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Power System SubstationsSistemi di accumulo dell’Energia

Massimiliano Andreotti, ABB S.p.A., Pisa - 4 Luglio 2013, Green City Energy – IV Edizione

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Energie rinnovabili e rete elettrica Sviluppo sostenibile ed integrazione delle rinnovabili

Numerosi i fattori che determinano la necessità di prevedere l’inserimento di sistemi di energy storage:

Sviluppo di sistemi di generazione distribuita. Tra questi in particolare la forte penetrazione, legata agli incentivi erogati per la riduzione delle emissioni di gas serra, di sistemi di generazione da fonte rinnovabile

Necessità di identificare soluzioni che permettano un uso più efficiente dei sistemi di trasmissione e distribuzione esistenti, tenendo conto dei limiti di funzionamento e dei vincoli esistenti sulla realizzazione di nuovi sistemi

Aumento dello sfruttamento delle risorse disponibili e maggiore controllabilità delle condizioni di esercizio, con capacità di rispondere e condizionare il funzionamento del sistema in tempi rapidissimi

Sviluppo del concetto di una rete intelligente, ovvero una “Smart Grid”, in grado di far interagire in uno scenario continuamente variabile produttori e consumatori, di determinare in anticipo le richieste di consumo e di adattare con flessibilità la produzione e il consumo di energia elettrica anche localmente

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Sistemi di accumulo dell’energiaDal convertitore al sistema completo

Sistemi chiavi in mano inclusa ingegneria di sistema

Dal Prodotto al Sistema

Piattaforme di conversione per l’accumulo energetico senza batterie

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Sistemi di accumulo dell’energiaPossibili aree di applicazione

BESS

BESSTaglio dei picchi

di carico (Peak shaving)

380 kV

150 kV 20 kVRing

20 kV

Industry

Power StationBESS

Riserva energetica

In caso di guasto

sulla linea(Spinning Reserves)BESS

LoadLivellamento di carico

(Load leveling) e Power Quality

Per posticipo

upgrade reteBESS

BESS

33 kV150 kV

BESS

Regolazione Q

Livellamento di carico (Load leveling) e Power Quality

Per posticipo

upgrade rete

Regolazione di frequenza

(Frequency regulation)

Per ottimizzazione della generazione

Equilibratura delle correnti di carico e rifasamento sistema

Energie rinnovabili

Ottimizzazione generazione da sorgenti rinnovabili (Capacity firming)

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Sistemi di accumulo dell’energiaRegolazione di frequenza (Frequency regulation)

Compensazione degli sbilanciamenti nei flussi di potenza tra generazione e richiesta

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Sistemi di accumulo dell’energiaRegolazione di frequenza (Frequency regulation)

Carico Scarico

t [sec]

50.02

50.00

49.98

Potenza in assorbimento

Potenza fornita

f [H

z]C

aico

/ S

caric

o

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Sistemi di accumulo dell’energiaLivellamento di carico (Load leveling - postponement of grid upgrade)

Ottimizzazione tra generazione e richiesta che permette di evitare o posticipare il potenziamento della rete

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Sistemi di accumulo dell’energiaLivellamento di carico (Load leveling - postponement of grid upgrade)

Generazione di base

Carico Scarico

t [ore]

10

5

Potenza fornita

Potenza in assorbimento

Potenza in assorbimento

Car

ico

[MW

]C

aric

o /S

caric

o

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Sistemi di accumulo dell’energiaTaglio dei picchi di carico (Peak shaving)

Spianamento dei picchi di carico per l’ottimizzazione del profilo di carico e riduzione delle perdite nel sistema

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Sistemi di accumulo dell’energiaTaglio dei picchi di carico (Peak shaving)

Carico Scarico

Car

ico

[MW

]

t [min]

Consumo di energia previstoPotenza fornita

Car

ico

/ Sca

rico

Potenza in assorbimento

Potenza in assorbimento

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Sistemi di accumulo dell’energiaOttimizzazione della generazione da sorgenti rinnovabili (Capacity firming)

Ottimizzazione del profilo di generazione da sorgenti rinnovabili (eolico e solare)

Erogazione e scambio di potenza reattiva a supporto delle sorgenti rinnovabili

Equilibratura delle correnti di carico e compensazione squilibri non sempre tollerati dalle sorgenti rinnovabili

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Sistemi di accumulo dell’energiaOttimizzazione della generazione da sorgenti rinnovabili (Capacity firming)

t [min -> ore]

Energia rinnovabile generata

Potenza in assorbimento Potenza fornita

ScaricoCarico

Car

ico

[MW

]C

aric

o / S

caric

o

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Sistemi di accumulo dell’energiaCorrezione fattore di potenza e riduzione distorsioni tramite filtraggio armoniche (Power quality)

Aumento del rendimento del sistema tramite rifasamento localizzato e filtraggio delle armoniche con conseguente miglioramento della forma d’onda di tensione sul carico

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Sistemi di accumulo dell’energiaCorrezione fattore di potenza e riduzione distorsioni tramite filtraggio armoniche (Power quality)

t [ms -> sec]

Scarico

Breve interruzione Potenza fornita

Tens

ione

[kV

]C

aric

o / S

caric

o

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Sistemi di accumulo dell’energiaRiserva energetica (Spinning Reserve)

