I sistemi di accumulo nelle reti
elettriche di bassa tensione:
tecnologie e applicazioni
Workshop: Batterie e Sistemi di Accumulo
8 Novembre 2016 - Rimini Fiera
Ing. Biagio Di Pietra
www.efficienzaenergetica.enea.it
ARGOMENTI
• CONTESTO REGOLATORIO DI RIFERIMENTO
• TECNOLOGIE IMPIEGATE PER I SISTEMI DI ACCUMULO NELLE RETI ELETTRICHE (CENNI)
•
SCHEMI DI CONNESSIONE PREVISTI DALLA NORMATIVA TECNICA
•
SERVIZI OFFERTI ALLA RETE E ALL’UTENTE FINALE
• SISTEMA DI ACCUMULO SPERIMENTALE INSTALATO PRESSO ENEA C.R CASACCIA
• L’ ACCUMULO NEI SISTEMI IBRIDI TERMICI - ELETTRICI
Introduzione
L’evoluzione della generazione distribuita e delle fonti rinnovabili non programmabili (FRNP) ha
portato l’accumulo da componente presenti nei sistemi isolati a componente fondamentale
nella gestione delle nuove Smart Grid
Applicazione principale dei sistemi
di accumulo nei contesti isolati o
critici (anni ’90)
Evoluzione della generazione distribuita in Italia
Un recente report di IHS (Centro Ricerche Americano), prevede una rapida crescita
delle batterie connesse alla rete (mondiale), dai 300 MW del 2012 ai 6 GW nel 2017,
per arrivare nel 2020 a 40 GW di potenza totale installata nel mondo, Fonte. corriere.it
AEEGSi: Delibera 574/2014/R/EEL
Prime disposizioni relative all’integrazione dei sistemi di accumulo di energia
elettrica nel sistema elettrico nazionale
Prima del presente provvedimento gli unici sistemi di
accumulo richiamati nella regolazione vigente erano gli
impianti di pompaggio
e due progetti pilota per sistemi di accumulo
elettrochimico nelle reti AT (288/2012/R/eel):
Due progetti “power intensive” da 16 MW complessivi per Piano di Difesa di terna 2012
Sei progetti “energy intensive” da 35 MW complessivi per Piano Difesa di Terna 2011
Nella Delibera 574/2014/R/EEL vengono riportati gli orientamenti
dell'Autorità per definire, in sede di prima applicazione, le
modalità di accesso e di utilizzo della rete pubblica nel caso di
sistemi di accumulo (elettrochimico).
AEEGSi: Delibera 574/2014/R/EEL
PRINCIPALI DISPOSIZIONI
In particolare con riferimento alla prima variante della Norma CEI 0-16 e alla variante 2
della CEI 0-21 (bassa tensione) vengono definiti:
•
•
le disposizioni per la connessione alla rete dei sistemi di accumulo (regole tecniche);
le condizioni per l’erogazione del servizio di trasmissione e distribuzione e
dispacciamento in presenza dei sistemi di accumulo;
• le disposizioni inerenti l’erogazione del servizio di misura in presenza di sistemi di
accumulo;
• le condizioni per l’utilizzo dei predetti sistemi di accumulo per la corretta erogazione
di strumenti incentivanti o dei regimi commerciali speciali (ritiro dedicato e scambio
sul posto).
5
Delibera AEEGSi 642/2014/R/eel
Servizi di rete e Definizione sistema di accumulo
Con successivo provvedimento, a seguito dell’aggiornamento, da parte del CEI, della Norma
CEI 0-16 (di seguito: Variante 1) e della Norma CEI 0-21 (di seguito: Variante 2)
Completa il quadro regolatorio definendo anche i servizi di rete che devono essere prestati
dai sistemi di accumulo e puntualizza la definizione di sistemi di accumulo, specificando che
i sistemi di accumulo per i quali trova applicazione la regolazione dell'Autorità (e che quindi
sono trattati come gruppi di produzione) sono anche i sistemi in grado di alterare i profili di
scambio (prelievo e immissione) con la rete elettrica.
