Lo sviluppo delle Active e Smart Micro Grid Comunità dell’energia: fonti rinnovabili e smart grid...

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Lo sviluppo delle Active e Smart Micro Grid

Comunità dell’energia: fonti rinnovabili e smart grid per

un’energia pulita, distribuita, efficiente

Ferruccio GiornelliPasquale Motta, Riccardo Avigni, Fabio Leopaldi

Potenza, 12 Novembre 2012

Agenda

Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid

Le Micro Grid

Le applicazioni a livello internazionale

Il posizionamento Italiano

I vantaggi delle Micro Grid

Le fasi di un progetto tipo


Agenda


Le Micro Grid






Il sistema elettrico

Articolazione in 4 fasi:

• produzione elettrica

• trasmissione elettrica

• distribuzione elettrica

• vendita energia

elettrica.


Il sistema elettrico italiano

• produzione elettrica

• trasmissione elettrica

• distribuzione elettrica

• vendita energia elettrica.

mercato liberalizzato

un unico operatore nazionale : TERNA

un unico operatore per ogni area geografica

Gestita da soggetti diversi

centrali elettriche trasformano energia da fonti primarie in elettricità

infrastruttura di rete capillare• media tensione (10 - 20 kV) • bassa tensione (inferiore a 1000 V)• cabine primarie (AT/MT) e secondarie (MT/BT)

• energia da centrali elettriche a zone di distribuzione e consumo,

• 380 kV - 220 kV - 150 kV

•


Il sistema elettrico

• energia elettrica non immagazzinabile

• rete di distribuzione elettrica progettata come passiva e unidirezionale

• centrali elettriche di norma collegate a trasmissione elettrica

• Intelligenza soprattutto a livello di generazione e trasmissione

• ruolo delle Istituzioni: regolatorio, pianificatore ed autorizzativo

• ruolo del consumatore molto ridotto

produrre istantaneamente l’energia richiesta e gestire la trasmissione e distribuzione in modo che l'offerta e la domanda siano sempre in equilibrio, garantendo la continuità e la sicurezza del l servizio.

• Passiva: senza generazione in media tensione

• Unidirezionale: dalla centrale all’utente, assorbendo la potenza dalla trasmissione

Non ancora da utente / cittadino protagonista del sistema energetico

massiccia penetrazione di generazione distribuita può provocare deterioramento inaccettabile della qualità del servizio e causa gravi problemi operativi e di protezione, se non ben gestita


Trend del sistema elettrico

Scenari di riferimento• liberalizzazione del sistema elettrico e mercato elettrico• rispetto ambientale• crescita sostenibile• maggior partecipazione degli stakeholder locali (pubblica amministrazione,

consumatori, organizzazioni ambientaliste, etc.) nella definizione della politica energetica

• maggiore partecipazione dei consumatori (scelta Energy provider, consumo intelligente via tariffe orarie)

Evoluzioni tecnologiche• massiccia introduzione di generazione distribuita in MT, anche di tipo

volatile (eolico e solare)• sistemi di accumulo più efficienti ed efficaci • diffusioni di Micro Grid funzionanti anche in isola• installazione dei contatori digitali (Meter)• automazione delle cabine primarie e secondarie• sistemi di automazione e telecomunicazioni (inclusa internet) nella rete MT • nuove funzionalità dei DMS (Distribution Management System) • applicazioni sempre più spinte di domoticaPotenza, 12 Novembre 2012

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Nuovo ruolo del consumatore e della comunità

Impatto sociale • l'accettazione sociale: fattore spesso limitante per

lo sviluppo di una nuova infrastruttura energetica, • può diventare una formidabile leva per il successo della

iniziativa. Possibili tensioni sociali nella attuazione della politica energeticaSpesso la scelta è tra: • opzione tradizionale e di tipo top-down: sistemi

energetici interconnessi anche transnazionali con gestione centralizzata.

• opzione de-localizzata: soluzioni anche off-grid con importante partecipazione della comunità locale

•

Non esiste la soluzione. ad oggi la prima soluzione è stata preferita sia per motivazioni tecnologiche (applicazioni Active & Smart praticamente agli inizi), ma anche ideologiche.

La gestione delle possibili tensioni indica che un approccio localizzato spesso trova più facilmente il consenso e realizza gli obiettivi di sicurezza, climatici e ambientali.


