Stato e prospettive dei sistemi di l i i hiaccumulo per impieghi

stazionari nella rete nazionale it liitaliana

Anna Carolina TortoraMaggio 2015

1

Agenda

Il contesto italiano – la scelta dei sistemi di accumulo

Applicazione dei Sistemi di Accumulo

I progetti TernaI progetti Terna

Progetto Energy Intensive

Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”

Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”

Analisi dei costi

2

The Italian Context - The IssuesIl contesto italiano

CauseCause EffettiEffetti MitigazioniMitigazioni• Rapida crescita degli impianti RES:

•Crisi economica e conseguenteriduzione del carico (‐ 9% dei consumi –da 330 TWh a 300 TWh)•Politica di forte incentivazione degliimpianti RES + attesa della “grid parity”•Necessità di trovare soluzioni di breve

p g p incremento delle congestioni (2010 500 GWh tagliati)

incremento di produzione da sistemistatici

• Impianti termici tradizionali al minimotecnico:

•Ottimizzare l’integrazione delle RES ed incrementare la flessibilità dellaRTN (smart grid)•Ridurre le congestioni ed evitare il“taglio” delle rinnovabiliG ti l di ibilità di tNecessità di trovare soluzioni di breve

terminetecnico:  perdita di inerzia (specie sulle isole)perdita di potenza regolante

•Garantire le disponibilità di potenzasul sistema

Analisi

Esempio: Trend di crescita delle RES nel sud Italia

Esempio: incremento percentuale dell’usodella riserva terziaria a salire (con riferimento al 2010), with relative probability of purchased hours as caused by the renewable trend

Ottimizzareintegrazione RES e ripristinare I margini

Congestionidi rete

di riserva

Aree a bassainerzia

3

Investment requiredDeployment 

time

The Italian Context - Solutions Tool BoxIl contesto italiano - la scelta della soluzioneInvestment requiredM€/ MWSolutions

timeYears Benefits Critical points

Virtual Power Plant▪ High investment▪ The Business model must be 

defined

Highly variable: 

Distributed Demand Virtual Aggregator

defined▪ Several stakeholders involved

▪ Market yet to be developed

Demand measure

depends on number of players and complexity of aggregation

N/A N/A

1‐3.3Batteries <1

▪ Emerging market▪ High costs/additional incentives 

needed to break even

▪ Very fast deployment time Best Short 

Term Bet!

2.0‐2.5Pumpedhydro

5‐10▪ Very long deployment time▪ Capital expenses site‐dependent▪ Few available sites

▪ Mature technologyStorage 

options

Term Bet!

0.5‐1.0CAES(traditional underground)

5‐10

▪ Difficulties in finding adequate sites▪ Long & complicated approval process▪ Limited Applications (site‐dependant)▪ Low round trip efficiencies

▪ Investment limited compared to other technologies

0.2‐0,315InfrastructureDevelopment >10

▪ Low round‐trip efficiencies

▪ Very long deployment time▪ Does not address all issues

▪ Cheaper investmentTerna core businessSupply

Source: Terna; McKinsey

4

Agenda

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Applicazione dei Sistemi di Accumulo

I progetti TernaI progetti Terna

Progetto Energy Intensive

Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”

Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”

Analisi dei costi

5

Selecting the Appropriate TechnologiesWhen it comes to Energy Storage there is no Best Technology, there are instead

Soluzione vs applicazionegy g gy,

Best Solutions

Solutions must be selected according to the desired applications pp

Energy Supply Voltage Congestion Load Frequency PowerEnergy Time shift

Supply Capacity

Voltage Support

Congestion Relief

Load Following

Frequency Regulation

Power Quality

Energy Intensive Energy Intensive Power Intensive Energy Intensive Energy Intensive Power Intensive Power Intensive

…for each identified set of applications there are many technologies to chose fromtechnologies to chose from….

6

Applicazioni: Risoluzione delle congestioniENERGY INTENSIVE

Interconnessione CSUD-SUD

Dir ce 150 kV

Tempo realeL’integrazione degli SdA con il Piano di Difesa conduce ad un incremento di capacità di transito per far fronte a

Interconnessione CSUD-SUD

Dir ce 150 kV

Dir.ce 150 kV FOG-DEL-ANR Direttrice con surplus di

generazionecontingenze che possono verificarsi nella gestione della rete. Questa caratteristica migliora la sicurezza della rete sia in condizione di esercizio N che N-1

