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Fabio Bignucolo - 7 gennaio 2013 -Corso Tecnologie Fotovoltaiche

Dalle reti passive alle smart grid: la generazione distribuita nelle reti di distribuzione MT e BT 14 maggio 2013Ing. Fabio Bignucolo 0

Dalle reti passive alle smart grid: la generazione distribuita nelle reti di distribuzione MT e BT

Ing. Fabio Bignucolo,

Università degli Studi di PadovaDipartimento di Ingegneria Industriale

[email protected]


La rete elettrica del (prossimo?) futuro

La vecchia struttura della rete elettrica a causa dei mutamenti da anni in atto sarà sempre meno idonea alle necessità del futuro, dovrà pertanto modificarsi divenendo più:

La Comunità Europea recentemente ha posto traguardi molto ambiziosi, riassunti dal famoso motto(ridurre del 20% le emissioni di CO2, portare al 20% la produzione da fonti rinnovabili, ridurre del 20% il consumo tramite misure di efficienza energetica, entro il 2020).

“intelligente” - affidabile - sostenibile - economica

“20 20 20 2020” + 20Competenza regionale in ambito energetico



• Non pianificata centralmente

• Non dispacciata centralmente (“generazione indipendente”)

• Connessa alla rete di distribuzione in MT (20 kV) o BT (400 V)

• Taglia medio-piccola (≤≤≤≤10 MVA)

La generazione distribuita (GD)

Aspetti tecnici• Nuove tecnologie disponibili

• Analisi e riduzione dell’impatto sulla rete

Aspetti normativi• Norme tecniche (CEI ecc.)

• RTC di distributori e Terna

• Delibere AEEG

Aspetti economici• Costi di generazione

• Forme di incentivazione

• Gestione di mercato

Aspetti ambientali• Vincoli legislativi

• Emission credits

• Promozione IAFR


• Non pianificata centralmente

• Non dispacciata centralmente (“generazione indipendente”)

• Connessa alla rete di distribuzione in MT (20 kV) o BT (400 V)

• Taglia medio-piccola (≤≤≤≤10 MVA)

La generazione distribuita (GD)

Aspetti tecnici• Nuove tecnologie disponibili

• Analisi e riduzione dell’impatto sulla rete

Aspetti normativi• Norme tecniche (CEI ecc.)

• RTC di distributori e Terna

• Delibere AEEG

Aspetti economici• Costi di generazione

• Forme di incentivazione

• Gestione di mercato

Aspetti ambientali• Vincoli legislativi

• Emission credits

• Promozione IAFR

IAFR ≠≠≠≠GD



La generazione distribuita: benefici e fattori di forza

Generazione Distribuita




Convenienza energetica

derivante dalla cogenerazione



Aumento della capacità di trasporto della rete elettrica

Utilizzo di risorse energetiche locali

altrimenti non utilizzabili

Opportunità di investimento conseguenti alla

liberalizzazione del mercato dell’energia

elettrica




Aumento della capacità di trasporto della rete elettrica





Utilizzo di risorse energetiche locali

altrimenti non utilizzabili

Opportunità di investimento conseguenti alla

liberalizzazione del mercato dell’energia

elettrica

Possibili ottimizzazione

congiunta di piùvettori energetici (elettricità – gas – idrogeno…)

Differimento dei costi di potenziamento dei

componenti di potenza delle reti (linee, trasformatori, …)

Costi della T&D sono cresciuti

mentre quelli della GD si sono ridotti

Tempi brevi di installazione

Localizzazione piùfacile di piccoli

impianti e minore impatto ambientale

Localizzazione piùfacile di piccoli

impianti e minore impatto ambientale

Realizzazione di reti termiche poco estese ed economiche (rete gas naturale è molto

capillare)

Realizzazione di reti termiche poco estese ed economiche (rete gas naturale è molto

capillare)



L’attuale esercizio delle reti di distribuzione

• Esercizio passivo

• Alimentazione di utenze passiva (punti di prelievo di potenza)

• Procedure consolidate per il dimensionamento dei componenti e schemi classici di esercizio della rete (es. regolazione della tensione)



Centrale ElettricaTransformatore

Commerciale

Industriale Commerciale Gr. ContinuitàResidentiale

Sottostazione di distribuzione



L’approccio attuale per la gestione delle reti MT-BT


Flusso energia unidirezionale


Commerciale

Industriale Commerciale Gr. ContinuitàResidentiale




L’approccio attuale per la gestione delle reti MT-BT



Turbina a gas

Cogenerazione

Cogene-razione

Cella Comb.

