opportunitào necessità per un efficace funzionamento

66
dossier
energiedelfuturo
I sistemi di
accumulo
secondo CESI:
opportunità o necessità
per un efficace funzionamento
del sistema elettrico?
di Antonio Ardito,
Alessandro Clerici,
Daniele Daminelli,
Olivier Lamquet | CESI
economico degli investimenti nel campo delle rinnovabili;
3 l’impiego dell’elettricità, in una prospettiva di più lungo termine, in usi non
elettrici come trasporto e/o riscaldamento.
L’Italia si è mossa in prima fila con una
serie di incentivazioni che hanno portato
ad avere ora in servizio circa 17.000 MW
di impianti fotovoltaici e 9.000 MW di
eolici, con seri impatti sia sulle bollette
dei clienti finali, sia sul funzionamento
del sistema elettrico, specie in periodi di
bassi consumi e durante le assolate ore
giornaliere, e sia per “colli di bottiglia” nel
sistema di distribuzione e trasmissione che
non permettono in alcune ore il vettoriamento delle rinnovabili.
Tali problematiche e lo sviluppo delle
tecnologie nel settore batterie, legato prevalentemente agli investimenti per i veicoli
elettrici, hanno visto mettere in discussione i due pilastri che hanno dominato lo
sviluppo dei sistemi elettrici fin dalla loro
nascita, circa 130 anni fa, e cioè:
1. l’energia elettrica in ogni istante deve
essere prodotta in valore uguale al carico (non è possibile/conveniente l’accumulo di elettricità);
2. l’energia è prodotta “economicamente”
in centrali di grossa taglia e trasmessa
da loro ai carichi con un percorso unidirezionale top-down.
Lo sviluppo sopra menzionato della generazione aleatoria e distribuita è stato ed
è il principale attore di possibili inversioni
di flusso, specie nei sistemi di distribuzione (i carichi che sono diventati in vari
nuova energia 4-2013
L’accumulo, nella sua forma idroelettrica,
non è certo un concetto nuovo per le reti
elettriche e storicamente le centrali elettriche di pompaggio sono state impiegate
per bilanciare la produzione elettrica con
la domanda e fornire servizi ancillari. Tuttavia, l’aumento dell’efficienza delle centrali termoelettriche (in particolare di quelle a
cicli combinati) e la maggiore certezza sui
loro tempi e costi di realizzazione hanno
progressivamente ridotto l’attrattività e la
competitività delle centrali idroelettriche
di pompaggio, con la conseguenza che la
sicurezza e l’affidabilità dei sistemi elettrici
sono fortemente dipendenti dalle centrali
termoelettriche.
In questi anni, sotto l’impulso delle direttive europee sulle energie, le politiche
di riduzione dei gas ad effetto serra stanno
provocando una sostanziale riduzione della quota delle centrali termoelettriche nel
mix di generazione e richiedono quindi
un ripensamento profondo dell’organizzazione della sicurezza dei sistemi elettrici.
Questa tendenza crea di fatto di nuovo i
presupposti tecnico-economici per l’impegno dei sistemi di accumulo nelle reti elettriche, ovvero la necessità di incrementare
la flessibilità e la stabilità delle reti elettriche con lo scopo finale di far fronte a:
3 l’aumento della domanda;
3 l’incremento del livello di penetrazione
della produzione da fonte rinnovabile
non programmabile;
3 la riduzione del distacco dei generatori
da fonte rinnovabile, riducendo così la
dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili e migliorando il ritorno
67
nuova energia 4-2013
casi prosumer) e di problematiche di colli
di bottiglia per sovraccarichi di linee e tali
da rendere difficile su alcune porzioni del
sistema elettrico il trasporto dell’energia
prodotta dalle FER.