Escludendo i sistemi di emergenza (UPS) che entrano in funzione solo in corrispondenza
dell'interruzione dell'alimentazione dalla rete elettrica per cause indipendenti dalla volontà
del soggetto che ne ha la disponibilità
Delibera AEEGSi 642/2014/R/eel
Obblighi e certificazioni sistemi di accumulo
I requisiti tecnici (CEI 0-16 e CEI 0-21 V2), devono essere obbligatoriamente rispettati da
tutti i sistemi di accumulo per i quali viene presentata richiesta di connessione dal 21
novembre 2014 (data di entrata in vigore della deliberazione 574/2014/R/eel);
Per le connessioni dei sistemi di accumulo nelle reti di bassa tensione, nell’attesa delle
disposizioni della nuova CEI 021, il richiedente è tenuto ad allegare al regolamento di
esercizio anche una dichiarazione sostitutiva di atto di notorietà dal costruttore del sistema
di accumulo, attestante che il medesimo sistema è conforme a quanto previsto dalla Variante
1 alla seconda edizione della Norma CEI 0-21 nella versione consolidata
Le modalità di prova per le certificazioni sono adesso riportate dalla della CEI 0-21 di Luglio
2016
I ritardi nell’attivazione delle funzioni P(f) e Q(V) per i sistemi di accumulo previste dalla
Variante alla Norma CEI 0-16 e dalla Variante alla Norma CEI 0-21 sono obbligatorie per gli
impianti di produzione per i quali viene presentata richiesta di connessione
dall’1 settembre 2016;
Delibera 574/2014/R/eel : art.6 - Condizioni per l’utilizzo
di sistemi di accumulo in presenza di impianti incentivati
E’ previsto il collegamento di SdA (sistemi di accumulo) con impianti FV incentivati
secondo le regole pubblicate dal GSE
Nel caso di impianti fotovoltaici fino a 20 kW in scambio sul posto che accedono agli
incentivi di cui ai decreti interministeriali 28 luglio 2005 e 6 febbraio 2006
l’installazione di sistemi di accumulo non è operativamente compatibile con
l’erogazione degli incentivi di cui ai medesimi decreti interministeriali.
Nel caso di impianti di produzione che accedono alle tariffe onnicomprensive, ai fini
della corretta erogazione dei predetti incentivi, la misura dell’energia elettrica
assorbita e rilasciata dai sistemi di accumulo, è sempre necessaria
Ai fini dell’ammissibilità agli strumenti incentivanti si considera esclusivamente la
potenza della parte dell’impianto di produzione di energia elettrica al netto dei
sistemi di accumulo, anche nei casi in cui tale sistemi siano parte integrante della
medesima unità di produzione
NORMATIVA TECNICA DI RIFERIMENTO
CEI 0- 16: Regola tecnica di riferimento per la connessione di Utenti attivi e passivi alle reti
AT ed MT delle imprese distributrici di energia elettrica (ultima versione V2 Luglio 2016)
CEI 0-21: Regola tecnica di riferimento per la connessione di Utenti attivi e passivi alle reti
BT delle imprese distributrici di energia elettrica (ultima versione Luglio 2016 – in vigore da
Agosto 2016)
•
•
•
•
Requisiti tecnici dei sistemi di accumulo
schemi di connessione alla rete dei sistemi di accumulo,
Schemi di inserzione dei sistemi di misura e di protezione,
i servizi di rete che i sistemi di accumulo, dal punto di vista tecnico, devono
rendere disponibili
• le capability del sistema di accumulo, definendo i requisiti minimi che il
sistema di accumulo dovrebbe avere per erogare i servizi di rete
• le prove necessarie da applicarsi per comprovare la rispondenza dei SdA ai
requisiti della normativa;
allo stato attuale le prescrizioni si si applicano solo a SdA di tipo elettrochimico
Norma CEI 0-21
principali componenti del sistema di accumulo
• batterie
• sistemi di conversione mono o bidirezionale dell’energia
• organi di protezione, manovra, interruzione e sezionamento in
corrente continua e alternata
• i sistemi di controllo e gestione dello stato di carica dei
singoli moduli (Battery Management System, BMS).
Accumulatori elettrochimici
cenni
11
Parametri energetici caratteristici dei sistemi di accumulo
elettrochimico
La capacità C di una batteria (Ah)
prodotto tra la corrente di scarica (A) e il tempo (h) trascorso fino al raggiungimento della
tensione finale di scarica
- dipende da temperatura, tensione e dalla corrente di scarica
- diminuisce all’aumentare del valore della corrente di scarica.
