ICT efficienti per Smart Grid efficienti · potenza non superiore a 10 MW (CEI 0-16) • Obbligo...

L’ICT e l’efficienza energetica

Torino, 5 luglio 2010

ICT efficienti per Smart Grid efficienti

Paolo Mora, Diana Moneta

Luglio 2010

2P. Mora - 05/07/2010

Agenda

• ERSE e le sue attività

• Le strategie europee

• L’evoluzione della rete elettrica

• Il ruolo delle tecnologie di comunicazione

• Il ruolo delle utenze e l’auto elettrica

3P. Mora - 05/07/2010

ERSE S.p.A. (formerly CESI RICERCA S.p.A.) has been established at the end of 2005, with the mission to take over funded research activities of national and international interest focused on electricity and energy sector and it started operating on January 1st 2006.

ERSE S.p.A. is currently owned by GSE, a publicly-owned company promoting and supporting renewable energy sources in Italy.

• ~400 researchers and technicians in 4 departments

• research on all aspects of energy sectors: security, power supply, regulation…

ERSE S.p.A.

4P. Mora - 05/07/2010

Attività di ricerca ERSE nel settore ICT

• Comunicazioni per le reti elettriche: Power Line Communication, wireless ecc.

• Sistemi di supervisione e controllo (funzioni di tipo coordinato e distribuito)

• Protocolli per reti elettriche

• Interfaccia con le risorse distribuite

• Sistemi multimetering

• Sensoristica per reti attive

• Cybersecurity

5P. Mora - 05/07/2010

Agenda






6P. Mora - 05/07/2010

Efficienza energetica

Energie primarie (combustibili fossili, uranio, vento, ecc.)

Risultati (produzione industriale, servizi terziari, trasporti, comfort domestico, ecc.)

Sistema energetico

• Considerare l’impatto ambientale e le prospettive di disponibilità nel tempo delle energie primarie

• Considerare i risparmi possibili a parità di obiettivi raggiunti

(garantire almeno lo stesso livello di servizio, usando meno energia)

7P. Mora - 05/07/2010

Il sistema elettrico

Dal sistema energetico al sistema elettrico, con qualche contaminazione (la cogenerazione, l’auto elettrica)

Generazione Trasmissione Carichi

8P. Mora - 05/07/2010

Le strategie europee

• 2009 - Second Strategic Energy Review - Securing our Energy Future (follow-up)

• 2008 - Strategic Energy Review • 2008 - Climate Action • 2007 - Towards a low carbon future (SET-Plan) • 2007 - Electricity & gas markets • 2007 - Energy policy for Europe • 2006 - Green paper Energy

Inoltre:• 2010 - European Energy Programme for Recovery (EEPR)• 2010 - A digital Agenda for Europe

9P. Mora - 05/07/2010

Agenda






10P. Mora - 05/07/2010

Il cambiamento del contesto (1)

Distributed Energy Resources

Generatori

Carichi

Accumuli

Carichi

Generatori

Accumuli

DER

Rete a Generazione Distribuita=Energie rinnovabili

e Cogenerazione+

Strategie europee

Rete elettrica “tradizionale”

Mercato monopolistico *+

Offerte commerciali più complesse

Business Models=

Liberalizzazione e mercato elettrico

* Parallelo con l’evoluzione del mercato delle telecomunicazioni

11P. Mora - 05/07/2010


Rete elettrica “tradizionale”

Mercato monopolistico

Automazione “gerarchica”

Energie rinnovabili e Cogenerazione

+

Liberalizzazione e mercato elettrico+

Offerte commerciali più complesse

Business Models=

ICT e automazione diffusa

=

Generatori

Carichi

Accumuli

Generatori

Carichi

AccumuliRete a Generazione Distribuita=

Smart GridDER

Distributed Energy Resources

Information and Communication Technology

Scambio informativo diffuso

+

Innovazione tecnologica Maggiore complessità

12P. Mora - 05/07/2010

produzione trasmissione distribuzione utenti

oggi

domani

Mercato verticalmente integratoI generatori “seguono” il carico

Liberalizzazione del mercatoGeneratori e carichi operano in modo coordinato

rete

“intelligente”


