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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
fabio.bignucolo@dii.unipd.it
Dalle reti passive alle smart grid: la generazione distribuita nelle reti di distribuzione MT e BT 14 maggio 2013Ing. Fabio Bignucolo 1
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
Fabio Bignucolo - 7 gennaio 2013 -Corso Tecnologie Fotovoltaiche
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• 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
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• 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
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La generazione distribuita: benefici e fattori di forza
Generazione Distribuita
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La generazione distribuita: benefici e fattori di forza
Generazione Distribuita
Convenienza energetica
derivante dalla cogenerazione
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
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Generazione Distribuita
Aumento della capacità di trasporto della rete elettrica
Convenienza energetica
derivante dalla cogenerazione
Convenienza energetica
derivante dalla cogenerazione
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)
La generazione distribuita: benefici e fattori di forza
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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)
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Centrale ElettricaTransformatore
Commerciale
Industriale Commerciale Gr. ContinuitàResidentiale
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
L’approccio attuale per la gestione delle reti MT-BT
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Flusso energia unidirezionale
Centrale ElettricaTransformatore
Commerciale
Industriale Commerciale Gr. ContinuitàResidentiale
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
L’approccio attuale per la gestione delle reti MT-BT
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Turbina a gas
Cogenerazione
Cogene-razione
Cella Comb.
Micro-turbina
Fotovoltaico
Batterie
Centrale ElettricaTransformatore
Sottostazione di distribuzione
Commerciale
Industriale CommercialeResidentiale
Gr. Continuità
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
Cogene-razione
L’integrazione del sistema di distribuzione
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Turbina a gas
Cogenerazione
Cogene-razione
Cella Comb.
Micro-turbina
Fotovoltaico
Batterie
Centrale ElettricaTransformatore
Sottostazione di distribuzione
Commerciale
Industriale CommercialeResidentiale
Gr. Continuità
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
Cogene-razione
L’integrazione del sistema di distribuzione
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Flussi energia bidirezionali
Turbina a gas
Cogenerazione
Cogene-razione
Cella Comb.
Micro-turbina
Fotovoltaico
Batterie
Centrale ElettricaTransformatore
Sottostazione di distribuzione
Commerciale
Industriale CommercialeResidentiale
Gr. Continuità
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
Cogene-razione
L’integrazione del sistema di distribuzione
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Flussi energia bidirezionali
Turbina a gas
Cogenerazione
Cogene-razione
Cella Comb.
Micro-turbina
Fotovoltaico
Batterie
Residential Data Concentrator
Centro Controllo
Utenti rete dati
Centrale ElettricaTransformatore
Sottostazione di distribuzione
Commerciale
Industriale CommercialeResidentiale
Gr. Continuità
Sottostazione di distribuzione
Sottostazione di distribuzione
Cogene-razione
L’integrazione del sistema di distribuzione
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Smart Grids – esempio grafico
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Le alterazioni problematiche introdotte nella rete
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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
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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
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Criticità legate a disponibilità e aleatorietà IAFR - eolico
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
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Parco eolico composto da 3 aerogeneratori da1,2 MWp/aerogeneratore
Criticità legate a disponibilità e aleatorietà IAFR - eolico
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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
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Criticità legate a localizzazione non uniforme degli impianti
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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
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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
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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
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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
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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
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Smart Grids – cosa NON è