La capacità nominale corrisponde ad un particolare regime di scarica
Es. Capacità nominale da 100 Ah a 20 ore - Corrente di scarica a C/20 (0,05C) : 5 A
corrente di scarica a C/10 (0.1C) = 10 A
Capacità batteria al piombo gel
12
Parametri energetici caratteristici dei sistemi
di accumulo elettrochimico
L’energia, espressa in Wh, che il sistema fornisce durante la scarica, partendo da
una condizione di piena carica fino alla scarica completa; data dal prodotto della
capacità per la tensione dell’accumulatore. (dipende dal regime di lavoro).
energia specifica, espressa in Wh/kg, rapporto tra l’energia estraibile durante la
scarica (per data potenza) ad e il peso dell’accumulatore – (dipende dal regime
di lavoro).
rendimento energetico : rapporto tra l’energia estratta dal sistema di accumulo
durante una scarica e quella spesa per riportare il sistema nello stato di carica
iniziale. (funzione dei regimi di funzionamento e corrente di scarica)
tempo di vita: numero di cicli di scarica (fino ad una prefissata percentuale del
DOD) e carica completa che una batteria è in grado di completare prima che le
sue prestazioni scendano sotto un limite minimo (tipicamente prima che la sua
capacità si riduca del 20%) – in molti casi legato con legge logaritmica alla
profondità di scarica DOD
Batterie Piombo Acido
È la tecnologia tra le più diffuse al mondo, con 130 GWh di capacità installata,
• basso costo
• larga disponibilità,
• tecnologia matura
• Bassa manutenzione
Tecnologia VLA: Vented Lead Acid, accumulatori aperto
Energia specifica : da 5 e 25 Wh/kg
La tecnologia VRLA (Valve Regulated Lead Acid) ermetici GEL o AGM
(Absorbent Glass Mat) presenta un maggiore rendimento, maggiore DOD
(applicazioni in impianti FV)
Energia specifica: 20 e 45 Wh/kg
Autoscarica : 2-3 % al mese
Corrente di scarica standard: 0,1 C – 0,2 C
Massima corrente di scarica 1,5 C – 5 C (impulsiva)
Numero di cicli 80% DOD : 800 – 1000
Vita utile : alcune batterie commerciali >12 Anni
Fonte grafico: tesi laurea A. BREGOLIN – UNI Padova 2012
Batterie a base Nickel
terza tecnologia al mondo per volume di vendite, dopo quella al piombo e al
litio, (Necessitano di un sistema di controllo della carica BMS
- Buona durata di vita,
- robustezza,
- affidabilità,
- Buono comportamento alle basse temperature
Batterie Nickel – cadmio
possono essere di tipo aperto e di tipo ermetico
Energia specifica 50 – 60 Wh/kg
Autoscarica: 5% mese – (ermetico) fino a 25% mese
Cicli : 1500-2000 cicli di lavoro (DOD 80%)
problematiche ambientali e costo elevato
Batterie Nickel – ioduri metallici (Ni/MeH)
-
Autoscarica: fino a 20%/mese
Energ. Specifica40 e gli 85 Wh/kg,
Possibile problemi perdita capacità per effetto memoria
Applicazione apparecchi portatili
Applicazione diffusa nei veicoli ibridi
Batterie Nickel – cadmio DOD 80%
Batterie al Litio
Negli ultimi anni hanno avuto uno sviluppo molto rapido con possibilità di impiego nei
veicoli elettrici e nelle reti di distribuzione e trasmissione
• dimensioni ridotte
• una capacità specifica molto alta
ioni di litio con elettrolita liquido (LiPF6, LiAlCl4, LiAsF6, ecc)
- Tensione molto alta (da 3 a 4.2 V)
- Alta energia specifica (fino a 230 Wh/kg)
- Numero di cicli molto elevato
- Bassa autoscarica (<2%)
- Non presentano effetto memoria
- Potenzialmente pericolose (fuori rang di V e temp)
- necessitano di un sistema di controllo della carica (BMS)
- litio-ioni-polimeri: presentano minori rischi in termini di sicurezza, con efficienza poco
inferiore - le celle polimeriche hanno una struttura a fogli flessibili
Tensione singola cella 3,7 V
Corrente di scarica standard: 0,2C - 1C
Massima corrente di scarica 3 C – 20 C (impulsiva)
Cicli : 1500 (80% DOD)
- litio metallico : presentano maggiori problemi di sicurezza che ostacolano la commercializ
Batterie ad alta temperatura
- temperatura di lavoro della cella da 270°C a 300 °C, (> conducibilità elettrolita)
- coppie elettrochimiche in grado di fornire energie specifiche molto elevate senza
ricorrere all’utilizzo di materiali pregiati e rari.