#

Dir.ce 150 kV BR-BAO: 380 kV

: 220 kV

: 150 kV

: Contingenza Da programma##

#

I t i D i R ti

: SdA

: Contingenza

: Sovraccarica

Da programmaI transiti interzonali di energia possono essere gestiti tramite l’attivazione degli SdA. In questo modo è possibile risolvere sia le

Dir.ce 150 kV SCD-ROS

Integrazione Dynamic Rating

Gli SdA sono in grado di ripristinare il margine dicapacità di transito fornita dal dynamic rating nelcaso in cui quest’ultimo violi le condizioni di

congestioni interzonali di mercato che le congestioni locali

esercizio N-1

7

Applicazioni: Reintegro della capacità di regolazionePOWER INTENSIVE

PRODUZIONE CONVENZIONALE FRNP SdA

• No regolazione primaria

• Riduzione potenza

• Regolazione primaria con banda di regolazione: ± 1,5% Peff

(*)

• Regolazione primaria con banda di regolazione: ±100% Pnominaledell’impianto

• Riduzione potenza immessa con 50.3Hz<f<51.5Hz

Possibilità di ovviare alla riduzione della capacità regolante causata dalla forte penetrazione degli impianti di generazione da FRNP

* Potenza efficiente 8

Applicazioni: Performance nella regolazione

P

POWER INTENSIVE

140

160

180

50Hz

FrequenzaPregolata(MW)

100%

60

80

100

120

100%

50%

100%SdA

0

20

40

0 5 10 15 20 25 30TempoTempo (s)

50%

100%

Inerzia del sistema

Termoelettrico SdA

Regolazione primaria • Disponibilità riserva primaria Sicilia: 160 MW• Disponibilità riserva primaria Sardegna: 60 MW + BMI (≈80 MW)

Regolazione primariaRegolazione primaria

• Banda di regolazione: ± 1,5% Peff• Almeno metà entro 15 sec• Tutta entro 30 sec• Mantenimento per almeno 15 min

• Banda di regolazione: ± 100%Pnom dell’impianto• Tutta entro 1 sec (regolazione ultrarapida)• Eventuale sovraccaricabilità

Inerzia del sistema

• Inerzia delle masse rotanti• Effetto non regolabile (statismo)

• Inerzia sintetica• Effetto regolabile

9

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Applicazione dei Sistemi di Accumulo

I progetti TernaI progetti Terna

Progetto Energy Intensive

Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”

Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”

Analisi dei costi

10

Solution Selection Process

Collect all IssuesCollect all Issues Identify the Critical Ones

Identify the Critical Ones

Classify them by application

Classify them by application

Calibrate InvestmentCalibrate

InvestmentOptimize the

benefitsOptimize the

benefits

• Fast and massive • Fast and massive E I i M i l•The benefits which• Fast and massive

growth of RES• Rise in congestion-

related curtailments (i.e. 2010 500 GWh lost)

• Rise in demand for non-spinning reserve

• Fast and massive growth of RES

• Rise in congestion-related curtailments

• Rise in demand for non-spinning reserve

• Traditional plants

• Energy Intensive:Solutions that store large quantities of energy for long periods of time• Power Intensive:

•Marginal use:Low CapEx,, lower efficiency, high OpEx,•Medium use: Medium to high CapEx average

The benefits which can be collected through the usage of Storage Systems are varied and hardly cumulative

• Traditional plants running at minimum load

• Loss of inertia in smaller insular systems (i.e. Sicily and Sardinia)

• Loss of frequency reserves

running at minimum load• Loss of inertia in

smaller insular systems (i.e. Sicily and Sardinia)

• Loss of frequency reserves

• Power Intensive:Solutions capable of manipulating large amounts of power in very short bursts of time

CapEx, average efficiency, low O&M;•Continuative use:High CapEx, low O&M, High Efficiency, high #cycles

•A correct identification of the “benefit” function allows for the maximization of the Return of Investment

Terna’s Commitment to EESSTerna’s Commitment to EESS

reserves reserves g yReturn of Investment

Grid Defense PlanGrid Development PlanPower Intensive

pEnergy Intensive

11

I progetti Terna – PdS e PdD

Energy Intensive (130 MW)

Piano di Sviluppo 2011

Power Intensive (40 MW)

Piano di Difesa 2012

Fornire i servizi essenzialiRegolazione di frequenzaRegolazione di tensione Integrazione nei Sistemi di Controllo e Conduzione

