Alfonso Damiano (Università di Cagliari) ICT per Smart Grid
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14 ottobre 2015Smart grids: Tecnologie ICT per le reti intelligenti di energia Vetreria di Pirri- Cagliari
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI
A. Damiano, Member IEEE,
Department of Electrical and Electronic Engineering,
University of Cagliari
Cagliari, Italy
• Sistemi Energetici e modelli energetici• Gestione, Efficienza, integrazione• Il ruolo del mercato dell’energia e la struttura dei futuri
mercati energetici• Ruolo dell’ICT nello sviluppo dei nuovi modelli energetici• Sardegna: analisi delle potenzialità nello sviluppo di nuovi
sistemi energetici.• Quale esempio accademico• Conclusioni
OUTLINE
SMART GRIDS: TECNOLOGIE ICT PER LE RETI INTELLIGENTI DI ENERGIA ? 14 OTTOBRE 2015 –VETRERIA DI PIRRI–CAGLIARI
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
Che cosa è un sistema energetico?
Un sistema energetico è l’insieme di componenti atti a garantire la fornitura di energia nelle forme, nelle quantità, nei tempi, nei luoghi richiesti garantendo la sicurezza umana ed ambientale a condizioni economiche che consentono lo sviluppo economico e sociali di un territorio.
Quale è la struttura di un sistema energetico?
SISTEMI ENERGETICI MODELLI ENERGETICI
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
Fonte Vettore Utente
SMART GRIDS: TECNOLOGIE ICT PER LE RETI INTELLIGENTI DI ENERGIA ? 14 OTTOBRE 2015 –VETRERIA DI PIRRI–CAGLIARI
Quali sono i sistemi energetici?I sistemi energetici vengono distinti o per tipologia di vettore energetico o per tipologia di consumo. La classificazione adottata a livello europeo è quella per tipologia di consumo.
Classificazione per Vettore Energetico• Sistema energetico elettrico• Sistema Energetico petrolifero• Sistema Energetico del gas naturale• Sistema Energetico del carbone
Classificazione per tipologia di consumo• Sistema energetico elettrico• Sistema energetico termico• Sistema energetico trasporti
SISTEMI ENERGETICI MODELLI ENERGETICI
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SMART GRIDS: TECNOLOGIE ICT PER LE RETI INTELLIGENTI DI ENERGIA ? 14 OTTOBRE 2015 –VETRERIA DI PIRRI–CAGLIARI
Quali sono i modelli energetici attuali?I modelli energetici che si sono affermati sono di tipo centralizzato con una forte gerarchizzazione. Essi sono caratterizzati da una grado di flessibilità limitato ma da una struttura controllata e affidabile.
Perché cambiare?In un contesto sociale economico planetario in mutamento nel quale aumenterà considerevolmente sia il numero di utenti sia il consumo medio pro capite tale modello non è economicamente, socialmente ed ambientamene sostenibile.
SISTEMI ENERGETICI MODELLI ENERGETICI
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• Definisce l’obbiettivo europeo di produzione di energia da fonte rinnovabile (20% dei consumi finali lordi entro il 2020)
• Stabilisce un quadro comune per la promozione dell’energia da fonti rinnovabili
• Applica il meccanismo del Burden Sharing a livello europeo definendo gli obbiettivi obbligatori per ciascuno stato membro. (Italia 17%)
• Definisce l’obbligo di consumo di energia da fonti rinnovabili nel settore dei trasporti nel 2020 pari al 10%
• Stabilisce la redazione entro il 30 giugno 2010 da parte di ciascuno stato membro di un Piano di Azione Nazionale sulle Fonti Energetiche Rinnovabili
• Indica delle traiettorie di riferimento per il raggiungimento degli obiettivi
ANALISI DI CONTESTO DIRETTIVA EUROPEA 2009/28/CE
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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• A che punto siamo?
• La produzione è il vero obiettivo?
• Come gestire la transizione in un contesto di efficientamento dei consumi e di aumento della produzione diffusa?
• Quale è il ruolo del gestione locale dell’energia?
• Quale è il ruolo dell’accumulo diffuso?
• Quale è il ruolo del mercato?