Occorre notare inoltre che, a parte i
problemi di inversioni di flusso e di congestioni, in condizioni di rilevante produzione da fonti rinnovabili aleatorie e per
effetto delle regole di mercato che offrono
loro priorità di dispacciamento, si pongono problemi per:
3 la necessaria capacità di riserva e di bilanciamento da parte di centrali convenzionali (le centrali alimentate da
fonte rinnovabile non sono obbligate
a mantenere margine di riserva per il
bilanciamento del carico elettrico);
3 la difficoltà delle centrali convenzionali
a rispondere a rampe di carico dovute
alla variabilità della produzione di kWh
da sole e vento (e di particolare importanza sono ora in Italia le rampe in
discesa al mattino con l’immissione di
energia fotovoltaica e di sera le rampe
in salita per sopperire al calare del sole);
3 il critico comportamento del sistema
in condizioni dinamiche a causa della
ridotta “inerzia meccanica” dovuta alla
sostituzione della generazione sincrona
convenzionale con la generazione interfacciata con elettronica di potenza fisicamente priva d’inerzia.
L’applicazione dei sistemi di accumulo – concentrati o distribuiti, sia sulla
trasmissione sia sulla distribuzione, fino
all’utenza finale – sta diventando quindi
una possibile risorsa, in fase di analisi da
parte dei principali utilizzatori del sistema
elettrico, per alleviare ed eliminare le criticità sopra riportate.
Diverse sono le domande che sorgono di fronte ad un possibile inserimento massiccio degli accumuli: quali precise
esigenze i sistemi di accumulo sono in
grado di soddisfare, quale tipo di servizio
e quali specifiche caratteristiche funzionali devono avere per facilitare un efficace
funzionamento del sistema elettrico? Quali caratteristiche tecnologiche e costruttive
sono necessarie oggi e nel prossimo futuro per rispondere ai requisiti funzionali,
ambientali, di sicurezza, di vita utile e di
economicità? Come disegnare un sistema
regolatorio ed eventuali schemi di incentivazione iniziale per favorire l’ingresso di
questi sistemi nel mercato? Come scenderanno i loro costi?
I principali campi di applicazione dei sistemi di accumuloFigura 1
Generazione
trasmissione
distribuzione
utenza
Micro-grid
Impianto convenzionale
Gestore Rete
di Trasmissione
Gestore Rete
di Distribuzione
Impianti RES
Prosumer
Ambiti di applicazione
e tecnologie dei sistemi
di accumulo
Sebbene anche i dispositivi di stoccaggio termico possano avere interessanti applicazioni a livello dei consumatori o in
combinazione con i grandi impianti di
concentrazione solare, in questo articolo
si considerano solo accumuli rilevanti per
il sistema elettrico (con l’esclusione delle
micro-grid).
I sistemi di accumulo rappresentano
una soluzione tecnologica “trasversale”
per il sistema elettrico, nel senso che si
prestano ad essere adottati da diversi attori, al fine di facilitare l’economico funzionamento dei loro assets e di poter avere
da parte dei consumatori finali prelievi di
potenza/energia flessibili e tali da minimizzare i costi delle loro bollette elettriche in
funzione di evoluti piani tariffari.
In passato, l’accumulo nel settore
elettrico è stato principalmente utilizzato con unità centralizzate di grandi dimensioni adibite a stoccaggio per
durate lunghe (pompaggio idroelettrico
che rappresenta ancora la stragrande
maggioranza degli impianti di accumulo
installati nel mondo). Tali accumuli centralizzati potrebbero risolvere i diversi
problemi elencati se la rete fosse ideale, ossia senza vincoli locali sui transiti
di potenza; la realtà del sistema di trasporto e distribuzione con gli inevitabili
vincoli fa sì che a livello locale il loro
intervento sia precluso in vari casi e si
assiste quindi ad un interesse emergente
di stoccaggi decentralizzati, tali da sod-
disfare una varietà di funzioni e fornire
benefici ai diversi stakeholder.
L’impianto di stoccaggio può essere collegato direttamente sulla rete di trasmissione o distribuzione, in prossimità di centrali convenzionali o rinnovabili o a livello
dei singoli consumatori (Figura 1). Lo stoccaggio di energia elettrica può essere posizionato vicino alla generazione o vicino al
carico, gestito in modo centralizzato o in
maniera decentrata; può essere un “bene
comune” di cui beneficia l’intero sistema
o una “risorsa dedicata” per i vantaggi di
un singolo attore. In questo contesto la
regolazione gioca un ruolo fondamentale.