Nuovo ruolo del consumatore e della comunità

Nuovo ruolo dei consumatori• da semplice consumatore ad utente e quindi a cittadino (a volte anche

piccolo imprenditore)

Dal “ enviromental & social impact” alla partecipazione consapevole del cittadino e della comunitàSi può passare: • da una logica passiva: impatto ambientale e sociale di una soluzione

“Micro Community & Grid” sul territorio e sulla popolazione• ad una logica attiva e partecipativa, in cui la comunità partecipa a

stabilire • il mercato• gli interventi e gli investimenti • verifica gli impatti ambientali e sociali• la qualità del servizio per il singolo utente• utilizza, in parte, i proventi economici (risparmi sulle tariffe) e le

ricadute positive (es. ricadute occupazionali per attività di operation, manutenzione)


Sistema Elettrico – nuovi concetti e terminologie

1. Smart (intelligent) Metering

2. Smart Grid

3. Active and Smart

Grid

4. Micro Grid

(1) contatori elettronici intelligenti

(2) i contatori elettronici: passo basilare per realizzare le Smart Grid (reti elettriche intelligenti di distribuzione MT e BT) che permettono la connessione di piccoli e piccolissimi impianti a fonti rinnovabili distribuiti nel territorio

(3) reti di distribuzione che, grazie ai contatori intelligenti, permettono un ruolo attivo e da protagonista dell’utente /consumatore

(4) reti elettriche di distribuzione (spesso BT) di dimensioni limitate progettate per funzionamento in isola elettrica

Sempre di più le Micro Grid si riferiscono anche a reti gas e di calore


Sistema Elettrico – nuovi concetti e terminologie

5. Smart and Microgrid

6. Smart City and Smart Micro Grid

7. Social and Smart Community (and Micro Grid)

(5) piccole reti elettriche che utilizzano tecnologie dei contatori digitali e Smart Grid

(6) città costruite su dotazioni tecnologiche avanzate e distribuite (a livello energetico, telecomunicazione, internet, cloud computing, etc.) e su infrastrutture immateriali atte ad attirare attività innovative, di ricerca, capitali economici e professionali

(7) comunità con Smart Governance che favorisce la partecipazione civica nella creazione di valore pubblico e con Smart Citizen in termini di competenze, capacità relazionale di inclusione e tolleranza. Le Smart Community creano le condizioni di governo, infrastrutturali e tecnologiche per produrre innovazione

Sempre di più le Micro Grid si riferiscono anche a reti gas e di calore


Sistema Elettrico – Evoluzione temporale principali pietre miliari

• lato rete e mercato:• Anni: dal 1995 – 2000• Motivazioni:

• Maggior efficienza del sistema elettrico e costi ridotti• Integrazione di rinnovabili

• lato singolo consumatore (Residenziale, Commerciale e Industriale) • Anni: da l 2008-2010• Motivazioni:

• Maggior efficienza lato consumatore • Maggior coinvolgimento e costi ridotti

• lato comunità (consumatori nel loro assieme) • Anni: da oggi • Motivazioni:

• Partecipazione della comunità agli aspetti energetici ed ambientali• Ricadute economiche e socialiIl successo delle Smart Micro Grid & Smart Community dipende dalle scelte

progettuali e tecnologiche, ma sempre di più dalla partecipazione degli utenti e delle comunità di utenti

Il progettista di Smart Micro Grid deve progettare (e modellizzare) un sistema complesso e multidisciplinare in cui gli aspetti sociali e partecipativi hanno un peso crescente


Smart Micro Grid & Community - Interazione tra vari modelli

Per progettare, pianificare e gestire una Micro Grid occorre conoscere e dominare processi molto diversi ed interagenti, con orizzonti temporali e costanti di tempo differenti, quali:

• mercato dell’energia: tariffe, trend dei prezzi di fonti primarie

• aspetti energetici• aspetti elettrici, di vario tipo • telecomunicazioni (internet, ponti

radio) ed intelligenza distribuita (automazione e controllo)

• comportamento dell’utente/consumatore

La ricerca applicata sta sviluppando:• le interfacce tra questi

processi (e modelli)• modello comportamento utente

il successo tecnico ed economico di una Micro Grid è garantito dalla conoscenza e dalla previsione del comportamento del consumatore /utente

