la gestione efficiente dell’energia negli impianti industriali...

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La gestione efficiente dellLa gestione efficiente dell’’energia negli impiantienergia negli impiantiindustriali: soluzioni con micro reti intelligenti.industriali: soluzioni con micro reti intelligenti.

Giordano Torri, Mauro PernaNidec-ASI

3E - Energy, Efficiency and EnvironmentEfficienza energetica e cogenerazione: Quali prospettive

per l’industria italiana nei nuovi mercati energeticiMilano, 11 Luglio 2013

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More than 160 years of experience

Today, as part of the Nidec Group,Nidec ASI is able to offer a widerrange of customers solutions andservices as a leading player in the

supply of industrial automationsystems, power electronics,

electric motors and generators.

Nidec ASI is now ready tochart the next 160 years.

The company can trace itsorigins back to the founding ofAnsaldo in 1853 and was bornas Ansaldo’s stabilimentoelettromeccanico in 1899.

From its inception, AnsaldoSistemi Industriali S.p.A.(ASI) has specialized inproviding innovative powercontrol and system solutionsthat have satisfied hundredsof customers worldwide.

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ForewordForeword

Zeus è il progetto che Nidec-ASI propone per risolvere le problematiche sortenegli ultimi anni in tema di energia.

Zeus contiene diversi strumenti per risolvere i casi più svariati, quali l’efficienzaenergetica, il risparmio energetico, l’uso estensivo delle sorgenti rinnovabili, lapower quality, le strutture di micro reti intelligenti.

Zeus è uno strumento flessibile ed adattabile a svariate situazioni tipicamentesu piccola e media scala, con specifico riferimento a industrie, edifici pubblici,quartieri, zone remote, aree portuali.

Il Progetto ZEUS


Il percorso ZeusIl percorso Zeus

Audit energetico

Interventi

Zeus si sviluppa su due piani: l’audit energetico ed i conseguenti interventi


Audit energeticoAudit energetico

Audit energetico

L’audit energetico esamina la situazione attuale, lo storico dati e valuta unagamma di interventi possibili.

Definizione del perimetro di indagine. Individuazione al suo interno deisottosistemi e/o dei componenti daesaminare. Rilievo puntuale di consumi attuali,storici ed eventualmente il monitoraggiosu breve periodo. Individuazioni di possibili miglioramenti. Individuazione dei KpIs. Calcolo della convenienza economicaR.O.I. Pianificazione finale degli interventi. Attuazione dei progetti.


Tipologie di interventiTipologie di interventi

La gamma di possibiliinterventi può coprire ilsingolo componentequanto l’impiantocompleto per una microrete intelligente. Lafigura mostra la tipicasituazione di unaporzione di reteelettrica dovecoesistono carichi,generatori, accumulo dienergia, connessionecon rete principale esistema di gestione.

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Interventi sul singolo componenteInterventi sul singolo componente


Tipologie di interventi – il caso più semplice 1:il singolo componente di carico.Tipologie di interventi – il caso più semplice 1:il singolo componente di carico.

L’intervento più semplice riguarda l’efficienza energeticaed il risparmio energetico conseguibile a livello disingolo carico. Il caso dei carichi centrifughi spiega beneil risultato del risparmio di energia conseguente allaadozione della velocità variabile.


Tipologie di interventi – il caso più semplice 1:il singolo componente di carico.Tipologie di interventi – il caso più semplice 1:il singolo componente di carico.

Il risultato del risparmio di energiaconseguente alla adozione dellavelocità variabile è mostrato nelledue figure. A sinistra lo svantaggiodella velocità fissa, a destra ilrisparmio energetico a velocitàvariabile.

Pressure

Flow rate0

25

50

75

100

0 25 50 75 100

Characteristic curve ofthe fan or pump at max

speed

Hydraulic circuitcharacteristic

curve

Working point

Characteristic curve of the fanor pump at reduced speed

Energy used by theprocess

Pressure

Flow rate0

25

50

75

100

0 25 50 75 100

Fan or pumpcharacteristic curve

Hydraulic circuitcharacteristic

curve

working point

Hydraulic circuit and dampercharacteristic curve

Energy used bythe process

Energy lost by thedamper


Tipologie di interventi – il caso più semplice 2a: il singolocomponente di generazione distribuita PV.Tipologie di interventi – il caso più semplice 2a: il singolocomponente di generazione distribuita PV.

Le sorgenti di energia distribuita da qualunque fonte siano esse alimentate sono deivalidi interventi al fine di ridurre le emissioni di CO2, disporre di energia all’internodel proprio perimetro (autonomia), ridurre la propria bolletta energetica.I casi più significativi coprono: eolico, fotovoltaico, biomasse, mini-idraulico

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Tipologie di interventi – il caso più semplice 2b: ilsingolo componente di generazione distribuita hydro.

Generatore per minidro a magneti permanenticomandato da inverter AFE.

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Tipologie di interventi – il caso più semplice 2c: ilsingolo componente di generazione distribuita wind.

Generatore per turbina eolica amagneti permanenti comandato dainverter AFE.