Le funzionalità più interessanti che si
richiedono ai sistemi di accumulo possono essere classificate in via semplificata in
base ai “requisiti” che li caratterizzano:
3
sistemi che lavorano “in potenza” e che
prevedono lo scambio di elevate potenze per tempi brevi (da frazioni di
secondo a qualche decina di minuti);
3
sistemi che lavorano “in energia” e che
prevedono lo scambio costante di potenza per tempi lunghi (con autonomia
nell’ordine delle ore).
La Figura 2 riporta sinteticamente per i
differenti ambiti di applicazione le tipologie di accumulo per i sistemi elettrici.
Quadro normativo
e regolatorio
L’entità e la velocità di sviluppo dei sistemi di accumulo è chiaramente legata
all’evoluzione del quadro normativo, di
quello regolatorio e ad una significativa
riduzione del loro costo.
dossier
68
energiedelfuturo
Applicazioni e tipologie di sistemi di accumulo Figura 2
Tecnologie
specifiche
“in energia”
Maturità
Tecnologica
Tecnologie
“trasversali”
Maturità
Tecnologica
Matura
Tecnologie
specifiche
“in potenza”
Fonte: Smart Grid Report – Energy Strategy Group 2013
Maturità
Tecnologica
Matura
Idro
NA/S
CAES
Redox
Matura
Sviluppo
Embrionale
Pb/Acido
Na/NiCl
Li/ion
Ni/Cd
Ni/MH
Sviluppo
Embrionale
Sviluppo
Embrionale
Volani
SC
SMES
Prestazioni “in potenza”
addizionali per i clienti finali. I primi atti
sono stati dedicati a sperimentazioni per
il soggetto regolato Terna e sono in definizione quelli relativi ai DSO. Permane
il delicato tema di una normativa in grado di definire adeguati modelli di business per i servizi dei sistemi di accumulo.
Considerando l’impatto che potrebbe avere un accumulo distribuito presso ciascun
utente e che dovrebbe promuovere rinnovabili distribuite e auto-consumate con
minimo impatto sul sistema elettrico, da
parte di associazioni di categoria si preme
su un’apertura a tale regolazione per gli
utenti finali.
La Germania ha iniziato un programma di due anni per incentivare gli accumuli distribuiti associati a sistemi fotovoltaici, lo schema di remunerazione prevede
un incentivo qualora l’immissione in rete è
contenuta ad un massimo del 60 per cento della generazione, al fine di promuovere l’autoconsumo dell’energia prodotta e
ridurre le interazioni con la rete.
Pur nel quadro complessivo di regolazione technology neutral, appare ragionevole
la definizione di un regime incentivante
rivolto ai sistemi di accumulo, circoscritto
e limitato nel tempo, al fine di sostenere la
prima fase di sviluppo.
Esigenze, requisiti funzionali
e prove
Le possibili esigenze cui possono rispondere i sistemi di accumulo per il sistema elettrico sono molto variegate e di
conseguenza le specifiche funzionali di
tali sistemi possono variare moltissimo
in termini di taglia (potenza nominale
nuova energia 4-2013
Non esiste oggi una copertura normativa completa per i sistemi di accumulo di
cui qui si tratta. Esistono certamente norme che riguardano singoli componenti,
per esempio le apparecchiature elettriche
che costituiscono il Power Conversion System
(PCS) ed il Balance of Plant (BoP) e che si
frappone fra il punto di connessione alla
rete e i sistemi di accumulo propriamente
detti, i quali a loro volta dispongono di
una loro elettronica di controllo, Battery
Management System (BMS).
Per quanto riguarda le batterie elettrochimiche, le norme coprono bene le
tecnologie tradizionali al piombo, in uso
da sempre nei sistemi di trazione, nelle
stazioni e centrali elettriche, e quelle al
nichel-cadmio e al litio, per alimentazione
di apparecchiature elettroniche (telefoni
cellulari, notebook, eccetera) e per la moderna trazione veicolare. Buona parte delle
tecnologie innovative oggi in fase embrionale o di sviluppo per le applicazioni in
oggetto non sono normate.
La IEC ha recentemente costituito un
comitato tecnico denominato Electric Energy Storage System con il compito di emettere
norme, insieme a rapporti tecnici e specifiche tecniche, proprio per i sistemi di
accumulo per i sistemi elettrici, coprendo
così il vuoto normativo. In Italia il CEI ha
costituito il comitato CT 120, analogo per
finalità a quello avviato in ambito internazionale.