Compensazione di buchi di tensione di breve durata (flickers) o mancate produzione per guasti in rete

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Sistemi di accumulo dell’energiaRiserva energetica (Spinning Reserve)

Scarico

Potenza fornita

t [ms]

Guasto nella fornituraTe

nsio

ne [k

V]

Car

ico

/ Sca

rico

Sistemi di accumulo dell’energiaConfigurazione del sistema

Rete in CA

Rete / Controllo e ottimizzazione di impianti rinnovabili

Soluzione chiavi in mano customizzata BESS

Protezione e controllo

Conversione AC/DC

Filtri

ControlloBESS

Sistema a batterie

BMS BMS BMS

Grid connection =~

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Sistemi di accumulo dell’energiaRange di potenza dei convertitori DC/AC da 25kW a 100MW

Rete CA

Inte

graz

ione

nel

lare

te

Gamma MT - AT

Potenza ~10MW – 100MW

Gamma BTPotenza ~25kW – 400kW

1 or 3 phases

Gamma BT - MT

Potenza ~200kW – 20MW

ConvertitoriLivello di potenza

DC

AC

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Sistemi di accumulo dell’energiaTipologia di accumulo

Volani Batterie Accumulo per pompaggioCondensatori

Frazioni di secondo

Da minuto/i ora/e Da ore a giorni Tempo di scaricoMinuto

Li-Ion NaS

NiCd flow battery

LeadAcid

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Referenze

Energy Storage SystemENEL - Progetto Pilota

Richiesta del cliente:

Energy storage a batterie ad integrazione dello stoccaggio idroelettrico esistente, per bilanciare domanda e fornitura e consentire l’integrazione senza soluzione di continuità dell’energia rinnovabile

Scopo di Fornitura:N.1 Container di Conversione contenente convertitori PCS100, trasformatore step up, quadro servizi ausiliari, UPS, Trasformatore servizi ausiliari, quadro MT, sistema di ventilazione e antincendio.

N.2 Container di Batterie contenenti accumulatori agli Ioni di Litio organizzati in 13 rack, sistema di condizionamento, antincendio, UPS e altri servizi ausiliari.

N.1 RTU per la chiusura del loop di controllo dei 3 container per l’interfacciamento con la rete.

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Regolazione della potenza reattivaIn parco eolico - Progetto pilota

No. 1 x 400kW composto da:Quadro inverter da esterno (rating NEMA 3R), con:

PCS100 ESS, 5-moduli

Quadro di controllo ed ausiliari

AC & DC breaker Quadro trasformatore da esterno (rating NEMA 3R):

Trasformatore 480V / 10.5kV, 50Hz

Interruttore MT

Strumentazione MT (CT, PT …)

Tipologia batterie: Li-Ion

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Peak shavingProgetto pilota negli USA

Richieste clienteProgetto pilota

Peak Shaving

Power Quality

Scopo di fornitura Il convertitore è utilizzato per ilmonitoraggio/controllo della tensione direte (funzionamento tipo UPS). Seavviene un calo di tensione il sistemaisola il carico dalla rete e lavora in isolacon batterie. Il sistema si ricollega nonappena la tensione rientra nei valoriminimi richiesti

Tipologia batterie: NaS

Container per PCS e BatterieSistema da 500 kW PQ (30 seconds) &100 kW (720 kWh) Peak Shaving

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NYPA Progetto pilota USA

Richieste cliente Load Leveling / Peak Shaving

Scopo di fornituraIl sistema lavora in parallelo con la retedurante il giorno per alimentazionegrossi compressori e si ricarica di notte.

La domanda di energia per icompressori viene “spostata” di notte”,a costi minori.

Minori costi per disponibilità di potenzadi picco (vantaggio anche per il gestoredi rete)

Il convertitore ha funzioni di backup incaso di black-out

Tipologia batterie: NaS

1MW / 6.5MWHr

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Ni-Cd ESS Golden Valley Electric Association, Alaska, USA

ApplicazioneRiserva operativa (Spinning Reserve).

Scopo di fornituraIl PCS deve fornire energia incaso di guasti di rete perconsentire la produzione congeneratori locali

Prestazioni

27 MW / 15 minutes

40 MW / 7 minutesSistema che deve operare contemperature esterne fino a -52°C

Tipologia batterie: Ni-Cd

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Equilibratura delle correnti di caricoParco solare – Spagna (progetto pilota)

Parco solare localizzato in Spagna

Sistema da 1 MVA ESS per il gestore del parco solare. Connessione in BT a 400V, installazione indoor

Tipologia batterie: Li-Ion (560kWh, in container)

Scopo di fornitura :Convertitore DC/AC da 1 MVA, soluzione a rack

Trasformatore di interfaccia

Protezioni AC & DC.

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Livellamento profilo di caricoMartham (progetto pilota in MT)

Integrazione di una wind-farm nella rete di distribuzione, con accumulo dell’energia generata e livellamento del profilo di carico sul feeder

1 x 1 MVA (DynaPeaQ), composto da:Convertitore da +/- 600 kVar

Batterie da 200 kWh

Esecuzione in container, comprendente:

Reattore d’accoppiamento

Raffreddamento ad acqua

Quadro di controllo ed ausiliari

AC & DC breaker Tipologia batterie: Li-Ion