Tipologie di interventi – il caso più semplice 3: il singolocomponente di accumulo di energia.Tipologie di interventi – il caso più semplice 3: il singolocomponente di accumulo di energia.

Le sorgenti di energia distribuita creano sulle reti disturbi in quanto la loroproduzione non è programmabile. E’ possibile oggi dotare le reti di sistemi diaccumulo che fanno uso di batterie elettrochimiche, connesse in rete per tramite diun inverter.


Tipologie di interventi – il caso più semplice 4: ilsingolo componente di Power Quality.Tipologie di interventi – il caso più semplice 4: ilsingolo componente di Power Quality.

Le reti elettriche necessitano dell’uso diapparecchiature per ridurre lo scambio di potenzareattiva in determinati nodi, per compensare ifenomeni di flicker, per rendere più stabile la tensione.La tecnologia inverter consente di compensare ifenomeni richiamati mediante opportune tecniche dicontrollo. Si parla quindi di Compensatori Statici.Le tecnologie di conversione usata dai compensatoristatici e dai sistemi di accumulo di energia sono similie pertanto le due funzioni possono essere svolte dauna sola apparecchiatura.

Prechargecircuit

MainContactor

Clean-Power Filter

Disconnector

PowerTransformer

Prechargecircuit

MainContactor

Clean-Power Filter

Disconnector

PowerTransformer

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Benefici sulla rete• Fattore di potenza elevato• Minimizzazione delle perdite nella rete• Basso valore di squilibrio• Miglioramento sulla stabilità della tensione• Riduzione disturbi legati al flicker• Riduzione armoniche

Benefici per gli utenti• Aumento della capacità di trasferimento di potenza• Aumento della power quality e dell’affidabilitàdell’impianto• Nessuna penale sulla potenza reattiva

D-STATCOM e STATCOM

Basati su sezioni AFE in parallelo connessi alla rete per mezzo di un trasformatoreo su inverter multilivello in serie per connessione diretta sulle reti di MT, tali prodottiportano a:

-Q sE

CE

CI

sE

CE

CI

cIXj-Q sE

sE

CE

CE

CI

CI

sE

sE

CE

CE

CI

CI

cIXj

cIXj+Q

sE

CE

CI

sE

CE

CI cIXj

+Q

sE

sE

CE

CE

CI

CI

sE

sE

CE

CE

CI

CI

Funzionamento in capacitivo ed in induttivo

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0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 0.1-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800Converter Leg Currents

Time [s]

Curr

ent

[A]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

50

100

150

200

250

300

350

400Spectrum comparison

Frequency [kHz]

Curr

ent

[A]

IR1

IR2

IR1

IR2

IR1+IR2


CONFIGURAZIONE con SEZIONI AFE in PARALLELOConnessione alla rete MT con trasformatore

0.078 0.0785 0.079 0.0795 0.08 0.0805 0.081 0.0815 0.082

IR1

IR2

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CE

CI

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

HBRIDGE

CONFIGURAZIONE H – BRIDGE MUTILIVELLO SENZA TRASFORMATORECONNESSIONE DELTA

Capacitive operating mode

Inductive operating mode

Voltage and current (x10)

Waveforms of 19 levels cascade inverter


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STATCOM: esempio di installazione NIDEC ASI


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Interventi su uno o più componenti conl’ausilio di un Power Management System

(PMS)

Interventi su uno o più componenti conl’ausilio di un Power Management System

(PMS)


Tipologie di interventi – il caso con utilizzo di un PMS incombinazione con uno o più componenti, carichi e/ogeneratori distribuiti.


E’ possibile associare un Power Managent System (PMS) ai dispositivi di controllo di potenza sia dei carichisia dei generatori distribuiti, installati entro una rete delimitata. Il PMS esegue un continuo monitoraggio emisura sia dei consumi sia delle produzioni. Il PMS attua di conseguenza una gestione ottimale dei flussi dienergia sulla rete per evitare situazioni di sovraccarico, di black-out, di prelievi eccessivi in ore di punta ebilancia i flussi di energia scambiati con la rete pubblica in funzione delle tariffe orarie.Nidec-ASI propone la piattaforma Artics Smart Energy per implementare il PMS.

Componenti




PowerManagement System.

Basic functions

CommunicationsCommunications

Grid interfaceGrid interface

Energy Managementfunctions

Energy Managementfunctions

MonitoringMonitoring

Data acquisition& storage


MeteringMetering

Il SW modulare del PMS installato in Artics Smart Energy consente didisporre di diverse funzionalità, tra le quali si distinguono le funzioni:

“Metering” ovvero il rilievo puntuale delle grandezze energetiche diimpianto.

“Energy Functions”, ovvero l’insieme degli algoritmi in base aiquali sono gestiti i carichi ed i generatori per conseguire gli obiettivi diuso ottimale dell’energia e della qualità del servizio.

“Monitoring”, ovvero la presentazione dei dati di funzionamento,inclusi i KPI.