Relativamente al quadro regolatorio,
l’AEEG in Italia ha stabilito un chiaro
principio “prima si sperimenta e poi si
regola” sulla base dei benefici evidenziati dalla sperimentazione per evitare oneri
Prestazioni “in energia”
ed energia nominale accumulata), tempi
di risposta e caratteristiche dinamiche in
genere (rampa di carica e di scarica, inversione rapida di flusso), cicli attesi di carica/
scarica e vita attesa della batteria.
Un aspetto fondamentale che costituisce
anche un requisito non facile da specificare è la vita utile della batteria in funzione
della quantità di cicli standard carica/scarica di riferimento che rappresentino nel
modo più significativo possibile le sollecitazioni della batteria durante l’esercizio.
Ovviamente si tratta di una definizione
approssimativa ed esistono fondati dubbi
che oggi, in assenza di sperimentazioni di
lungo periodo, questi cicli siano effettivamente rappresentativi delle sollecitazioni
in reale esercizio.
D’altra parte la vita utile delle batterie è
un aspetto molto critico, anzi decisivo, per
definire la convenienza tecnico-economica
dell’installazione di sistemi di accumulo
su vasta scala.
Per quanto concerne le prestazioni in
termini di compatibilità elettromagnetica,
come per tutte le apparecchiature e in particolare quelle basate su elettronica di potenza, devono essere forniti da una parte
i valori garantiti delle caratteristiche della
tensione (disturbo armonico, squilibri, eccetera) della rete nel punto di connessione, e dall’altra parte devono essere anche
definiti i limiti di emissione imposti al
sistema di accumulo. Come noto, esistono diverse norme sulla compatibilità elettromagnetica che si possono applicare o
cui si può fare riferimento, considerando
il sistema di accumulo come un qualsiasi
convertitore statico.
Le protezioni minime d’interfaccia del
sistema di accumulo devono garantire il
corretto funzionamento del sistema in
parallelo alla rete. Il sistema di accumulo
deve essere in grado di rimanere connesso
in caso di guasti esterni, nella zona d’insensibilità agli abbassamenti di tensione. Il
sistema di protezione del sistema di accumulo deve inoltre essere in grado di eliminare selettivamente e tempestivamente i
guasti interni.
Inoltre il sistema deve essere equipaggiato con tutti i servizi ausiliari, ovvero i
sistemi e dispositivi necessari per il corretto e sicuro funzionamento di ogni componente del sistema stesso.
Il sistema di accumulo deve essere dotato di un sistema di controllo integrato
per la gestione locale del sistema stesso
69
e per l’interfacciamento con i sistemi di
controllo di livello superiore. È da notare
che questo sistema di controllo a sua volta
si deve interfacciare con il cosiddetto Battery Management System (BMS), ossia il sistema di gestione e controllo locale di ogni
modulo batteria e dei suoi componenti,
tra cui i servizi ausiliari.
Da quanto esposto sopra, è evidente la
complessità funzionale e costruttiva di un
sistema di accumulo completo, specie se
le prestazioni richieste per servizi di rete
sono particolarmente impegnative.
Ne consegue che, se da una parte la prova dei singoli componenti e sottosistemi
rimane essenziale e prioritaria, la verifica
funzionale dell’intero sistema di accumulo
assemblato è di fondamentale importanza.
Si ritengono utili anche prove di laboratorio che, in un intervallo di tempo relativamente breve, possano sottoporre l’intero
sistema di accumulo, o almeno una parte
molto significativa di questo, ad un insieme
di sollecitazioni che nel servizio normale
anche sperimentale in rete non possono
verificarsi se non forse in tempi molto lunghi (ad esempio: guasti in rete, buchi di
tensione, interferenze elettromagnetiche).
Il CESI e i sistemi di accumulo
Nelle sue attività all’estero il CESI si è
trovato (ad esempio in Irlanda, Polonia,
Romania, Turchia, Marocco, Tunisia, Libia,
Giordania, eccetera) a dover considerare i
sistemi di accumulo nella definizione dei
limiti tecnico-economici ammissibili per
la massima penetrazione delle rinnovabili
volatili nel particolare Paese.
