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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