• Riduzione congestioni locali su rete AT

Funzionalitàrichieste

ConduzionePower Quality

Valutazione delle performance delle differenti soluzioni tecnologiche

• Aumento riserva primaria• Aumento riserva terziaria

Regolazione di tensione

Sviluppo di un Sistema di Controllo avanzato per la gestione multitecnologica

Caratteristichetecniche

• Regolazione ultra-rapida di frequenza• Alto rapporto Potenza/Energia

AC R dt i Effi i 85%

• Rapporto Energia/Potenza nominale ≥ 7 MWh/MW

• Efficienza AC roundtrip ≥ 75%• AC Roundtrip Efficiency >85%• Tempi di risposta immediati

12

E I t i

Progetti Storage di Terna

Power Intensive

Energy Intensive

• Scopo: aumento della sicurezza del sistema

• Scopo : ridurre congestioni di rete• Potenza totale: 35 MW• Tecnologie: NaS Sodium Sulfurp

• Potenza totale: 40 MW• Tecnologie: Li-Ion, Zebra, Flow, Supercaps• Numero di siti: 2• Investimento: 93 €mln; 2,3 €mln/MW

Sodium Sulfur• Numero di siti: 3• Investimento: 160 €mln; 4,6 €mln/MW

Sito 1: Ginestra• Potenza totale: ≈ ≈ 12 MW• Status: commissioning

Sit 2 Fl iFase I: 16 MW Storage Lab

• Codrongianos• Potenza totale: • Status: in commissioning≈ 8 MW

≈ 8 MW

Sito 2 Flumeri• Potenza totale: ≈ 12 MW• Status: commissioning

g

• Ciminna• Potenza totale:• Status: in commissioning

Sito 3 Scampitella• Potenza totale: ≈ 11 MW• Status: in construction≈ 8 MW

Fase II: 24 MW

Casuzze e Codrongianos: da iniziare

13

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Applicazione dei Sistemi di Accumulo

I progetti TernaI progetti Terna

Progetto Energy Intensive

Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”

Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”

Analisi dei costi

14

Il progetto “Energy Intensive”

Siti autorizzati Energy IntensiveVOLTURARA

EDENS ALBERONA

CERCEMAGGIORE

CAMPOBASSOIVPC VOLTURARA

EDENS VOLTURARA

IVPC ALBERONA

ALBERONA

MONTORSI

WIND ENERGY FOIANO

FLABRUM

Nel Sud Italia su direttrice 150 kV:“Benevento 2 – Celle San Vito”12 MW

ROSETO

COLLE SANNITA

SAVIGNANO FS

TROIAFEO

CELLE S.VITO

SAVIGNANO IRP.

GINESTRA DEGLI SCHIAVONI

CASTELPAGANO FOGGIA

FOIANO

ALBERONA

IVPC M.

CER CASTELF.

MONTEFALCONEFAETO

IVPC FOIANO

IVPC4 ROSETO

FORTORE E. R.

FOIANOIVPC POW3 FOIANO

EDENS M.

EDENS S.GIORGIO L.M.

EOS GINESTRA

W.F. U. AVINO

DAUNIA FAETO

EOS4 F.

MARGHERITA F..

EDENS C.S.V.

IVPC4 C.S.V.

ASI T. FV

DAUNIA CALVELLO

ECOENERGIADAUNIA W. MONTELEONE

FORTORE E.

MARGHERITASEA

12 MW

Castelfranco in MiscanoDecreto aut. 191/2013 del  22/08/201312 MW

TROIAMONTEFALCONE

FOIANO

FLUMERI

STURNO

PRESENZANOBENEVENTO IND.

BENEVENTO FSBENEVENTO 2

APICE FS

ARIANO IRPINO

AIROLA / MONTESERCHIO

S. SOFIA

BENEVENTO

AVELLINO

VALLESACCARDA

NUOVA SE GONGOLOGONGOLO

12 MW

Nel Sud Italia su direttrice 150 kV:FLUMERI

STURNO

ACCADIA

TROIA

BISACCIA

BISACCIA

PRESENZANO

BENEVENTO 2APICE FS

ARIANO IRPINO

AIROLAS. SOFIA

MONTEFALCONE

LACEDONIASCAMPITELLA

MONTESARCHIO

DURAZZANO

XX

BENEVENTO

SAVIGNANO IRP.

ARIANO

MATERA

SAVIGNANO FS

BENEVENTO IND. BENEVENTO FS

VALLESACCARDA

ANDRETTA

FlumeriDecreto aut. 194/2013 del  19/09/2013“Benevento 2 – Bisaccia 380”

22,8 MW12 MW

10 8 MW

CALABRITTO

CONTURSIBUCCINO

TANAGROCAMPAGNA

CONTURSI FS

GOLETO S.ANGELO

CALITRI

AVELLINO

PRATA P.U.