ANALISI DEGLI EFFETTI DELLA DIRETTIVA EUROPEA 2009/28/CE
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Quali sono i modelli energetici proposti?I modelli energetici proposti individuano nell’efficientamento il punto cardine. L’efficientamento è ottenuto sia a livello di componente che a livello di sistema. Quest’ultimo viene perseguito con l’integrazione tra i diversi sistemi di consumo e produzione dell’energia.
SISTEMI ENERGETICI MODELLI ENERGETICI
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Elettrico Termico
Trasporti
ICT
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Forecasting
Quali sono i modelli energetici proposti?I nuovi modelli energetici proposti sono di tipo distribuito, digitale, integrati e interconnessi con una visione fortemente orientata al mercato.
GESTIONE EFFICIENZA INTEGRAZIONE
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Elettrico Termico
Trasporti
ICT
Mercato dell’Energia
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Come si sta passando dal modello centralizzato verso quello distribuito?
• Liberalizzazione del mercato dell’energia;• Aumentare il numero di soggetti operanti nel mercato energetico;• Unificazione dei mercati di energia elettrica e gas;• Introduzione di azioni che creino la necessità per il passaggio;
‒ Azioni di supporto pubblico: generazione, consumo, vettori;‒ Sviluppo di dimostratori di sistemi integrati ;‒ Introduzione di vincoli economici ambientali;‒ Creazione delle condizioni economiche di vantaggio alla transizione
A che punto siamo ?In alcune zone d’Europa e in particolare in Italia siamo nella condizione di transizione da un modello centralizzato ad uno distribuito e integrato.
GESTIONE EFFICIENZA INTEGRAZIONE
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IL RUOLO DEL MERCATO DELL’ENERGIA NEL PROCESSO DI TRANSIZIONE
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Evoluzione dello spark spread delle Centrali a ciclo combinato alimentate a gas metano: Fonte: rapporto GME 2012
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• ICT è la tecnologia abilitante e il supporto per consentire l’integrazione e il dialogo tra sistemi che sino ad oggi sono debolmente interconnessi;
• ICT è il supporto per consentire il passaggio da modelli centralizzati e deterministici a nuoci modelli di gestione;
• ICT è lo strumento per dare valore all’integrazione dei sistemi.
• ICT è lo strumento per assicurare la sicurezza durante il processo di transizione.
RUOLO DELL’ICT
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Vantaggi• Condizione di insularità energetica;• Transizione di modello economico ed energetico;• Presenza di un condizione di consumo differenziata;• Utilizzo locale delle produzioni energetiche rinnovabili;• Ammodernamento del sistema infrastrutturale energetico e dei
trasporti;• Economia leggera;• Potenziamento delle competenze delle infrastrutture nel settore
energetico e ICT.
Svantaggi???
LA SARDEGNA : POTENZIALITÀ NELLO SVILUPPO DI NUOVI MODELLI ENERGETICI
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Siamo Pronti?Progetti Europei di settore (Es. Accus, NetFFicient )Progetti Nazionali (Progetto Smart city Cagliari)Progetti Regionali (Cluster Energie Rinnovabili, ecc…)Sviluppo di smart grid presso le ultime due municipalizzate della Sardegna
ICT – riferimento a livello nazionale
La sfida è Horizon 2020 ?
LA SARDEGNA : POTENZIALITÀ NELLO SVILUPPO DI NUOVI MODELLI ENERGETICI
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MICRO-GRID
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• Sistema integrato di carichi e risorse energetiche (termiche ed elettriche) distribuite all’interno di un’area geograficamente ben definita e caratterizzata da collegamenti elettrici fisici tra le varie unità e da un unico punto di connessione con la rete di distribuzione esterna;
• Dal punto di vista della rete è visto come un unico sistema il cui output in termini di flusso di potenza termica e elettrica è controllabile e ben definito;
• Pur operando prevalentemente connesse con la rete di distribuzione, sono anche in grado di essere automaticamente configurate nel funzionamento in isola ed essere risincronizzate con la rete;
• Possono perseguire contemporaneamente diversi scopi: power quality, affidabilità, sicurezza di approvvigionamento energetico ottimizzazione generazione distribuita da un punto di vista tecnico e/o economico;
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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DISCARICA GASOMETRO
IMPIANTO DIGESTIONE ANAEROBICA
AREA COMPOSTAGGIO
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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La costruzione del primo modulo risale al 1991, e sono stati conferiti RSU dal gennaio 1994 al giugno 2006, per una volumetria totale pari a circa 500.000 m3. Contemporaneamente alla chiusura è stato realizzato il sistema di captazione, costituito da una rete di pozzi trivellati nel corpo della discarica, collegati ad un sistema di recupero del biogas da discarica esaurita per l’alimentazione di 2 cogeneratori della potenza di 1 MWel ciascuno e di un gasometro da 5.000 Nm3.