-batteria Na/S (sodio/zolfo): moduli ad alta potenza per applicazioni nella distribuzione di
energia elettrica (power quality, load-levelling, peakshaving).
- dinamica della cella molto veloce
- l’assenza di auto scarica (l’elettrolita solido è un perfetto isolante )
- un’energia specifica di 130 Wh/kg
- Cicli : 4500 (DOD 80%)
- è il sistema di accumulo elettrochimico più utilizzato nelle reti elettriche con numerosi
impianti realizzati principalmente in Giappone e negli Stati Uniti
- Un impianto da 180 kW (230 kWh) è stato realizzato da FIAMM in Italia per l’utilizzo del
surplus di energia prodotta da un impianto fotovoltaico
batteria sodio/cloruro di nichel (ZEBRA- Zero Emission Battery
Research Activity) non causano produzione di gas
Applicazione tipica trazione elettrica, stazionario
La capacità della cella è indipendente dal regime di scarica e dalla
temperatura
Batterie a circolazione di elettrolita: Redox
Accumulano energia elettrica utilizzando reazioni accoppiate di ossido-riduzione in cui
sia i reagenti, sia i prodotti di reazione, in forma ionica, sono completamente disciolti
in soluzione acquosa
- Disaccoppiamento della potenza installata dall’energia immagazzinabile
- A pari potenza installata aumenta la capacità aumentando il volume dell’elettrolita e
quindi dalle dimensioni dei serbatoi.
- Particolarmente adatti ad applicazioni di taglia molto grande come ad esempio per il
load-levelling.
Le batterie a circolazione di elettrolita più diffuse impiego sono:
- batterie zinco-bromo (Vcella 1,8 V)
- batterie ai sali di vanadio -VRB (Vcella 1,25 V)
- La VRB integrano un DC/AC, un sistema di controllo e un
sistema di raffreddamento.
-Vita attesa dipende dalla durata della membrana
(circa 10.000 cicli)
Schema della batteria zinco-bromo (RdS/2011/303 )
Caratteristiche dei principali sistemi di
accumulo elettrochimico
Fonte: «La diversità dell’Accumulo» – Mario Conte (ENEA) – rivista Quale Energia 2/2015
Accumulo elettrochimico – Vita utile vs DOD
Nikel Cadmio
fonte Tesi A. Bregolin UNI. Padova Anno Acc. 2011/2012
Sodio-Zolfo - fonte E. Micolano CESI 2009
Caratteristiche sistemi di accumulo
elettrochimico Litio Ione:
Capacità vs corrente di scarica
Capacità vs temperatura ambiente
R. Lazzari, E. Micolano, CESI Ricerca, Febbraio 2010.
Curva caratteristica di scarica per cella litio
polimeri-ione (commerciale)
Range di funzionamento lineare della cella : 20% - 80 % dello stato di carica
Zona di funzionamento che garantisce una maggiore vita utile della cela e della
batteria
Fonte: Kokam.com
Scheda tecnica cella Litio polimeri da 70 Ah
Dimensioni e immagini celle e batterie
Litio - ione
Singola Cella Litio 3,5 V
Modulo di alta potenza da 2 MW di batteria agli ioni di litio
Modulo 12 celle
I super capacitori
Accumulano direttamente energia elettrica in forma elettrostatica
capacità di fornire alte potenze ma per tempi molto brevi
- Applicazioni per servizi di potenza, Nei servizi ancillari delle reti –
- Power quality : utilizzati per migliorare la qualità della fornitura e della tensione
Nelle fonti rinnovabile, possibile applicazioni :compensare le fluttuazioni brevi della
potenza generata, dovuta all’aleatorietà della sorgente primaria
trazione elettrica o ibrida : picchi di potenza in accelerazione o recupero in frenata
Elettrodi: carbone, ossidi metallici, polimeri
tipo di elettrolita impiegato :organico o acquoso
peso ridotti, la semplicità di gestione e di manutenzione, la mancanza di emissioni
Accumuli meccanici: aria compressa
CAES “Compressed Air Energy Storage”.