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Interventi su una porzione di rete (Micro Rete)per renderla “Smart”

Interventi su una porzione di rete (Micro Rete)per renderla “Smart”

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Tipologie di interventi – il caso più complesso è laconfigurazione di una porzione di rete in maniera tale dapoterla rendere autonoma. SMART MICRO GRID.

La rete energetica di un impianto industriale può funzionare entro certi limiti anche in assenza di una rete esternase dotata di adeguata capacità di autoproduzione per soddisfare ai bisogno essenziali. La rete può essereconsiderata come una Smart Micro Grid, dotata di una funzionalità autonoma, utile in casi di black out della reteesterna. Se ciò accade, i carichi sono alimentati in continuità. Si possono contenere se non annullare i costiderivanti dalle perdite di produzione. Il funzionamento della Smart Micro Grid può essere vista come un sistema ilcui funzionamento prescinde dal collegamento con la rete principale. In caso di disservizio di quest’ultima essafunziona in isola. Una Smart Micro Grid ben si adatta alla elettrificazione di impianti in zone remote, non servite dalinee di trasmissione di energia oppure servite da reti deboli, affette da molti disturbi ed interruzioni.

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Grid connectedmode

Islandmode

Synchrocheck

Disconnectionphase

Una Smart Micro Grid ha due stati possibili di funzionamento stabile. Il primo inconnessione con la rete esterna, il secondo in isola disconnessa da ogni altrarete o sottorete.


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L’evoluzione di una semplice rete governata da un PMS verso una rete Smartrichiede due presupposti:

generatori “attivi”, con i quali sia possibile eseguire una regolazione primaria esecondaria di frequenza e di tensione. I generatori Nidec-ASI già presentati nellesezioni precedenti possiedono tale caratteristica.

sistema di controllo della stabilità della rete in frequenza ed in tensione. Ilsistema Artics Smart Energy incorpora queste funzionalità.


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Il dimensionamento delle sorgenti di energia viene valutato in funzione dell’assorbimento dei carichidistribuendolo tra le varie fonti. Uno studio dell’andamento giornaliero dei carichi permette diottimizzare la produzione di energia dalle varie sorgenti. Qui sotto un esempio con generatoritradizionali e sorgenti rinnovabili, unitamente ad elementi di accumulo.

Generatorediesel

Generatore termicocon turbina

Generatorefotovoltaico

Sistema di accumulodi energia

Curva del carico

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Micro-gridControl System

PowerManagement System



OtherMicro-grids


OperationsOperations

Grid interfaceGrid interface

Energy functionsEnergy functions

MonitoringMonitoring



MeteringMetering

Operation control(gridconnect & islanding)

Operation control(gridconnect & islanding)

Operation transition& synchronization

Operation transition& synchronization

Energy balanceEnergy balance

Energy stabilityEnergy stability

Loads & Gen.Management

Loads & Gen.Management

Artics Smart Energy evolve dal tradizionale PMS verso un sistema che consenta dicontrollare la stabilità della tensione e della frequenza di rete, aggiungendo una serie difunzionalità dedicate alla gestione della rete in termini di stabilità di frequenza e di tensione.


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G G

Load Sharing

Cirsuit brakers status

Power metering

Generators feedback

Secondary Voltage & Frequency Control

Synchro check

Loads modulation

SGRID

control

Relays protection


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Controllare i flussi di energia in una micro smart grid:

– Livellare produzione e consumo di energia.

– Contenere le richieste di picchi di potenza.

– Ottimizzare le richieste di potenza ai fini di conseguire la massimaefficienza energetica.

– Conseguire il massimo utilizzo delle sorgenti rinnovabili.

– Prevedere sia la capacità di produzione di energia da parte delleDG che la richiesta di energia dai carichi nel breve e medioperiodo.

– Gestire la priorità dei carichi.

– Gestire lo scambio di energia con la rete esterna.

Supervisione dell’intera smart micro grid.

Gestione delle condizioni di guasto, sia esse interne alla rete cheesterne, con l’eventuale gestione della rete in “isola”.

Il controllo e la supervisione di una smart micro grid

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Il controllo e la supervisione di una smart micro grid

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Gestione della potenza attiva e reattiva.

Inseguimento del punto di massima potenza per ilmiglior utilizzo delle sorgenti rinnovabili.

Misure delle potenze attiva e reattiva prodotta.

Gestione delle condizioni di allarme e guasto.

Previsione della produzione di energia nel medio enel breve termine.

Gestione del data-base storico.

Controllare le sorgenti distribuite di energia

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Controllare le sorgenti distribuite di energia

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Raggruppare I carichi secondo un ordine logico e/ofunzionale e/o di installazione.

Gestione della priorità dei carichi.

Gestione degli allarmi e delle condizioni di guasto.

Previsione delle richieste di energia nel breve e nel medioperiodo.

Gestione del data-base storico.

Controllare i carichi di una smart micro grid

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Controllare i carichi di una smart micro grid

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Un caso concreto di micro rete con autonomaautoproduzione

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Grazie per lGrazie per l’’attenzioneattenzione

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