NOVOLEGNO

CASTELNUOVO N

MONTECORVINO

SOLOFRA

SICIGNANO

FMA PRATOLA SER.

TUSCIANO

FIAT PRAT.S. UTE

19/09/2013

ScampitellaDecreto aut. 204/2014 del  25/03/2014

Totale: 34,8 MW

10,8 MW TANAGROCAMPAGNA

LAINO ROTONDA

15

Energy Intensive – l’impianto (4/4)Caratteristiche tecniche impianto SdA da 12 MW

Dati di targa

Tecnologia di accumulo energetico Batterie NAS (sodio-zolfo)

Potenza nominale di scarica 12 MW

Potenza nominale di carica 12 MW

Energia nominale netta 80 MWh

Efficienza energetica di “round trip” ac/ac (1) 75%

Full charge time (da SOC 0%, a potenza nominale di carica) (2) Circa 10 h

Full discharge time (da SOC 100%, a potenza nominale di scarica) Circa 7,5 h

Tasso di autoscarica -

Rampa nominale di potenza in scarica 12 MW/sec

Rampa nominale di potenza in carica 12 MW/sec

Numero di cicli (a DOD 100%) (3) 4500 cicli

Vita utile calendariale 15 anni

Temperatura operativa di esercizio 305 – 340 °C

(1): L’efficienza è comprensiva dei servizi ausiliari, valutata con riferimento ad un ciclo di carica/scarica completo giornaliero(2): SOC, State Of Charge(3): DOD, Depth Of Discharge

7

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Applicazione dei Sistemi di Accumulo

I progetti TernaI progetti Terna

Progetto Energy Intensive

Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”

Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”

Analisi dei costi

17

Il Progetto “Power Intensive”La Fase II è subordinata agli esiti positivi della Fase I

I Fase (Storage Lab) II Faseesiti positivi della Fase I

Sardegna:8 MW 

Sardegna:12 MW 

C d i Codrongianos

Sicilia: Sicilia:

Codrongianos Codrongianos

Sicilia:8 MW

Sicilia:12 MW

Ciminna Casuzze

Totale previsto 16 MW Totale previsto 24 MW

Totale previsto 40 MW

18

Storage Lab - Panoramica della sperimentazioneIndividuzione della migliore

tecnologia per un dato servizio•Accumulo/rilascio di energia tecnologia per un dato servizio

•GridScale(>1MW)

gram

ma

di

imen

tazi

one g

•Regolazione di tensione•Regolazione primaria frequenza•Regolazione secondaria di frequenza•Asservimento al sistema di difesa•Analisi tempi di risposta

•Regolazioni (frequenza/tensione);•Load following;•Bilanciamento;

STA

RT

Pro

sper

i

•Analisi efficienza totale•Analisi di compatibilità con i sistemi DSC di “secondo livello”

;•Peak-shaving;•Load-shifting;•Congestion management;•……

T l i ?S

•Module scale (<100kW) ra

mm

a di

m

enta

zion

e • Test di invecchiamento• Creazione circuito equivalente• Test di prestazione• Test termici e climatici• Test di overcharge/discharge

Tecnologie:

•NaS•Litio-ioni•Zebra

?

(<100kW)

Prog

sper

im • Test di overcharge/discharge• Test di sovraccaricabilità• Test di cortocircuito

•Supercaps•Flow•…….

i

PROGRAMMA DI INVESTIMENTI FUTURO e POSSIBILI ULTERIORI STRATEGIE MIGLIORATIVE

Labo

ratori Laboratori scelti per l’esecuzione dei test sui moduli:

19

Codrongianos - Layout di impiantoArea StorageArea SET UP MT

EPC

Litio Zebra

N 5 2 Altre tecnologie

Numero 5 2

Potenza  5 3 2 2[MW] 5,3 2,2

EnergiaAltre 

tecnologieAltre 

tecnologie

Energia [MWh] 4,6 6,2

7

Codrongianos - Layout di impiantoArea SET UP MTArea Storage

Litio Zebra

Numero 4 1Altre 

l i

Potenza [MW] 3,9 1,2

Altre 

tecnologie

Energia [MWh] 3,9 4,2

tecnologie Altre tecnologie

7

Agenda

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Applicazione dei Sistemi di Accumulo

I progetti TernaI progetti Terna

Progetto Energy Intensive

Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”

Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”

Analisi dei costi

22

Oggetti della sperimentazioneLitio: Rack e moduli

Fornitori TecnologiaEnergia nominale (kWh)