L’aria compressa può essere immagazzinata in cavità sotterrane ermetiche, ad una
pressione che può variare dai 70 a 100 bar - capacità di accumulo :dai 2 ai 3 kWh/m3,
- motore /turbina
- compressore;
- scambiatore rigenerativo;
- centro di controllo per le operazioni di funzionamento;
- apparecchiature ausiliarie (per esempio accumulo combustibile).
Applicazioni
ridurre i picchi di potenza il peak–shaving
riserva rotante e come supporto per la produzione di potenza reattiva
Accoppiati co fonti rinnovabili non programmabili : accumulo stagionale
Accumuli meccanici: volani - flywheels
Accumulo sotto forma di energia cinetica posseduta da una massa posta in rotazione
attorno ad un asse verticale
Funzione da motore nelle fasi di carica: il volano viene portato a velocità di rotazione
nominale
Funzione da generatore in fase di scarica a velocità variabile
Accoppiato a convertitori elettronici di potenza per
adattare la frequenza generata a quella di rete
Tipologie:
Elevata massa volanica : 10.000 giri/minuto
Volani leggeri: 100.000 giri/min
•
•
•
•
•
Densità di energia : 10 kWh/m3
bassa manutenzione;
elevata efficienza (>90%);
lunga vita (20-30 anni o oltre 500.000 cicli);
lo stato di carica (SOC) si determina attraverso una semplice misurazione della
velocità angolare del rotore;
- Applicazioni da pochi kW nelle telecomunicazioni e per potenze elevate (20MW – 5
MWh costruito dalla Beacon Power nel 2011 – regolazione di frequenza)
- Volano installato presso test facility di RSE (Milano) : 100 kW per 30 s per funzione di
power quality
Diffusione dei sistemi di accumulo nelle reti di distribuzione
e trasmissione mondiali
In Germania dove lo Scambio sul Posto non esiste,
dal 2013 a fine 2015, grazie ad incentivi mirati, sono stati installati circa 19.000 sistemi di accumulo
integrati in impianti fotovoltaici
Fonte: Fraunhofer Institute
BMS: Battery Management System
Architettura modulare composta di moduli locali (slave sui singoli moduli) che
gestiscono gruppi di celle e una scheda Master centrale che gestisce le singole schede
locali
•
•
•
•
•
•
•
•
Misura della tensione della singola cella
Misura della temperatura
Controllo del equilibratura delle tensioni di cella
Attivazione funzione equilibratura tensione di cella (passiva o attiva)
Misura della corrente del pacco batteria
Determinazione del SOC (Stato di carica batteria)
Gestione della sicurezza del pacco batteria
Messa fuori marcia del convertitore in caso di condizioni anomale (es.
tensione di cella alta, tensione di cela bassa, temperatura alta)
• Controllo della corrente di carica e scarica al fine di massimizzarne
l’efficienza di funzionamento (solo alcuni modelli)
BMS: battery management systems per batterie Ioni di Litio
Connessione Utenti attivi con sistema di accumulo :
Schema di collegamento (di principio) dei sistemi di misura
previsti dalla CEI 0-21 (Luglio 2016)
Definizioni (Delibera AEEGSi: 574/2014/R/eel)
Sistema di accumulo bidirezionale : sistema che può assorbire energia elettrica sia
dall’impianto di produzione che dalla rete con obbligo di connessione di terzi;
sistema di accumulo monodirezionale : un sistema che può assorbire energia elettrica solo
dall’impianto di produzione
Sistema di accumulo lato produzione : sistema installato, o nel circuito elettrico in corrente
continua o nel circuito elettrico in corrente alternata, nella parte di impianto compresa tra
l’impianto di produzione e il misuratore dell’energia elettrica prodotta;
Sistema di accumulo post produzione : sistema installato nella parte di impianto compresa
tra il misuratore dell’energia elettrica prodotta e il misuratore dell’energia elettrica prelevata
e immessa.
