HELE 2016, Milano 27 settembre 2016

Esercizio flessibile dei cicli combinati: una risposta efficace alle necessità di un sistema elettrico a basse

emissioni di CO2

V. Casamassima, A. Cammi

vincenzo.casamassima@rse-web.it, andrea.cammi@rse-web.it

Sommario

• Conseguenze della crescente quota di produzione di energia

elettrica da fonte rinnovabile non programmabile (FRNP)

• Incidenza della quota di produzione da FRNP sull’esercizio

dei cicli combinati (esercizio flessibile)

• Attività di ricerca in RSE sulla flessibilità dei cicli combinati

Potenza elettrica netta installata in Italia

Geotermico stabile ( 0.6%)

Idroelettrico in leggera flessione (-3%)

Eolico + fotovoltaico in crescita (+18%)

Termoelettrico in diminuzione (-15%)

Quota di potenza da cicli combinati per

sola produzione di energia elettrica

quota di potenza da FRNP

Effetti sulla gestione della rete

Possibile eccesso di generazione

(es. festivi estivi con bassa domanda e alta produzione da FR)

Possibili congestioni di rete

(sia locali, su linee a 150 kV con rilevante concentrazione di generazione eolica, sia su

interconnessioni tra zone di mercato)

Riduzione della capacità di regolazione primaria e secondaria

(L’incremento di quota di potenza da FRNP, non abilitata a prestare servizi di regolazione

primaria di frequenza, va a scapito di una riduzione di quota di potenza abilitata a tale

servizio.)

Rischi di instabilità della rete

(La minore frazione di potenza derivante da macchinario con masse rotanti (TG-TV)

riduce l’inerzia della rete e un deficit improvviso di generazione può innescare un

decadimento di frequenza così rapido da generare un «black out»)

Effetti sulla gestione della rete

Mercato dei servizi di dispacciamento (MSD), per l’approvvigionamento di 4

tipologie di risorse:

─ risoluzione delle congestioni a programma

─ riserva secondaria di potenza

─ riserva terziaria di potenza

─ bilanciamento

Attualmente:

Le unità di produzione devono essere abilitate alla partecipazione all’MSD sulla base di specifici requisiti. Se abilitate, hanno anche l’obbligo di partecipazione.

─ Sono escluse tutte le unità di produzione non rilevanti (potenza < 10MVA) e le unità

(rilevanti e non) alimentate da fonti rinnovabili non programmabili

─ Le unità di produzione abilitate devono rispettare determinati requisiti tecnici

riguardanti il gradiente di potenza erogata, tempo di attuazione di una richiesta di

dispacciamento (tempo di avviamento), controllabilità in tempo reale 24 ore su 24 …

Effetti sulla gestione della rete

Necessità di una evoluzione nel mercato dei servizi di dispacciamento

Proposta AEEGSI

Allargamento della platea dei soggetti che possono partecipare al mercato dei servizi di dispacciamento (MSD), includendo :

─ generazione distribuita

─ generazione da fonti rinnovabili

─ Domanda (unità di consumo)

─ Sistemi di accumulo

Riforma dei corrispettivi di sbilanciamento

Revisione delle zone geografiche

Effetti sull’esercizio dei cicli combinati

Esercizio limitato alle ore di picco (1200 - 1500 h/anno)

Effetti sull’esercizio dei cicli combinati

Ridotta marginalità (gas naturale combustibile pregiato) e remunerazione

spostata verso la fornitura dei servizi di rete (non obbligatori) necessari per

la stabilità della rete elettrica

Funzionamento con modulazione di carico per rispondere alle variazioni

di produzione da fonte rinnovabile

— Riduzione dei tempi di avviamento/fermata

— Elevato numero di cicli di accensione/spegnimento

— Elevati gradienti di variazione della potenza

Esercizio estremamente «flessibile» con conseguente precoce

consumo di vita del macchinario più sollecitato e incremento dei

costi di manutenzione.

Aspetti economici dell’esercizio «flessibile»

Parametri rilevanti per la competizione nel MSD

— tempi di avviamento/fermata ridotti (< 2 ore)

— gradienti di variazione della potenza elevati

Soluzioni per la «flessibilità» dei cicli combinati

Linee principali di intervento per la riduzione dei tempi di avviamento e

incremento di gradienti di potenza

— Intervenire sui componenti (scambiatori, corpi cilindrici …) per incrementarne la

resistenza alla fatica termomeccanica

— Modificare la procedura di spegnimento dell’impianto e introdurre dei sistemi che

limitino la dispersione termica e mantengano l’impianto il più vicino possibile

alle condizioni di riaccensione da caldo

— Ottimizzare la procedura di avviamento, disaccoppiando l’avviamento della

turbina a gas dall’avviamento e riscaldamento della turbina a vapore, eseguendo

così le due manovre in parallelo anziché in modo sequenziale

— Automatizzare il più possibile le manovre in modo da incrementarne affidabilità e

ripetibilità e ottimizzare il consumo di vita del macchinario più rilevante (corpi

cilindrici, turbina a vapore)