Produzione elettrica 2012 165 MWh
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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Questa tecnologia permette di produrre sia compost, sia notevoli quantità di gas biologico, utilizzabile per produrre energia e calore necessari per il sostentamento dell’impianto. Il processo considerato si avvale di una prima sezione di selezione a secco, succeduta da una selezione molto fine ad umido per la separazione delle diverse tipologie di materiali presenti nei rifiuti. In seguito si provvede al passaggio in sospensione e soluzione dei solidi biodegradabili attraverso processi termici ed enzimatici. È poi su questo flusso carico di materiale organico che, all’interno dei digestori, agiscono le colonie batteriche che causano la degradazione del substrato e la conseguente produzione di biogas. Questo viene poi usato per l’alimentazione di 1 cogeneratore della potenza di 600 kWel
Reattori di pastorizzazione Idropolpatori Metanizzatore
Produzione elettrica 2012 1882 MWhProduzione termica 2012 2075 MWh
Tenore di metano 70%
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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► Risulta pertanto disponibile una quantità di biogas da digestione anaerobica
(rispetto a quella già utilizzata nei processi di conversione) in eccedenza e pari a
circa 570.000 Nm3 con un tenore di metano al 70%
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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Variazioni di potenza di carico: 300 kW in 1 min
Tali dinamiche, in salita e discesa, non possono essere seguite dai cogeneratori, dando luogo a momentanei deficit e surplus di produzione, che si è previsto vengano compensati dalla batteria, le cui dinamiche sono molto più rapide di quelle del cogeneratore (<50 ms per passare dalla potenza massima in scarica a quella massima in carica)
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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TES (Thermocline)
Gasometer
BES
Biog
as
from
land
fill
Biog
as fr
om
anae
robi
c dig
estio
n
CHP units
ORC turbine
Fresnel Solar Field
Thermal EnergyElectricity
Biogas
WASTE TREATMENT PLANT MICRO-GRID
WASTE TREATMENT PLANT ELECTRIC LOADS
DISTRIBUTION GRID
Feed-in Electric Power
Gasometer
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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III LivelloSistemi di controllo dei
singoli componenti dell’impianto
Modelli di consumo
II LivelloControllo in tempo reale e aggiornamento in tempo reale dei profili di produzione sintetizzati il
giorno prima
PrevisioniMeteo
P*ESS
ES
T, P
ST
PB
IOG
AS
PE
SS, E
ES
S
Rete Elettrica
ES
T
P*ST
EE
SS
I LivelloDefinizione dei profili di produzione dell’impianto
il giorno prima
P*ESS
P*BIO
GAS
P*ST
EB
IOG
AS
EB
IOG
AS
P*BIO
GAS
P*BIO
GAS
Modelli Biogas
Eco
nsum
i
Eco
nsum
i
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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Generation CSP=0?
VRB rechargedby excess CSP power
NO
YES
Input: Load and CSP dataand feed-in power bids
GenerationCSP>Load?
CHP supplies the average load
VRB provides charge/discharge power in order to cover fast load variations
j=1440?
NO
YES
NO
CHP works at min load
YES
Start
Day i
Minutes j
Power to grid bid covered by CHP and residual CSP generations
CHP supplies the average residual load and producesthe required power to the grid
VRB provides charge/discharge power in order to cover fast residual load variations
VRB STORED ENERGY UPDATING
j+1 i+1
• Disaccoppiamento dinamiche lente e veloci delle variazioni del carico elettrico
• Soddisfacimento dell’intera richiesta di energia elettrica della piattaforma tramite le risorse energetiche della micro-rete
• Immissione in rete di profili di potenza programmati e costanti
• Batterie ricaricate durante la notte dal surplus di energia prodotta dai cogeneratori (solo se lo stato di carica è inferiore a un valore di riferimento)
Punti Chiave
MICRO-GRID DI VILLACIDRO
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VIRTUAL POWER PLANT
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0
0.1
0.2
0.3
PV P
lant
Gen
erat
ion
[p.u
.]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Win
d Pl
ant
Gen
erat
ion
[p.u
.]