Micro-turbina

Fotovoltaico

Batterie



Commerciale

Industriale CommercialeResidentiale

Gr. Continuità



Cogene-razione

L’integrazione del sistema di distribuzione


Turbina a gas

Cogenerazione

Cogene-razione

Cella Comb.

Micro-turbina

Fotovoltaico

Batterie



Commerciale


Gr. Continuità



Cogene-razione




Flussi energia bidirezionali

Turbina a gas

Cogenerazione

Cogene-razione

Cella Comb.

Micro-turbina

Fotovoltaico

Batterie



Commerciale


Gr. Continuità



Cogene-razione



Flussi energia bidirezionali

Turbina a gas

Cogenerazione

Cogene-razione

Cella Comb.

Micro-turbina

Fotovoltaico

Batterie

Residential Data Concentrator

Centro Controllo

Utenti rete dati



Commerciale


Gr. Continuità



Cogene-razione




Smart Grids – esempio grafico


Le alterazioni problematiche introdotte nella rete



Le alterazioni problematiche introdotte nella rete

Riduzione/aumento delle perdite di distribuzione

Alterazione dei flussi di potenza nelle linee di distribuzione radiali

Alterazione dei profili di tensione lungo le linee

di distribuzione

Aumento delle correnti di cortocircuito e delle sollecitazioni

sui componenti

Limiti di sovraccaricabilità delle

singole linee

Difficoltà di monitoraggio delle condizioni di funzionamento del sistema di distribuzione con

utenze “attive” e “passive” difficilmente prevedibili (intermittenti, difficilmente modulabili)

Connessione di punti di prelievo e punti di immissione di

potenza

Perdita di selettività delle protezioni di rete

Mancato riconoscimento di funzionamenti anomali nella rete

(guasti ad elevata impedenza, esercizio di porzioni di rete in isola)

Inquinamento armonico nelle reti di distribuzione

Efficacia di procedure di sicurezzasviluppate nell’ipotesi di reti senza

generazione (es. rilevamento tronco guasto)

Funzionamento della rete a bassi fattori di potenza


Criticità legate a disponibilità e aleatorietà IAFR - eolico

Teoria di Betzvento

POTENZA TRASFERITA AL ROTORE PPOTENZA TRASFERITA AL ROTORE P

( )231 12 aavAP r −⋅⋅⋅⋅= ρ

CONDIZIONE DI INTERFERENZA OTTIMALECONDIZIONE DI INTERFERENZA OTTIMALE

31

2max 27

8vRP ⋅⋅= πρ

3

1=a

⋅⋅⋅⋅= 32

2

1vRcP p πρ

Potenza eolica (del tubo di flusso)

59.027

16max

≅=pc




Teoria di Betzvento

⋅⋅⋅⋅= 32

2

1vRcP p πρ

Potenza eolica (del tubo di flusso)

59.027

16max

≅=pc

Potenza generata

velocità del vento (m/s)

Velocità massima(cut-out)

Velocità minima(cut-in)

Velocità tale cheP = Pmax


Parco eolico composto da 3 aerogeneratori da1,2 MWp/aerogeneratore




Criticità legate a disponibilità e aleatorietà IAFR - FV

• Passaggi nuvolosi

• Sensibilità ai disturbi di rete (piccole perturbazioni di rete possono indurre il distacco di grosse quantità di generazione)

• Necessità di immunità ai piccoli disturbi ma contestualmente sicurezza di distacco in caso di forti perturbazioni durature


Criticità legate a localizzazione non uniforme degli impianti



Criticità legate a localizzazione non uniforme degli impianti

Distribuzione della potenza FV pro capite, per regione [W/abitante]Fonte: EPIA

Distribuzione della radiazione solare globale incidente su superficie esposta in modo ottimale [kWh/m2 anno]Fonte: PVGIS

Effetto di normative locali di autorizzazione e incentivazione

Effetto di normative locali di autorizzazione e incentivazione


Reti attuali vs. Reti smart

RETI ATTUALI (esercizio passivo) RETI FUTURE (Smart Grids)