Schemi di collegamento accumulo reti bt
CEI 021 (Luglio 2016)
33
Accumulo connesso parte CC : misura dei flussi di energia
SdA lato produzione Delibera 574/2014/R/eel
Rete bt
kWh
carico
kWh
M1
M2
M1: contatore energia scambiata
M2: contatore di produzione bidir.
SdA e generatore sono un unico sistema,
per cui condividono DDG e DDI
CC
CC
CC
Acc+ BMS+
convertitore
Rendimento ottimale del sistema complessivo: energia prodotta e accumulata non transita in CA
Fonte elaborazione CEI 0-21
Sistema di accumulo connesso lato CA a valle del contatore M2
SdA lato produzione Delibera 574/2014/R/eel
Rete bt
kWh
M1
M2: contatore di produzione
bidirezionale
carico
kWh
M2
Ideale per integrare sistemi di
accumulo in impianti FV esistenti
Presenza doppio convertitore
CA/CC maggiori perdite rispetto al
precedente
CC
Fonte elaborazione CEI 0-21 – V2
Sistema di accumulo connesso lato CA a valle del contatore M2
SdA lato produzione Delibera 574/2014/R/eel
SdA e generatore sono un unico sistema,
per cui condividono DDG e DDI
Sistema di accumulo connesso lato CA a monte del contatore M2
SdA post produzione ai sensi della Delibera 574/2014/R/eel
Rete bt
Acc+ BMS+
convertitore
kWh
M1
kWh
M3
kWh
carico
M2
M1 e M2 bidirezionali con possibilità
di rilevare i dati con il livello di
dettaglio (orario, per fasce, etc.)
M3 è limitato ai casi in cui corre l’obbligo
dell’installazione per riconoscimento di
incentivi economici
CC
Fonte elaborazione CEI 0-21 – V2
Sistema di accumulo connesso lato CA a monte del contatore M2
SdA post produzione Delibera 574/2014/R/eel
SdA e generatore condividono lo stesso DDI
Eventuale DDI integrativo per gestire separatamente il
carico in isola
SdA e generatore con propri DDI
SdA spostato verso la partedi impianto non abilitata al
funzionamento in isola
Schemi di connessione del sistema di accumulo: CEI 0-21 – V2
Rete bt
kWh
carico
Acc+ BMS
Gli utenti passivi che installano nel loro impianto sistemi
di accumulo diventano a tutti gli effetti utenti attivi della
rete. Deve essere presente un DDI
Servizi di rete richiesti ai sistemi d’accumulo
ai sensi della CEI 0-21
Prescrizioni applicate ai convertitori (inverter) utilizzati dai SdA elettrochimici
per la connessione in parallelo alla rete di distribuzione
Impianto di generazione costituito da: sistema di
accumulo + generatori
il suddetto sistema di accumulo è da considerarsi
singolarmente ai fini delle prescrizioni dei servizi di
rete. (Potenza nominale impianto somma Potenza
generatori e Potenza sistema di accumulo)
Sitema costituito da uno o più generatori e uno o
più SdA, collegati sul bus DC di un inverter viene
considerato come un unico generatore. (Potenza
nominale generatore coencidente con quella
dell’inverter di connessione)
Servizi di rete richiesti ai sistemi d’accumulo di tipo elettrochimico
ai sensi della CEI 0-21
• Regolazione della potenza attiva
• Limitazione della potenza attiva per valori di tensione prossimi al 110% di Un
• Condizioni di funzionamento in sovrafrequenza (la funzione deve essere
escludibile)
• Condizioni di funzionamento in sottofrequenza (la funzione deve essere
escludibile)
• Partecipazione al controllo della tensione (regolazione potenza reattiva)
funzioni e servizi forniti dai sistemi di accumulo connessi
alla rete di distribuzione presso gli utenti finali
Possibili funzioni dei sistemi di accumulo connessi alla rete di
distribuzione presso gli utenti finali
1. Compensazione dei picchi di prelievo dalla rete- ridurre l’aliquota di costo legata
alla potenza installata - (peak shaving)
2. favorire l’autoconsumo dell’energia prodotta da impianti non programmabili (FV)
e accedere a gli esoneri tariffari previsti per i sistemi efficienti di utenza (SEU)