Il consumatore/utente spesso non molto scolarizzato e in Italia non giovane rischia di non utilizzare i vantaggi proposti

Perché conoscere il modello del comportamento dell’utente/cliente? Per intervenire attraverso:• informazione e formazione• disseminazione risultati• tariffe incentivanti• sistemi semplici e progettati sul

consumatore target • organizzazione stile cooperativo • partecipazione ai successi economici

dell’iniziativaPotenza, 12 Novembre 2012

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Agenda


Le Micro Grid






Aspetti critici della connessione delle rinnovabili alla rete elettrica

Una massiccia penetrazione delle rinnovabili, se non ben gestito:• provoca un deterioramento inaccettabile della qualità del

servizio elettrico• causa gravi problemi operativi e di protezione che

richiedono forti investimenti per rafforzare la rete elettrica di MT e/o di AT

• richiede forti investimenti nel sistema elettrico per la fornitura di servizi ancillari

• richiede nuove modalità per progettare, pianificare, gestire e manutenere le reti

• richiede l’introduzione di sistemi di accumuloQuesti vincoli possono limitare lo sviluppo delle Energie Rinnovabili


Le Micro Grid risolvono queste criticità. 15

Smart Grid e Smart Micro Grid

Le Smart Grid (ed ancor più le Micro Grid) sono la chiave per• gestire l’integrazione in rete delle

Energie Rinnovabili,• sviluppare il controllo delocalizzato• aumentare la flessibilità del

sistema alla domanda• favorire la gestione e l'espansione

della rete• offrire un ruolo centrale ai

consumatori• aumentare l’efficienza energetica

per uno sviluppo sostenibile e rispettoso dei vincoli ambientali

Tutto ciò attraverso l’utilizzo della Information Technology, ma non solo …


Smart Micro Grid

• Sia i paesi avanzati (Stati Uniti ed Europa) che quelli in via di sviluppo (Cina, America Latina e Africa)

• Le Smart Micro Grid sono una tipica applicazione delle Smart Grid, per certi versi molto più promettente, per le reti di Bassa Tensione (ed anche Media)

• Le Micro Grid sono un insieme elettricamente isolato di generatori che fornisce tutta (o quasi) la domanda ad un gruppo di clienti geograficamente ed elettricamente vicini

• Modalità di funzionamento delle Micro Grid:• Collegamento alla rete MT principale• Gestita come “isola elettrica” • Gestita in maniera coordinata con la rete MTLa rete MT può diventare quindi il sistema di back – up

della Micro Grid


Lo schema elettrico di una Micro Grid


Componenti delle Smart Micro Grid

1) Impianti di Generazione:• Energia Rinnovabile e Distribuita: fotovoltaico, eolico,

Mini Hydro, fuels cell• Piccoli impianti tradizionali

2) Sistemi di accumulo: • Batterie Elettrochimiche• Mini Hydro a pompaggio• Impianti di accumulo di gas, aria compressa e

idrogeno• Applicazioni innovative

3) Un insieme di clienti, quali: • Residenziali• Commerciali• Illuminazione Pubblica• Piccole applicazioni industriali


Componenti delle Smart Micro Grid4) rete elettrica, in particolare:

• collegamenti dalle centrali (rinnovabili incluse) ai carichi ed ai sistemi di accumulo

• collegamenti alla rete MT per:• back-up • acquisto/vendita dell’energia • acquisto/vendita dei servizi ausiliari

5) Sistemi di conversione CC/CA (Inverter) • sorgenti in corrente continua per celle a combustibile, fotovoltaico,

batteria di accumulatori• sorgenti in corrente alternata per microturbine (ad alta frequenza

variabile ) convertita in corrente continua

6) Distribution Management System (DMS): gestisce la potenza generata dalle centrali, il sistema di metering ad accounting, la pianificazione, la previsione ed il controllo

7) Regolazione e sistemi di controllo: funzioni simili a quelle tradizionali quali: supervisione della frequenza di rete, dispacciamento, load-shedding, voltage and reactive control, sincronizzazione con la rete MT


Agenda


Le Micro Grid







• le Micro Grid cavalcano il successo dell’energia solare ed eolica, delle tecnologie delle Smart Grid e dei nuovi sistemi di automazione e dispacciamento delle reti elettriche

