Scenari futuri della produzione e distribuzione dell’energia: le smart grid

Carlo
Alberto
Nucci

Università
di
Bologna
-‐
DEI

Scenari
futuri
della
produzione
e
distribuzione

dell’energia:
le
smart
grid

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Workshop

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Sommario

1. Dalla
rete
ele9rica
tradizionale
alla
smart
grid

2. Perché
è
necessaria
la
smart
grid

3. Smart
grids
come
‘enabler’
delle
smart
city

4. AEvità
nel
campo
delle
smart
grid
presso
il

Laboratorio
sistemi
ele9rici
di
potenza
del
DEI

-‐
Università
di
Bologna

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

130kV/20kV

400kV/130kV

20kV/400V

UHV
network

HV
network

ReH
MT/BT

Load

GeneraHon

La rete ele(rica “tradizionale”

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Anche
la
rete
ele9rica

tradizionale
è
‘smart’

La rete ele(rica “tradizionale”

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

La Smart Grid
!
Smart
grid
–
Europe
Technology
PlaRorm

h9p://www.smartgrids.eu/

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Potenza ele(rica installata in Italia
Potenza eﬃciente degli impian; ele(rici
di generazione in Italia al 31.12.12

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Adattato da D. Chiaroni, Energy & Strategy
Group – Politecnico di Milano, FORUM-PA,
Milano, Feb 12, 2013

Andamento
della
potenza
connessa
in
Italia
Fotovoltaico

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Potenza
eolica
installata
per
anno
nel
mondo
Da
WWEA
–
World
Wind
Energy
Associa+on

Eolico

Transforming the global energy mix: The exemplary path to 2050/2100
– Source WBGU, 2003
Energy mix del futuro?

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

130kV/20kV

400kV/130kV

20kV/400V

UHV
network

HV
network

ReH
MT/BT

Load

GeneraHon

DG
DG
DG
Smart Grid
Impa9o
delle
Generazione
Distribuita

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

1.
Inversione
di
ﬂussi
di
potenza
à

•  Limi+
di
transito

•  Alterazione
proﬁli
di
tensione
sulle
linee

•  Malfunzionamento
protezioni

2.
Aleatorietà
delle
fonH
rinnovabili
à

•  Necessità
di
sorgen+
di
accumulo

•  Ges+one
ancora
più
‘intelligente’
del
sistema,
e

ampio
uso
di
ICT

3.
Impiego
di
fonH
rinnovabili
à

•  uso
di
conver+tori
(e
non
generatori
sincroni)
e

quindi
perdita
di
inerzia
e
di
stabilità

Perché deve essere Smart

Courtesy
of
M.
Merlo
–
Politecnico
di
Milano,
Italy

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

9,5

10,0

Percentualedinodisultotale
Potenza Installabile [MW]
Limi+
di
transito

Variazioni
rapide
limitate
al
6%

Variazioni
lente
di
tensione

Nessun
vincolo
violato

www.autorita.energia.it/docs/09/025-09arg.htm > Allegato A > Allegato 2
Perché deve essere Smart

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

La smart gid sarà uno dei principali
‘enabler’ delle smart city

Courtesy
of
Dr.
P.
Mancarella

It
is
not
only
about
electricity

La smart gid sarà uno dei principali
‘enabler’ delle smart city

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Importanza dell’accumulo

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Measurements

(e.g.
PMUs)

Management of genera;on, storage and compensa;on
resources, with voltage amplitude proﬁles, lines overload and
losses minimiza;on constraints
µgrid
at

CESI,
Milan

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Measurements

(e.g.
PMUs)


00
HV network
CUB1 CUB2
CP
01 04
10
08
Linea 2
Porzione
di rete
passiva
Linea 1
Porzione
di rete
con GD
Tensione
al
nodo
[p.u.]