13P. Mora - 05/07/2010

Smart Grid

14P. Mora - 05/07/2010

La piattaforma europea Smart Grid

Approccio integrato a livello tecnico, commerciale e regolatorio

15P. Mora - 05/07/2010

Il primo approccio per i generatori

• Obbligo per il DSO (Distribution System Operator) di permettere la connessione (MT e BT) a qualsiasi generatore di potenza non superiore a 10 MW (CEI 0-16)

• Obbligo per il generatore di rispettare la normativa di interfaccia

Obblighi regolatori

• Fare riferimento alla situazione esistente della rete elettrica

• Usare l’approccio “attacca in modo che il generatore non disturbi e il DSO se ne possa scordare” (fit and forget)

La prima soluzione tecnica

16P. Mora - 05/07/2010

Perché le reti elettriche attuali non sono adeguate (1)

AEEG ARG/elt 25/09 “MONITORAGGIO DELLO SVILUPPO DEGLI IMPIANTI DI GENERAZIONE DISTRIBUITA PER GLI ANNI 2007 E 2008” Allegato 2

Schema rete distribuzione

Problemi connessi con la Generazione Distribuita (delibera Autorità Energia Elettrica Gas AEEG 160/6):

• gestione di transitori derivanti da fenomeni di avviamento, sincronizzazione e messa in parallelo degli impianti di produzione;

• variazione dei livelli di correnti di cortocircuito e connessa sollecitazione termica/dinamica delle linee elettriche e dei componenti;

• corretto funzionamento dei sistemi di protezione;• attuazione delle procedure di ricerca dei tronchi guasti;• funzionamento in isola indesiderata di porzioni di rete;• profili di tensione e regolazione della tensione in rete.

BT

AT MT

17P. Mora - 05/07/2010

Perché le reti elettriche attuali non sono adeguate (2)

Istogramma cumulato della percentuale di nodi con GD installabile pari al valore indicato in ascissa:dettaglio dei vincoli nodali più stringenti, assumendo come limite di variazione rapida di tensione il 4% del

valore nominale

AEEG ARG/elt 25/09 “MONITORAGGIO DELLO SVILUPPO DEGLI IMPIANTI DI GENERAZIONE DISTRIBUITA PER GLI ANNI 2007 E 2008” Allegato 2

18P. Mora - 05/07/2010

I problemi ci sono già adesso

• Richieste connessioni MT >> carichi

• Inversione flusso (16% cabine primarie – dato Enel Distribuzione)

• Impatti non sono limitati alla distribuzione ma si propagano anche su livelli superiori (MT -> AT)

• Problema di coordinamento delle risorse

Richieste MT su rete Enel Distribuzione(Enel Distribuzione, giornata 22 feb 2010)

19P. Mora - 05/07/2010

Un passo oltre per i generatori

• L’approccio “fit and forget” è positivo (punta alla garanzia della fornitura e alla salvaguardia dei generatori connessi), ma può essere superato, ottenendo obiettivi migliori

• I suoi limiti: – la capacità di connettere generatori (hosting capacity) non

è quella massima possibile – non si massimizzano le funzionalità del sistema elettrico

(es: black out Germania 2006)

• Necessità di transizione (graduale) verso nuovo modello

Trasformare i generatori in elementi attivi, che partecipano alle funzionalità della rete elettrica.

20P. Mora - 05/07/2010

Per aumentare le possibilità di gestione ottimizzata della rete elettrica, si includono nella gestione:

organi di retegeneratori comandabili

un insieme di clienti finali in grado di variare su richiesta la potenza assorbita

Gestione integrata

dispositivi di accumulo

21P. Mora - 05/07/2010

Gli elementi del sistema

inter- connessioni

generazionedistribuita

veicoli elettrici

rete di distribuzione

rete di trasmissione

generazione centralizzata

DOMANDA

ELETTRICA

elettrodomestici

micro- generazione

efficienza energetica

abitudini dei consumatori

transazionicommerciali

contatori e visualizzatori

smart grid

smart metering

ERGEG-CEER Position paper on Smart Grids

22P. Mora - 05/07/2010

Implicazioni tecniche

• Migliorare il controllo locale (elettronica di potenza, inverter e relativi algoritmi di controllo)

