sistemi di richiesti
Conversione AC-DC più distribuzione e microreti
semplice ed economica della Mancanza di familiarità con la
conversione DC-AC progettazione di sistemi
Riduzione nel numero di Microreti ibride elettrici DC in bassa tensione Microreti ibride
componenti richiesti Adatte per applicazioni in cui Mancanza di architetture di Il controllo del sistema è una
Risparmio energetico attorno la potenza AC e DC è rete DC approvate o sfida
al 5-15% prodotta e consumata riconosciute
Miglioramento nell’affidabilità Vantaggi simili alle microreti Pratiche di sicurezza e
collegato al minor numero di DC protezione differenti da
punti di guasto quelle adottate nei sistemi di
Adatte per edifici Zero-net distribuzione AC in bassa
Energy tensione
Adatte per centri dati Necessità di potenziamento
delle infrastrutture da sistemi
AC a sistemi DC
29TECNOLOGIE PER L’EFFICIENTAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DELLE RETI ENERGETICHE INTEGRATE – 4 GIUGNO 2021
Conclusioni
• E’ in corso un processo di trasformazione epocale delle reti
elettriche verso il modello di smart grid;
• L’interazione tra vettori energetici differenti sta affermando
il modello di reti energetiche integrate;
• Storage elettrico, Demand Response, V2G, nuovi servizi
ancillari, microreti ibride e in DC sono tra i protagonisti di
questa trasformazione.
RUOLO CHIAVE:
EDUCAZIONE DELLA COMUNITA’ ALL’INNOVAZIONE
TECNOLOGICA
30Acknowledgments L’intervento è basato sui risultati delle attività LA1.4 e LA1.6 del Work package: Analisi delle problematiche di gestione per l’integrazione nelle attuali reti in AC di nuove reti in DC in MT/BT (Media Tensione/Bassa Tensione) del Progetto: 2.7 Modelli e strumenti per incrementare l'efficienza energetica nel ciclo di produzione, trasporto, distribuzione dell'elettricità – PTR 2019-2021 Ricerca di Sistema. Scenari di transizione energetica e trasformazione delle reti elettrici di distribuzione Prof. Salvatore Favuzza salvatore.favuzza@unipa.it Prof. Gaetano Zizzo gaetano.zizzo@unipa.it Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Palermo
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