0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Scenario
5
linea
1
Scenario
5
linea
2
Limite
sup
Limite
inf
Distanza

da
CP

Linea
1
(conﬁgurazione
a]va)

Linea
2
(conﬁgurazione

passiva)

Vmax
=
1,05
p.u.

Vmin
=
0,95
p.u.


Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

PMU – phasor measurement units

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

800mcableline
External transmission network
BR1
BR1-‐GT1
BR-‐ST
BR1-‐GT2
BR2-‐GT1 BR2-‐GT2
PMU3
PMU2
PMU1
Management of inten;onal and non inten;onal
islanding opera;on of ac;ve distribu;on gridsGent
0.16
0.17
0.18
0.19
0.2
0.21
-‐1600
-‐1400
-‐1200
-‐1000
-‐800
-‐600
-‐400
-‐200
0
200
0 10 20 30 40 50 60
Angle
difference
between
positive-‐sequence

components
of
PMU1
and
PMU2
phasors

(°)
Angle
difference
between
positive-‐sequence

components
of
PMU2
and
PMU3
phasors

(°)
Time

(s)
PMU2-‐PMU3
PMU1-‐PMU2

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Micro-‐controlled Power Management System for
Standalone Microgrids with Hybrid Power Supply

A3
A2
Water
Outlet
Water
Inlet
Air
Outlet
A1
A0
Air
Inlet
Radiator
Fan
Water pump
Blower
Filter
Heat
exchanger
Electro
valve 2
Electro
Valve 1
Pressure
reducing
valve
H2
Outlet
Gas to gas
humidifier
3-way
valve
Stop
cock
S10
W2
W7
A CM
WC1
WC2
W8
W1
W5
W6
W3
W4
H2
Inlet
A4H1
Water tank
S9
STACK
Water
tank

Humidiﬁer

Heat

Exchanger

Blower

Water
pump

H2
inlet

valve

Stack

PEM fuel cell layout
Micro-‐controlled Power Management System for
Standalone Microgrids with Hybrid Power Supply

Co-‐simulazione

Control
strategies
over
communicaHon
network
of
distributed
energy

and
storage
resources
connected
to
medium
voltage
feeders

Catalyst
ContribuHon:

Ø  Modeling
and
simula+on
of

ICT-‐based
control
strategies
of
DERs

taking
into
account
the
requirements
of
fast-‐chargers
–
Transfer
this

innova+ve
technology
to
the
large
industry
(SIEMENS)

AcHvity
expected
Outcome:

Ø  Power-‐ICT
co-‐simula+on
plahorm
of
control
strategies
over

communica+on
network.

Ø  Model
of
fast-‐chargers
–
grid
interac+on
for
the
proposed

simula+on
framework

Ø  Design
of
user-‐centric
input
to
control
the
DERs

Value:
analysis
of
realis+c
case
of
communica+on-‐based
control

strategies
of
a
MV
network
-‐
understand
how
to
extend
the
upper

limit
of
concurrent
fast
chargers

Ø  Technology
transfer
to
producers
of
distribu+on
management

systems

ContribuHon
to
KPIs:

Ø  #iden+ﬁed
innova+on
opportuni+es,
#number
of
innova+ons

incubated

ICT-‐based
control
strategies
of
DERs
is
crucial
to
dynamically
extend
the
upper
limit
of
concurrent
fast
chargers
locally

connected
to
a
MV
network

DRAFT

InnovaHon
Opportunity

ScouHng

Technology
Transfer

Co-‐simula+on
of

electric
power
and

communica+on

networks

presented
by
University
of
Bologna.
Reference:
Alberto
Borghe]

Facilitate
Electric
Mobility
by
improved
ICT-‐based

control
strategies
of
DERs

(e.g
photovoltaic
units,
co-‐generaHon
plants,
storage
units)
as
well
as
of

other
regulaHon
resources
(e.g.
load
tap
changers
and
capacitor
banks)

connected
to
urban
MV
feeders.