3. Time Shift dell’energia prodotta dalle FRNP (es FV, Eolico) nelle ore di basso o
nullo carico per riutilizzarla nelle ore di alto carico (prezzo più elevato)
4. Funzionamento dell’inverter o generatore nel punto di lavoro di massima
efficienza
5. Compensare le fluttuazioni della potenza generata da FRNP, causate dalla
intermittenza della fonte, (profilo di generazione più regolare, evitare oneri di
sbilanciamanto)
43
Il peak shaving
Peak shaving: Spianamento dei picchi generati dal carico d’utente
Il sistema di accumulo è in grado di erogare potenza per breve tempo per sopperire ad
eventuali picchi di carico
Vantaggi: Possibilità di ridurre la potenza contrattuale riducendo il corrispettivo previsto
per la “Quota potenza”
Soglia di intervento del
sistema di accumulo
Load shift del carico
Componenti tariffa elettrica Delibera ARG/elt 199/11, Delibera ARG/com 201/11)
DEFINIZIONE AUTOCONSUMO
L’autoconsumo è quella parte della produzione che non viene
ceduta alla rete ma viene destinata ai consumi locali dell’utente
Esemipio di Time shift e incremento
dell’autoconsumo dell’energia prodotta
profilo di carico elettrico utenza
residenziale
Profilo di generazione impianto FV
Sistema di accumulo sperimentale (Compensatore
statico) installato presso il C.r ENEA di Casaccia
GRID CONNECTED ENERGY STORAGE PROTOTYPE
Lithium battery pack of 16 kWh
DC/DC converter of 20 kW
IGBT bidirectional - inverter of 30 kVA
Control system of power flows exchange with the grid
Able to be linked with Active Load ( PV plant)
Technology
Lithium-polymer
Cell voltage
3,7 V
N⁰ of cells in each module
12
N⁰ of modules
6
Total energy capacity
16 kWh
Max power output
20 kW
Compensatore statico sperimentale:
Prove eseguite
• Prove di carica e scarica del pacco batterie per testarne i
rendimenti a diversi regimi
• Prova di carica e scarica a diverse potenze per testare i convertitori
di potenza (DC-DC e inverter bidirezionale)
• Prove con la macchina connessa in rete ma in condizione di standby
per valutare gli assorbimenti dovuti agli ausiliari e al
funzionamento in statismo.
• Prove in funzionamento reale del compensatore con i seguenti
servizi:
Load shifting del carico della Cabina MT/BT numero 11 del Centro
Peak shaving del carico elettrico generato dalla colonnina di
ricarica veicolare rapida (potenza di picco di 50 kW)
Sistema di monitoraggio e controllo
Accumulo+carichi
SUBSTATION N°11
LAB BUILDING
EV FAST
CHARGING
STORAGE
SYSTEM
49
Prova Load shifting
Compensazione del carico di Cabina
Potenza Attiva lato bt
Soglia di intervento
Intervento Comp
Potenza Reattiva lato bt
Intervento Comp
Soglia di intervento
50
Prove effettuate con il sistema di accumulo a Litio
installato nel sistema sperimentale
- Corrente di carica: 1 C
- intervallo SOC Carica/Scarica : 20% - 100%
51
PROVE DI SCARICA CON LOGICA A POTENZA COSTANTE
inseguimento del set-point di Potenza attiva impostato dal controllo esterno
Scarica a 6 kW
Scarica a 10 kW
Corrente (A)
Tensione Acc. (V)
Scarica a 14 kW
Scarica a 20 kW
Corrente (A)
Tensione Acc. (V)
Schema del sistema di controllo e monitoraggio
Il sistema di controllo implementato in Labview comunica con
- Il sistema di smart metering della colonnina e FV via TCP/IP
- Con il sistema di accumulo via protocollo CAN
Il controllo in Labview fornisce al sistema di accumulo
- i riferimenti in Potenza attiva assorbita per inseguire la produzione da FV
- I riferimenti in potenza attiva e reattiva per compensare il carico generato dalla colonnina
Prova sperimentale Peak shaving colonnina di ricarica veloce
per veicoli elettrici
Quadro di misura
Prova sperimentale Peak shaving colonnina di
ricarica veloce
Andamento SOC durante la prova
- Scarica per compensare il carico della