Soluzioni per la «flessibilità» dei cicli combinati

Scambiatori: sostituire gli ancoraggi rigidi con degli ancoraggi maggiormente elastici che assorbano le dilatazioni del fascio tubiero

Disaccoppiamento TG-TV: avviamento della turbina a gas indipendente dall’avviamento della turbina a vapore

Soluzioni per la «flessibilità» dei cicli combinati

Minimizzazione della dispersione di calore durante la fermata: “Imbottigliamento” (chiusura) dei circuiti acqua-vapore per mantenere alta la pressione. Ciò ha un impatto sull’intero sistema dei drenaggi che va rivisto sia in termini di componenti installati (valvole e attuatori), sia in termini di gestione (automazione).

Automazione e ottimizzazione della manovra di avviamento: Gli stress indotti dai gradienti termici nei componenti di grande spessore rappresentano il fattore predominante di condizionamento dei tempi di avviamento di un impianto. La minimizzazione di tali stress durante la manovra di avviamento e la sua completa automazione concorrono ad una minimizzazione dell’usura del macchinari e dei relativi costi.

Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE

Obiettivi:

• Lo sviluppo di strumenti di calcolo che consentano una

valutazione del consumo di vita del macchinario più

coerente con il consumo di vita conseguente all’esercizio

flessibile.

• Un confronto tecno-economico fra le principali soluzioni

proposte per la riduzione dei tempi di avviamento.

Attività :

• Caratterizzazione dei materiali.

• Studio e ottimazione dei transitori operativi, rispetto al

consumo di vita di uno specifico componente.

Flessibilità dei cicli combinati: programma 2015-2017

Impianto di riferimento

Simulatore Impianto

Simulazione transitori (Operatività standard)

Analisi tecno-economica

Simulatore modificato (interventi per flessibilità)

Simulazione transitori (Operatività flessibile)

Elaborazione cicli di riferimento per prove TMF

(cicli service like)

Caratterizzazione materiali (nuove leggi di danno)

Analisi tecno-economica

Confronto

Modello F.E.M. rotore TV

Analisi termomeccanica

Modello F.E.M. rotore TV

Analisi termomeccanica

Avviamento disaccoppiato di TG e TV

GVR imbottigliato

Sparging system

Valutazione prestazioni e costi della flessibilità

Addolcimento del materiale

Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE

Caratterizzazione dei materiali: RdS 2015

Legge di danno

Ciclo TMF «service like"

Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE

modello FEM del rotore di turbina a vapore

Validazione campo termico

Avviamento da freddo

Avviamento da tiepido Fermata e raffreddamento

Potenza e velocità TV

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

0.00.00 0.30.00 1.00.00 1.30.00 2.00.00 2.30.00 3.00.00 3.30.00 4.00.00

h.mm.ss

MW

-500.00

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

RP

M Potenza

Velocità

Simulatore dinamico impianto CC

Temperatura e Pressione ing. TV MP

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

0.00.00 0.30.00 1.00.00 1.30.00 2.00.00 2.30.00 3.00.00 3.30.00 4.00.00

h.mm.ss

°C

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

ba

r T in MP

P in MP

Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE

Interfaccia operatore simulatore

Consumo di vita del rotore a seguito

di un avviamento «standard»

Flessibilità dei cicli combinati: attività di ricerca in RSE

modello FEM del rotore di turbina a vapore

Consumo di vita del rotore a seguito

di un avviamento con setpoint

temperatura SH, RH variabile

Commenti

Finalità

La «flessibilizzazione» degli impianti termoelettrici già in esercizio

è conveniente ?!

Riflessioni

Al crescere della quota di potenza elettrica prodotta da fonte

FRNP, cresce la rilevanza di un meccanismo efficace ed efficiente

che stabilizzi il sistema compensando lo squilibrio produzione-

consumo e l’errore di previsione.

Opzioni

• flessibilità dei carichi - può fare molto, non tutto

• Accumulo di energia - nuovi investimenti, costosi

• Flessibilità della generazione tradizionale - opzione di minimo

costo: sfruttamento di investimenti già fatti, impianti che

comunque restano in servizio per l’adeguatezza, investimenti di

adeguamento inferiori (20 k€/MW)

Grazie per la cortese attenzione !