E2SG
-‐
Energy
to

Smart
Grid,

SMARTGEN

EIT
Funding:
40
K€

#FTE:
0,4
py

Non-‐EIT
Funding:
160
K€

#FTE:
1,6
py

€
€
complementary

funding
co-‐funding

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Proge(o SMARTGEN
www.smartgen.it

30
Genova,
9
O9obre
2012,
visita
di
veriﬁca

From
current
grid
to
Smarter
Grid

RER/
DER
RER/
DER
AT/MT MT/
BT
Reti di distribuzione attive
con generatori di varia taglia
e accumulo
Distribution
Management
System
avanzato
Servizi per
nuovi operatori
nel mercato
liberalizzato

FUNZIONALITÀ DEL
DMS SMARTGEN
Università di Bologna
Università di Genova
31Genova, 9 Ottobre 2012, visita di verifica

Funzionalità del DMS
!"#$%&"'()$#"$"'*$+,-%'.)+&)/'
0"1(."234"%#)'(.+1,"11"%#)'
1$+0+'
!"#$%&"')$%#%,"$"'*,).$+(%/'
,('
2('
5)#).+4"%#)'
+$$3,3&%'
$+."$%'
+(6,('
$%#(.%&&%'
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$%#(.%&&%'
&%$+&)'
5)#).+4"%#)'
+$$3,3&%'
$+."$%'
),1'+('
$%,3#"$+4"%#)'
!"#$%&'()*+!)
$%#(.%&&%''$)#(.+&)'
*+&5%."(,"/'
1$7)03&+(%.)'6'2.%8).'6')12'
$",'1).!).'
*."/$%#9"53.+4"%#)'%((",+'
1(",+'1(+(%'
&%$+&"44+4"%#)'53+1("'
%((","44+4"%#)'-3#(%'0"'&+!%.%'
1$+0+'
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-.)!"1"%#)'5)#).+4"%#)!"#$%$&'!
!"#$%&"'()$#"$"'*$+,-%'1",3&+(%/'
7"1(%."+#''
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$",''
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.)+&'(",)'
02'
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+$("!)'0),+#0'6'01,'
%-$'
&%+06-.%03$("%#'+55.)5+("%#'
(.+0"#5'
+#$"&&+.:'1).!"$)1'
"6%'
$%#(.%&&%'
&%$+&)'
$%#(.%&&%'
&%$+&)'
$%#(.%&&%'
&%$+&)'
$%#(.%&&%'
&%$+&)'
$%#(.%&&%'
&%$+&)'
&%$+&"44+4"%#)'
53+1("'
+(6,('
$%#(.%&&%'
0)$)#(.+(%'
&%$+&"44+4"%#)'
53+1("'
!"#$%"&&"''!(#$%)&('
*)&+"%,$-,.'
*%,.!"#/,+0%)1,"#('"$$,-)'
2$,-)'2$)$"'
&"!)&,11)1,"#('+0)2$,'
"$$,-,11)1,"#('30#$"'4,'&)5"%"'
3%(5,2,"#('!)%,!"'
3%(5,2,"#('+(#(%)1,"#(!"#$%$&'!
Genova, 9 Ottobre 2012, visita di verifica 32

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Proge(o SMARTGEN
Area di proprietà di ENEL INGEGNERIA e INNOVAZIONE:
•  The main ENEL experimental facility for small plants in the power generation field
•  Personell :10 unit.
•  Experimental plants 18

Ridurre
i
cos+
energe+ci
in
azienda:
dagli
scenari
ai
meccanismi
di
incen+vazione

Area Sperimentale di Livorno
Le potenze di riferimento al punto di consegna in Media Tensione:
•  Cavo alimentazione 15 kV dalla stazione (250 metri): 4 MW
•  Potenza nominale iniettabile in rete: 3 MVA
•  Potenza massima prelevabile: 2 MW
La Cabina è dunque strutturata per un cliente MT dotato sia di utenze passive che attive.
Descrizione dell’Area

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