• Assicurare lo scambio informativo tra i diversi elementi della rete elettrica, sovrapponendo una rete informativa alla rete elettrica

• Realizzare sistemi di supervisione e controllo centralizzato, coordinati con i controlli locali

23P. Mora - 05/07/2010

Previsioni meteo per la generazione eolica

• La produzione elettrica è proporzionale al cubo della velocità del vento

• In Danimarca il 20% è eolico, la differenza di velocità di 1 m/s

450MW

• Numeric Weather Prediction (NWP) + reti neurali

• Necessità di acquisire misure dal campo

24P. Mora - 05/07/2010

Una piattaforma per l’integrazione

http://seesgen-ict.erse-web.it/

25P. Mora - 05/07/2010

Standardizzazione

• Questo tipo di soluzioni richiede, anche per l’apertura del

mercato e la necessità di garantire la concorrenza, l’uso di:

– Descrizioni standard di componenti e reti elettriche e

informatiche (es. IEC 61850 e CIM)

– Interfacce standard

– Protocolli di comunicazione standard

Molto è stato fatto, ma molto manca, sia in ambito europeo che extraeuropeo

26P. Mora - 05/07/2010

La rete informatica

trasmissione

distribuzione

BT

MT

AT

Protocolli separati Data model condiviso

adesso futuro

27P. Mora - 05/07/2010

Agenda

• ERSE e le sue attività• Le strategie europee




28P. Mora - 05/07/2010

Le reti di comunicazione

• Reti di comunicazione: – di proprietà del DSO e utilizzate solo per la gestione della

rete– pubbliche (di chi è allora la responsabilità?)

• Struttura delle reti di comunicazione:– backbone affidabili– reti virtuali con struttura logica e funzionalità proprie– affidabilità, tempi di risposta, sicurezza– nuove architetture (es. reti wireless ad hoc)

• Sicurezza (security):– la sicurezza è da vedere a livello di sistema, non solo della

rete di comunicazione, la forza della catena è definita dall’anello più debole

– intrusioni, segregazione fisica e logica, Denial of Service, servizi minimi in assenza di comunicazione

• Supporto alla Safety

29P. Mora - 05/07/2010

Requisiti per le comunicazioni (1)

Transfer rate Latency Priority Reliability Availability

Inject energy surplus into the grid

Produce maximum power

Peak shaving (generation curtailment)

Anti-islanding (safety)

Voltage and reactive power regulation

Support island operation

Ensure correct operation of power system

High, Medium,

Low

Con riferimento ai servizi richiesti alla GD

High: 102

msecMedium: secLow: minuti

30P. Mora - 05/07/2010

Requisiti per le comunicazioni (2)

Mobile networks

Satellite networks WLAN PLC PLT Wired

networks Fieldbus

Inject energy surplus into the grid

Produce maximum power

Peak shaving (generation curtailment)

Anti-islanding

Voltage and reactive power regulation

Support island operation

Ensure correct operation of power system

High, Medium,

Low

Con riferimento ai canali di comunicazione

31P. Mora - 05/07/2010

Un esempio

• Esempio: analisi latenza intertrip messaggio “anti islanding”• Obiettivo tecnico da raggiungere: 100 msec• Impatto sugli apparati: nuove funzionalità• Fino a ora, si tratta di indagini “singole” realizzate da alcuni

centri di ricerca, manca approccio generale e integrato.