Sul fronte della generazione convenzionale sono disponibili modelli ed esperienze per valutare l’impiego dei sistemi
di accumulo, al fine di ridurre rampe di
carico o massimizzare la produzione delle
centrali convenzionali svolgendo direttamente funzioni di regolazione primaria e
“liberando” potenza vendibile dall’impianto. Mentre per la generazione rinnovabile
sono state studiate applicazioni di sistemi
di accumulo al fine di ridurre le rampe di
I sistemi di
accumulo
secondo CESI:
opportunità o necessità
per un efficace funzionamento
del sistema elettrico?
potenza immesse in rete a valori ammissibili (come previsto da particolari normative estere) o per immagazzinare energia
che non verrebbe dispacciata per problemi di rete.
Per quanto riguarda i DSO e i TSO sono disponibili modelli sofisticati per studi
di valutazione dei vantaggi tecnico-economici dei sistemi di accumulo appropriatamente inseriti e definendo sia le principali
caratteristiche e sia le indispensabili prove
al commissioning per verificarne i comportamenti. Inoltre, l’impatto sulla riduzione
o differimento di interventi strutturali per
rimuovere colli di bottiglia sono in fase di
esame in alcuni Paesi.
Per le applicazioni per utenti finali sono
state fatte valutazioni sui possibili vantaggi
dei sistemi di accumulo in particolari situazioni tariffarie (ad esempio in Giappone) che penalizzano i prelievi in potenza
dalla rete e ne favoriscono il peak-shaving.
Sono state sviluppate anche analisi sull’effetto di accumuli presso utenti finali al
fine di favorire l’autoconsumo delle fonti
rinnovabili distribuite per agevolare il funzionamento del sistema di generazione e
distribuzione del Paese.
Sono in corso particolari interventi
verso fornitori di sistemi di stoccaggio
per ottimizzare il loro design in funzione
delle caratteristiche richieste dai clienti e
verificare il comportamento dinamico del
BMS/PCS e collegamento con il sistema di
controllo del gestore della rete.
Sono altresì in atto prove sui componenti e proposte di prove sull’intero sistema di accumulo o su sue parti rilevanti,
così come consulenza e prove su tavole
vibranti per verificare il trade-off tra cablaggi e assemblaggi in fabbrica dei sistemi di
accumulo, sottoponendo il sistema a stress
durante il trasporto, o se effettuarli in loco.
Conclusioni
nuova energia 4-2013
I sistemi di accumulo stazionario per
servizi di rete sono complessi e costituiti
da componenti e sottosistemi che vengono oggi per la prima volta assemblati
allo scopo di garantire prestazioni molto
spinte in termini soprattutto di velocità di
risposta e di dinamica. La loro specificazione è alquanto complessa anche perché
la normativa è ancora carente e in fase
di elaborazione, non potendo contare per
ora su significative esperienze di esercizio.
La verifica delle prestazioni e della
rispondenza ai requisiti funzionali così
stringenti non è agevole e il ricorso a laboratori adeguatamente attrezzati può dare
un impulso notevole all’applicazione di
queste tecnologie, accorciando di parecchio i tempi per accertare la conformità
di questi sistemi ai loro requisiti specifici e
tranquillizzando anche chi deve decidere
di questi investimenti.
I possibili scenari sono molteplici per la
localizzazione, il funzionamento e i principali servizi che i sistemi di accumulo
di energia elettrica potrebbero fornire. Il
ruolo futuro dell’accumulo sarà determinato da sistemi regolatori lungimiranti ed
efficienti, così come da normative tecniche
appropriate, ma anche dalla riduzione del
costo dei sistemi stessi. Il CESI con le sue
competenze si pone come fornitore di servizi essenziali sia ad enti di pianificazione,
regolazione e normativa internazionali, sia
ad acquisitori di sistemi di accumulo che
a sviluppatori e fornitori degli stessi o di
loro componenti.
Rimane comunque indubbio che l’accumulo elettrico non possa (e non debba)
rappresentare l’unico approccio alle nuove
problematiche introdotte dalle rinnovabili; rappresenta una soluzione promettente
che deve comunque essere accompagnata
da altre misure quali la flessibilizzazione
della generazione, la flessibilizzazione della
domanda, l’aumento delle interconnessioni e la flessibilizzazione delle reti elettriche.