Potenza nominale (kW)

Tensione Massima 

(V)

Tensione Minima (V)

Tensione nominale 

(V)

Corrente di scarica 1C (A)

Numero di cicli 

standard dichiarati

SaftModulo

NCA2 2 28,2 21 25,2

82 3000Saft NCA 82 3000Rack 50 58 818 609 730

BYDModulo

LiFePO42,37 2,37 14,4 11,2 12,8

185 4000Rack 147 147 893,6 694 793,6

SamsungModulo

LMO3,5 3,2 65,9 48 59,2

60 5000Rack 56 52 1054 7 768 947 2Rack 56 52 1054,7 768 947,2

LGModulo

NMC3,2 3,2 59 42 51,8

62 3000Rack 44,96 45 814 588 725

ToshibaModulo Litio‐

titanato1,1 1,1 32,4 18 27,7

40 6000Rack 24,2 24,2 780 480 610

Elementi principali

‐ Alimentazione e unità di controllo

BMS ‐ Interruttore principale

‐ Sensore di Corrente

‐ Fusibile di potenza

R l

23

‐ Relay

Zebra: Moduli

Oggetti della sperimentazione

Fornitori TecnologiaEnergia nominale (kWh)

Potenza nominale (kW)

Tensione Massima 

(V)

Tensione Minima (V)

Tensione nominale 

(V)

Corrente di scarica 1C (A)

Numero di cicli 

standard dichiarati

FIAMM Modulo   Zebra 22,5 6,25 640 460 620 10 4500

GE Modulo   Zebra 20 10 577 432 557 20 4500

BMS

Elementi principali

‐ Alimentazione e unità di controllo

‐ Interruttore principale

‐ Sensore di Corrente

‐ Fusibile di potenza

‐ Relay

24

Relay

Strategia di test

• Test di prestazione;• Test di prestazione a cicli parziali;

• Test di invecchiamento su ciclo di regolazione di  a cicli parziali;

• Test di creazione circuito equivalente

gfrequenza;• Test di invecchiamento su cicli standard;

Creazione  Creazione modello 

invecchiamentomodello elettrico

Valutazione comportamento i di i

Valutazione comportamento in condizioni

• Test di Overcharge;• Test di Overdischarge;

• Test termici;

in caso di guastiin condizioni non nominali

Overdischarge;• Test di Corto circuito.

25

Agenda

Il contesto italiano – la scelta dei sistemi di accumulo

Applicazione dei Sistemi di Accumulo

I progetti TernaI progetti Terna

Progetto Energy Intensive

Progetto Power Intensive – sperimentazione “grid scale”

Progetto Power Intensive – sperimentazione “lab scale”

Analisi dei costi

26

EESS – distribuzione dei costi di realizzazione [%]

Analisi dei costi EESS

Litio Zebra

1%

1% 3%

[ ]

Batterie

PCS

7%

2% 7%

12%

10%

1%1% 8%

Trasformatore

Servizi ausiliari

54%

16%

2%

7%

76%

Apparecchiature di manovra e protezione

SCI

AltroAltro

Batterie

NAS

A causa delle differenze impiantistiche i costi non sono perfettamente comparabili:

• La voce SCI è compresa   

PCS‐SCI

Servizi ausiliari5%

6%

14%

nel costo del PCS• Il TR non è oggetto di 

fornitura

Apparecchiature di manovra e protezione

Altro67%

8%

21

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

28

Applicazione dello storage nel settore elettrico

GeneratorsThermal Generators

Optimization of Fuel Consumption

Primary Reserve Compensation

Regulation Services to Grid

Given the potentialuser and theapplication, quantifythe economicRenewable Generators

S t O t

Generation Smoothing

Load Following

Primary Reserve (f and V)

the economicbenefits per MWor MWh. Factor inround-tripSystem Operators

Transmission System Operators

Distribution System Operators

Primary Reserve (f and V)

Secondary Reserve (f and V)

Congestion Management

Renewables Integration

round tripefficiency, life timeand number ofcyclesDistribution System Operators

Load

Renewables Integration

T&D Investment Deferral/Avoidance

Electric Transportation

cycles.

Optimize your solutionbased on theseparameters keeping inPublic Service Consumers

Large Industrial Consumers

Support to Energy Efficient Techs

Peak Shaving

UPS Service

parameters, keeping inmind that oftentimesthe best solution mightbe a hybridization

Small Domestic ConsumersDemand Management

Renewable Management 

of varioustechnologies.

29