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
0.5
1
Time [h]
City
Loa
d D
eman
d [p
.u.]
VPP Wind and PV production and residential load profiles for an average week.
0 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:000
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
Average Day [h]
Mob
ility
Beh
avio
r
work-daySaturdaySunday
Mobility behavior of German employees in an average week
20.000 ab10 MWe
5 MW17 MWt 17 MWe
10 MW
500 EV- 11.000 Vehicles20 MW
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VIRTUAL POWER PLANT
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80 90 100 110 120 130 1400
5
10
15
20
25
30
35
Time [hours]
Pow
er [M
W]
PdemPsup-oldPsup
VPP with optimal EMS
80 90 100 110 120 130 1400
5
10
15
20
25
30
35
Time [hours]Po
wer
[MW
]
PdemPsup-oldPsup
VPP with and EMS and EV storage management + EBB
EVs Number
Plug
-in R
atio
[%]
-200,000-100,0000
100,000300,000
500,000600,000
820 1620 2420 3220 4000 820 1620 2420 3220 4000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Economic Sensitivity Analysis
TABLE II
SCENARIOS RELEVANT RESULTS
1st Scenario
2nd scenario
3rd Scenario
Ppv (MW) 5 5 5 Pwind (MW) 10 16 16 nEV - 506 1180 Production Cost (M€) 10.890 11.436 11.352 EV annual Cost (M€) - 0.662 1.543 BES annual Cost (M€) - - 0.241 Deficit Cost (M€) 1.449 0.518 0 Total Cost (M€) 12.928 12.631 13.161
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MICRO-GRID DI MACCHIAREDDU
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MOBILITÀ ELETTRICA
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Perché ora dovrebbe funzionare ?
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MOBILITÀ ELETTRICA
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
SMART GRIDS: TECNOLOGIE ICT PER LE RETI INTELLIGENTI DI ENERGIA – 14 OTTOBRE 2015 –VETRERIA DI PIRRI–CAGLIARI
«Siamo diventati una compagnia verticalmente integrata perché si era convinti che l’auto dovesse estinguersi come i dinosauri. […] Io ho scelto una strada diversa, perché sono convinto che il settore offra potenzialità pressoché infinite.»
Dieter Zetsche, Daimler
«Nei prossimi 5-10 anni, l’auto vivrà cambiamenti più profondi di quelli vissuti negli ultimi 50 anni»
Marry Barra, General Motors
«Nel 2025 venderemo milioni di auto. In futuro tutti i mezzi di trasporto, a parte i razzi, saranno al 100% elettrici. La domanda è: quando?»