Soluzioni ad hoc per l’allacciamento delle utenze Allacciamento plug&play

Differenti standard (per disp. di potenza e telecom.) Standard comuni

Comunicazioni limitate e mono-direzionali Comunicazioni diffuse e bi-direzionali

Sistemi parzialmente analogici Sistemi digitali integrati

Monitoraggio limitato della reteMisure e sensori integrati in tutti i dispositivi e interfacciati su diversi livelli gerarchici

Sistemi poco monitorati Sistemi con autodiagnostica

Controllo centralizzato Sistemi di controllo gerarchizzati

Pochi sistemi di accumulo Sistemi di accumulo diffusi

Manutenzione/sostituzione a tempo o su eventoManutenzioni/sostituzioni definite dai livelli di performance

Ripresa del servizio manuale Sistemi di protezione autoadattativi, auto-islanding

Scarsità di mercati nei sistemi di distribuzione Mercati pienamente sviluppati localmente

Vincoli ai mercati dati da congestioni di reteRiduzione delle congestioni di rete tramite adeguamenti tecnologici e meccanismi di mercato

Modesto controllo dei flussi di potenzaCondizionamento attivo dei load flow (tramite dispositivi basati su elettronica di potenza FACTS/inverter)

Limitate informazioni di mercato comunicate agli utenti Apertura e trasparenza del mercato nella distribuzione

Utenti passivi Utenti attivi sul mercato



Reti attuali vs. Reti smart

RETI ATTUALI (esercizio passivo) RETI FUTURE (Smart Grids)

Soluzioni ad hoc per l’allacciamento delle utenze Allacciamento plug&play

Differenti standard (per disp. di potenza e telecom.) Standard comuni

Comunicazioni limitate e mono-direzionali Comunicazioni diffuse e bi-direzionali

Sistemi parzialmente analogici Sistemi digitali integrati

Monitoraggio limitato della reteMisure e sensori integrati in tutti i dispositivi e interfacciati su diversi livelli gerarchici

Sistemi poco monitorati Sistemi con autodiagnostica

Controllo centralizzato Sistemi di controllo gerarchizzati

Pochi sistemi di accumulo Sistemi di accumulo diffusi

Manutenzione/sostituzione a tempo o su eventoManutenzioni/sostituzioni definite dai livelli di performance

Ripresa del servizio manuale Sistemi di protezione autoadattativi, auto-islanding

Scarsità di mercati nei sistemi di distribuzione Mercati pienamente sviluppati localmente

Vincoli ai mercati dati da congestioni di reteRiduzione delle congestioni di rete tramite adeguamenti tecnologici e meccanismi di mercato

Modesto controllo dei flussi di potenzaCondizionamento attivo dei load flow (tramite dispositivi basati su elettronica di potenza FACTS/inverter)

Limitate informazioni di mercato comunicate agli utenti Apertura e trasparenza del mercato nella distribuzione

Utenti passivi Utenti attivi sul mercato


Il primo passo verso l’adozione di una strategia comune per lo sviluppo della rete elettrica europea è stata la carta “Vision and Strategy for Europe’s Electricity Network of the future” (aprile 2006).

Il futuro vuole energia affidabile, flessibile, accessibile ed economica, usando sia centrali elettriche grandi che piccoli generatori DG.

L’utente finale diventerà sempre più interattivo sia col mercato che con la rete, l’elettricità potrà essere prodotta e immessa in ogni punto della rete per rendere l’energia più economica e sicura e garantire una inter-operabilità.

Tutto ciò è una Smart Grid (rete intelligente)

Le attuali distinzioni e demarcazioni fra rete di trasmissione e distribuzione tenderanno a sfumare verso una struttura più simile a internet con nodi più o meno importanti da un punto di vista funzionale.

Presenza sempre più massiccia di sistemi piccoli e diffusi sul territorio, in cui il singolo utente potrà interfacciarsi con la rete e con il mercato dell’energia elettrica in maniera attiva (producer+consumer= prosumer).

Smart Grids – le origini



Definizione Smartgrid

E’ una rete elettrica che può integrare intelligentemente il comportamento e le azioni di tutti gli utenti ad essa connessi – produttori, consumatori e produttori/consumatori - allo scopo di assicurare efficientemente un approvvigionamento elettrico sostenibile, economico e sicuro.

Smart Grids – definizione


Smart Grids – cosa NON è

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