colonnina nelle ore serali
- Ricarica da FV
Electric Vehicle charging
Electrical output profile of a 10 kWp PV palnt one day in february
Prova sperimentale Peak shaving colonnina di
ricarica veloce Risultati energetici
The results of the experimental tests show (for one test):
Energy load of EV (nissan leef) during fast recharge: 18.54 [kWh]
Energy supplied by Storage system for fast recharge: 11.84 [kWh]
Total energy supplied by photovoltaic to ESS : 16.00 [kWh]
L’accumulo elettrico e termico
nei sistemi ibridi
Rete BT
CA
Sistema simulato per incrementare l’autoconsumo degli impianti FV convertendo
l’energia elettrica prodotta in energia termica controllando la pompa di calore nei
momenti di basso carico termico ed elevata produzione elettrica
- Accumulo energia prodotta in accumuli termici
- Accumulo una parte dell’energia prodotta in accumulo elettrico
- Aumento dell’autoconsumo riducendo i costi
Sintesi risultati simulazione parametrica sistema ibrido
Edificio residenziale 180 mq
Pompa d calore aria acqua : 35 kW
Fonte ENEA – Ricerca del Sistema elettrico http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/ricerca-di-sistema-elettrico
SISTEMA SPERIMETALE ENEA : ACCUMULO + FV INSTALLATO
PRESSO IL LABORATORIO ENEA DI LAMPEDUA
Il Dimostratore è composto da :
- Sezione 1: FV (4 kWp) – storage Pb (10 kWh )
- Sezione 2: FV (10 kWp) - storage Ion-Li (16 kWh)
- Colonnina di ricarica per veicoli elettrici
http://www.enea.it
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Riferimenti Bibliografici
[1] Rapporto Ricerca di Sistema Elettrico università di Palermo
Report RdS/2011/303 : Analisi e definizione di strategie di gestione e controllo di sistemi
di accumulo elettrico per applicazioni in reti di distribuzione attive automatizzate
[2] E. Micolano "Stato dell’arte e confronto tecnico-economico delle tecnologie di
accumulo elettrico. Sviluppo di un sistema con supercapacitori per applicazioni di Power
Quality: sperimentazione delle funzioni in ambiente di simulazione" CESI Ricerca, Febbraio
2009.
[3] La diversità dell’Accumulo» – Mario Conte (ENEA) – rivista Quale Energia 2/2015
[4] Enrica Micolano, Antonio Buonarota, Claudio Bossi “Sviluppo di modelli di sistemi di
accumulo di tipo tradizionale ed avanzato per impieghi nella GD al fine della loro
rappresentazione nell'interfacciamento con la rete elettrica e della stima dello stato di
carica on-line “ CESI RICERCA GENDIS/GDSTORE 15 Marzo, 2005
[5] B. Di Pietra et al ,, Architetture impiantistiche ibride e sistemi di metering per
l’efficientamento degli edifici intelligenti, Rapporto Ricerca di sistema elettrico Report
RdS/PAR2015/136
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Riferimenti Bibliografici
[6] F. Alessandrini, G. B. Appetecchi, M. Conte Rapporto Ricerca di Sistema Elettrico RdS/2010/233 - Studio di fattibilità tecnica sull’applicabilità delle batterie al litio nelle reti
elettriche – Stato dell’arte e limiti scientifici e tecnologici
[7] http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/ricerca-di-sistema-elettrico
[8] http://www.uttei.enea.it/veicoli-a-basso-impatto-ambientale/programmi-di-ricercasull2019accumulo-di-energia
[9] M. Conte, M. Pasquali, F. Vellucci - Sistema di accumulo con batterie al litio nel
terziario: l’applicazione ad una funivia – Report: Ricerca di Sistema Elettrico Report
RdS/2010/231
[10] F. Vellucci et al - Moduli standard di batterie al litio: test di caratterizzazione e duty
cycle per applicazioni stazionarie, con ottimizzazione del BMS - report Ricerca di sistema
Elettrico, Report RdS/2013/247
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GRAZIE DELL’ATTENZIONE!
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