Elon Musk, Tesla Motors
MOBILITÀ ELETTRICA
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MOBILITÀ ELETTRICA E ICT
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• SISTEMI INFORMATICI INTEGRATI
• INTEGRAZIONE CON SMARTPHONE
MOBILITÀ ELETTRICA E ICT
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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• GUIDA ASSISTITA• GUIDA AUTOMATICA
MOBILITÀ ELETTRICA E ICT
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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• CAR SHARING• CAR POOLING• NUOVI SERVIZI TAXI
MOBILITÀ ELETTRICA – ICT – SISTEMA ELETTRICO
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MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO: LE CRITICITÀ
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO- LE CRITICITÀ
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO- LE OPPORTUNITÀ
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO- LE OPPORTUNITÀ
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
SMART GRIDS: TECNOLOGIE ICT PER LE RETI INTELLIGENTI DI ENERGIA – 14 OTTOBRE 2015 –VETRERIA DI PIRRI–CAGLIARI
MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO- LE OPPORTUNITÀ
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
SMART GRIDS: TECNOLOGIE ICT PER LE RETI INTELLIGENTI DI ENERGIA – 14 OTTOBRE 2015 –VETRERIA DI PIRRI–CAGLIARI
COSA C’È GIÀ?• VEICOLI ELETTRICI PLUG-IN• INFRASTRUTTURE DI RICARICA
COSA MANCA?• INFRASTRUTTURE DI RICARICA BIDIREZIONALI• SISTEMA DI TELECOMUNICAZIONE• ORGANI PREPOSTI AL CONTROLLO E ALLA GESTIONE DEL SISTEMA• SISTEMA DI GESTIONE INTELLIGENTE
MOBILITÀ ELETTRICA- QUALCHE ESEMPIO
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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MOBILITÀ ELETTRICA- QUALCHE ESEMPIO
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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MOBILITÀ ELETTRICA- QUALCHE ESEMPIO
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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ORA DESCRIZIONE KMORE
MOV
OREPARC
H
7.00Disconnessione dell’auto dalla presa di casa. Inizio del viaggio verso il posto di lavoro. 0 0 0
7.30Arrivo al lavoro. Parcheggio nei posti riservati ai EV e connessione dell’auto alla presa. 20 0.5 0
7.31Il computer di bordo comunica all’Aggregatore i dati necessari ad operare in V2G (capacità e stato di carica della batteria, potenza di connessione, posizione dell’auto, preferenze del proprietario). L’auto ha consumato 4.24 kWh.
20 0.5 0
16.00Disconnessione per iniziare il ritorno a casa. Il computer di bordo comunica all’Aggregatore che l’auto non è più disponibile ad erogare servizi V2G. 20 0.5 7.5
17.00
Arrivo a casa. Connessione dell’auto nella presa di casa. Nuovamente, il computer di bordo comunica all’Aggregatore i dati necessari ad operare in V2G. Nel tragitto andata-ritorno sono stati consumati 10.6 kWh, pari al 44% della carica della batteria. Se l’auto non è stata ricaricata a lavoro, l’energia dovrà essere reintegrata a casa durante la notte, quando tipicamente costa meno. Durante queste ore, l’auto erogherà comunque servizi V2G alla rete.
50 1.5 7.5
6.59Mattina del giorno seguente. Disconnessione dell’auto dalla presa di casa. Inizio del viaggio verso il posto di lavoro. 50 1.5 22.5
MOBILITÀ ELETTRICA- QUALCHE ESEMPIO
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
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NISSAN LEAF
Capacità batteria: 24 kWhAutonomia: 222 km (@ 61 km/h, 20 °C, A/C off)
169 km (@ 39 km/h, 22 °C, A/C off)
113 km (@ 88 km/h, 35 °C, A/C on)
100 km (@ 24 km/h, -10 °C, A/C on)Consumo specifico: 0.212 kWh/km (per 113 km @ 88 km/h, 35 °C, A/C on)
DISTANZA PERCORSA: 50 KMENERGIA CONSUMATA: 10.6 KWH (44%)ENERGIA A DISPOSIZIONE: 13.4 KWH (56%)TEMPO DI PERCORRENZA: 1.5 H (VIAGGIO + NON CONNESSO, 6%)TEMPO A DISPOSIZIONE: 22.5 H (94%)
POTENZIALE IN SARDEGNA: ESEMPIO PENDOLARISMO
SMART GRIDS: QUALE ENERGIA PER LO SVILUPPO SOSTENIBILE DELLA SARDEGNA? 8 FEBBRAIO 2014 –OPEN CAMPUS TISCALI
NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
POTENZIALE IN SARDEGNA: ESEMPIO PENDOLARISMO
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NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
INTERESSANTE !!! MA PERCHÉ INVESTIRE SULLA MOBILITÀ ELETTRICA?
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NUOVI MODELLI ENERGETICI: OPPORTUNITÀ PER L’INTEGRAZIONE TRA LE RETI A . DAMIANO
5000 EVs2 kW rated power
10000 EVs2 kW rated power
5000 EVs4 kW rated power
INTERESSANTE !!! MA PERCHÉ INVESTIRE SULLA MOBILITÀ ELETTRICA?
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House load
Work load
RESproduction
Working district Micro-Grid
Residential Micro-Grid
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Grazie per L’attenzione
Domande?