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

00.00 01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00

Orario [mm.ss]

Tem

po [m

s]

tunnel 1 - avg 83.98



Overall latency on three VPN tunnels with embedded HW

32P. Mora - 05/07/2010

Agenda

• ERSE e le sue attività• Le strategie europee




33P. Mora - 05/07/2010

• Il nodo “utente” è in grado di immettere in rete un flusso di potenza

• Diffusione della tecnologia negli ambienti domestici– Possibili sinergie tra le esigenze di chi deve gestire la rete, di

chi vende il servizio di fornitura e di chi usufruisce di tale servizio

– l’utenza finale è anch’essa un “nodo intelligente”

• La rete elettrica si trasforma gradatamente in un insieme di “nodi intelligenti”

Home/building automation

AT/MT MT/BT

System automation

Funzioni System integration

I cambiamenti del contesto: automazione

34P. Mora - 05/07/2010

Segnali di rete e segnali di prezzo

P. Mora - 05/07/2010 35

Segnale prezzo

Segnale di sistema

Gestore Energia Locale & gateway

GED

Funzioni:– comunicazioni con

distributore/retailer– gestione locale di carichi, accumuli,

generazione, climatizzazione, micro- CHP

– interazione con utente, visualizzazione consumi (istantanei, storico)

Carichi

Generazione

Climatizzazione

Gestione Locale dell’Energia

Accumuli

36P. Mora - 05/07/2010

Veicoli elettrici

Percorrenze (Gm) per alimentazione

0100000200000300000400000500000600000

1990

1994

1998

2002

2006

2010

2014

2018

2022

2026

2030

PHEVPEVIBRIDEGPLDIESELBENZINA

ERSE, 2010

•Infrastruttura di ricarica “del DSO”

•Integrata nelle reti intelligenti Smart Grid

•Nuovi modelli di business

•Ricarica “privata”/”pubblica”, swap batterie

•Metering

37P. Mora - 05/07/2010

Impatto dei PEV/PHEV sulle reti di distribuzione

• Impatto minimo su generazione• Ricarica dei veicoli elettrici: impatto

su rete distribuzione• Gestione locale della ricarica

ERSE, 2010

38P. Mora - 05/07/2010

Considerazioni riassuntive

• E’ chiara la necessità di evoluzione

• Nuove opportunità si aprono per applicazioni ICT

• Necessità di integrazione tra mondo elettrico e mondo TLC

• L’approccio a questi problemi richiede cooperazione tra enti e

persone provenienti da contesti diversi e integrazione di

conoscenze da diverse discipline

• E’ importare definire una roadmap, che precisi contenuti e

priorità (ad es. prima i problemi sulla rete MT, poi quelli sui

carichi).

39P. Mora - 05/07/2010

Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell’ambito

dell’Accordo di Programma tra ERSE (ex CESI RICERCA) ed il Ministero dello Sviluppo Economico

- D.G.E.N.R.E.. stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM, 19 marzo 2009.

Ricerca di Sistema per il Settore Elettrico

Research Fund for Italian Electric System

Per ulteriori informazioni:

www.ricercadisistema.itwww.erse-web.it

Grazie per l’attenzione

[email protected]

40P. Mora - 05/07/2010

Materiale aggiuntivo

41P. Mora - 05/07/2010

Rete attuale

• Impianti di produzione (conversione energia);• Linee di trasmissione Alta Tensione (AT);• Stazioni primarie;• Linee di distribuzione AT;• Cabine primarie (AT/MT);• Linee di distribuzione Media Tensione (MT);• Cabine secondarie (MT/BT);• Linee di distribuzione Bassa Tensione (BT)

Flusso

Potenza

150÷380 kV

20 kV

380 V

tens

ione

Il sistema elettrico è attualmente composto dai seguenti elementi principali:to

polo

gia

“rad

iale

”to

polo

gia

“mag

liata

”

42P. Mora - 05/07/2010

Schema

43P. Mora - 05/07/2010

Link progetti & siti

• Progetti 6 FP EU:DERlab http://www.DER-lab.net

• Progetti 7 FP EU:SEESGEN ICT http://seesgen-ict.erse-web.it/

CRUTIAL http://crutial.erse-web.it/

OPEN Meter http://www.openmeter.com/

ADDRESS http://www.addressfp7.org/

DERri http://www.DER-ri.net

• Milano WI Power (Politecnico di Milano)

• Siti:TERNA http://www.terna.it/

GSE http://www.gse.it/

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