Alfonso Damiano (Università di Cagliari) ICT per Smart Grid

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

[email protected]

• 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


Fonte Vettore Utente


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




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.




• 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


SMART GRIDS: TECNOLOGIE ICT PER LE RETI INTELLIGENTI DI ENERGIA – 14 OTTOBRE 2015 –VETRERIA DI PIRRI–CAGLIARI

• 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



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.



Elettrico Termico

Trasporti

ICT


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


Elettrico Termico

Trasporti

ICT

Mercato dell’Energia


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



IL RUOLO DEL MERCATO DELL’ENERGIA NEL PROCESSO DI TRANSIZIONE


Evoluzione dello spark spread delle Centrali a ciclo combinato alimentate a gas metano: Fonte: rapporto GME 2012


• 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



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



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



MICRO-GRID



• 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



DISCARICA GASOMETRO

IMPIANTO DIGESTIONE ANAEROBICA

AREA COMPOSTAGGIO




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




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%




19




► 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%




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)




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




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




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




VIRTUAL POWER PLANT


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


VIRTUAL POWER PLANT


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


MICRO-GRID DI MACCHIAREDDU



MOBILITÀ ELETTRICA


Perché ora dovrebbe funzionare ?


MOBILITÀ ELETTRICA



«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



MOBILITÀ ELETTRICA E ICT



• SISTEMI INFORMATICI INTEGRATI

• INTEGRAZIONE CON SMARTPHONE




• GUIDA ASSISTITA• GUIDA AUTOMATICA




• CAR SHARING• CAR POOLING• NUOVI SERVIZI TAXI

MOBILITÀ ELETTRICA – ICT – SISTEMA ELETTRICO



MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO



MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO: LE CRITICITÀ



MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO- LE CRITICITÀ



MOBILITÀ ELETTRICA –SISTEMA ELETTRICO- LE OPPORTUNITÀ









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









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




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








INTERESSANTE !!! MA PERCHÉ INVESTIRE SULLA MOBILITÀ ELETTRICA?






5000 EVs2 kW rated power






House load

Work load

RESproduction

Working district Micro-Grid

Residential Micro-Grid



Grazie per L’attenzione

Domande?

Technology

Alfonso Damiano (Università di Cagliari) ICT per Smart Grid