• nel 2010 il mercato mondiale delle Micro Grid era di circa 4,2 GUS$ con una crescita significativa rispetto al 2009

• crescita che continuerà almeno fino al 2020-2025

• nel 2010, il Nord America ha rappresentato quasi il 54% del totale

• segmento di mercato di riferimento in USA:• applicazioni militari• laboratori, centri di ricerca, campus universitari ed ospedali • centri commerciali• villaggi vacanza

Settori in cui spesso viene richiesta una qualità del servizio elettrico superiore alla norma


• Nei prossimi anni le Micro Grid cresceranno soprattutto nei seguenti paesi: • Asia-Pacifico• America Latina• Europa (Russia inclusa)• Africa

• Applicazioni di riferimento delle altre aree geografiche• reti BT con presenza massiccia di Energie Rinnovabili• localtà periferiche• off-grid (isole elettriche)• applicazioni per elettrificazione e generazione rurale


Settori in cui spesso viene richiesta una qualità del servizio elettrico diversa dalla norma, a volte anche inferiore


Agenda


Le Micro Grid






Leader nei settori delle rinnovabili e delle Smart Grid

• Fotovoltaico: Germania e Italia • Off shore Eolico: UK e Germania• On shore Eolico: Danimarca e

Germania • CPV: Cina e Italia• CSP: Italia e Spagna• Geotermia: Italia, Islanda e Cina• Bio masse: Spagna • Smart Metering e Smart Grid:

Italia

• L'Italia è tra i leader mondiali sia a livello di applicazioni che di tecnologie• investimenti in energie rinnovabili: 4 ° posto nella classifica

mondiale, dopo Cina, Germania e Stati Uniti• primo posto per le applicazione solari• paese di riferimento tecnologico e di mercato per le

applicazioni Intelligenti (Smart Metering e Smart Grid)

Ora è il momento delle Smart Micro Grid!!Partendo dalle regioni con potenzialità eoliche, fotovoltaiche ed idriche

Quindi: della Basilicata!!


La posizione Italiana nelle Rinnovabili国家和部门投资， 2010 （十亿美元）

Investment by Country and Sector, 2010 (Billions of US$)

2010 年清洁能源投资前列（十亿美元） Picture 1: Top in Clean Energy Investment, 2010 (Billions of US$)

2010 Rank Country

2010 Investments (billions $)

2009 Investments (billions $)

Investment Increase %

2009 Rank

1 China 54,4 39,1 39% 1

2 Germany 41,2 20,6 100% 3

3 US 34,0 22,5 51% 2

4 Italy 13,9 6,2 124% 8

5 Rest of EU-27 13,4 13,3 1% 4

6 Brazil 7,6 7,7 -1% 7

7 Canada 5,6 3,5 60% 9

8 Spain 4,9 10,5 -53% 6

9 France 4,0 3,2 25% 12

10 India 4,0 3,2 25% 11

• Italia al quarto posto negli investimenti in energia pulita, dopo Cina, Germania e Stati Uniti

• 50% degli investimenti italiani in applicazioni solari

• Il secondo posto (7GW) in applicazione in Europa, dopo la Germania (17GW) nel 2010, prima nel 2012 previsioni

• Italia prima in % di crescita (+124%)

Investimenti Italiani in applicazioni solar i

Italia7bln$

• In Italia, mix di finanziamenti equilibrato• 1/3 Publico• 1/3 Privato per piccole

applicazioni• 1/3 Venture Capital

/Private Equity


Agenda


Le Micro Grid







• Uso massiccio delle energie rinnovabili e distribuite: le Micro Grid riducono la criticità principale oggi

esistente riguardante la soglia critica di energia rinnovabile volatile (eolica e solare) che può tollerare un sistema elettrico.

• I benefici economici e ambientali consentiti dalle Micro Grid hanno una ricaduta immediata sul territorio, quali:• sviluppo ed esercizio locali degli impianti e componenti

delle Micro Grid e indotto• nuove iniziative imprenditoriali (anche non legate alle

Micro Grid) favorite dal basso costo dell’energia

• Impatti sociali



• Gestore delle reti MT/AT: riduzione del costo del servizio elettrico rispetto alle soluzioni esistenti, perché:• elimina/riduce le perdite elettriche per la trasmissione e la

distribuzione, con evidenti vantaggi anche in termini di efficienza energetica

• riduce la congestione sulla rete MT, riduce esigenza di nuova generazione tradizionale fornendo supporto locale alla tensione e rispondendo ai rapidi cambiamenti dei carichi

• ottimizzazione raggiunta dai nuovi DMS che migliorano l'efficienza complessiva del sistema

• Gestore delle reti MT/AT: riduzione del costo di rafforzamento

(repowering) delle reti esistenti

• Utenti: riduzione dei costi perché possono:• pianificare temporalmente i carichi sulla base di ottimizzazione

economica: le tariffe di energia possono essere molto più diversificate rispetto a quelle normalmente esistenti per le reti MT (Macro Grid)

• ritagliare le esigenze di qualità del servizio elettrico (Power Quality) alle effettive esigenze


I vantaggi delle Micro Grid• Predisposizione di un livello eterogeneo di Power Quality e di

affidabilità per gli utenti finali, perché:

Principio completamente diverso rispetto alla prestazione di qualità del servizio universale, costante, che è l'obiettivo delle reti MT (Macro Grid)

le Micro Grid proteggono i carichi (critici e non) con una qualità del servizio commisurata alle necessità ed alla loro rischedulabilità.

la fornitura di qualità del servizio eterogeneo migliora l'affidabilità complessiva dei carichi critici, riducendo costi del sistema a causa del sacrificio (ripagato in termini tariffari) di quelli non critici.

permettono di ritagliare le esigenze di Power Quality alle effettive esigenze del consumatore (residenziale, commerciale ed industriale)



• Miglioramento delle attività di esercizio (operation) con riduzione degli investimenti relativi, perché: le Micro Grid nel corso di un disturbo possono separarsi

e isolarsi dalla rete MT con un impatto minimo o nullo sui carichi della rete (ad esempio, nessun impatto sulla qualità del servizio)

a malfunzionamento esaurito, la Micro Grid si risincronizza automaticamente e si ricollega alla rete

le Micro Grid funzionano normalmente interconnesse alla rete MT (Macro Grid) acquistando e/o vendendo energia e servizi accessori quando conveniente dal punto di vista operativo ed economico



• tecnico: in attività di ricerca e sviluppo

• finanziario: mediante finanziamento alle azioni dimostrative

• normativo e regolatorio

Questi vantaggi spiegano la forte promozione operata sia in ambito Europeo ed Internazionale a livello:


Agenda


Le Micro Grid






Le fasi di un Progetto tipo

• Individuazione della rete LV/MV, per gli aspetti di distribuzione, carichi e generazione

• Raccolta dati energetici ed elettrici• Sviluppo modello energetico ed elettrico della rete • Individuazione di una o più sotto reti caratteristiche della rete

LV/MV • Progettazione della trasformazione della rete LV/MV esistente in

Micro Grid (sistema autonomo che può funzionare anche in isola) con particolare riguardo alle sotto reti individuate.

• Progettazione dovrà essere validata dal punto di vista• tecnico/scientifico ed economico• aspetti regolatori e tariffari verso Macro Grid e consumatori• impatto ambientale e sociale• robustezza della soluzione• interfaccia con la Macro Grid• costi di sviluppo ed operation• facilità d’uso• accettabilità da parte degli utenti


Le fasi di un Progetto tipo

• Il progetto e la realizzazione sarà di tipo modulare e diviso in più fasi temporali, prevedendo: investimenti limitati nelle fasi iniziali, ma con ritorni economici

già presenti e con coinvolgimento dei consumatori da subito investimenti successivi: lato DMS, lato utente, lato infrastrutture

di rete (protezioni avanzate e passaggio a rete magliata – se il caso)

realizzazione di un simulatore avanzato dei principali processi e delle loro interfacce

realizzazione di una (o più) sotto reti demo, interconnesse con la rete MV/LV e con il simulatore per la modellazione e la pianificazione del comportamento attuale e prospettico.

• Campagna di promozione dell’iniziativa presso gli utenti, le realtà Istituzionali locali ed i mass media.

• Campagna di disseminazione dei risultati acquisiti dai simulatori e soprattutto dalle sotto reti demo.

• Start – up


Grazie per l’attenzione


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