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Smart Grids:
            Traiettorie di sviluppo verso le reti
             elettriche “intelligenti” del futuro
                                         prof.
                                         prof Roberto Turri
                 Dipartimento di Ingegneria Elettrica – Università di Padova
                                       roberto.turri@unipd.it




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       1. Cambiamento di paradigma della produzione di energia
          elettrica: da una produzione centralizzata verso una Generazione
          Distribuita di più piccola taglia in grado di accedere e sfruttare
          meglio le fonti rinnovabili
       2.
       2 Sviluppo di sistemi per l informazione sempre più capillari e
                                       l’informazione
          a basso costo (interazione produttore-utente, monitoraggio e
          controllo in tempo reale dell’intero processo energetico)
       3. Sul piano economico-gestionale: passaggio da strutture
          monopolistiche “verticalmente integrate” al libero mercato
          dell’energia
          Profonda ridefinizione del ruolo delle RETI: da sistemi per il
          trasferimento di energia a infrastrutture cui produttori e
          consumatori possano liberamente accedere per scambiarsi il
          prodotto energia. In questo contesto alle reti è chiesto di essere
          anche “intelligenti”



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Bisogni delle reti del futuro

          Approccio mirato a soddisfare il consumatore
          Rinnovo della rete elettrica e innovazione della stessa: più
          automazione, controllo remoto, ecc.
          Sicurezza della fornitura
          Mercato liberalizzato
          Interoperabilità delle reti elettriche europee
          Gestione efficiente della generazione distribuita e delle fonti
          rinnovabili
          Gestione efficiente e ammodernamento delle tradizionali centrali
          elettriche
          Attenzione all’ambiente
                      all ambiente
          Valutare la risposta alla domanda e la sua gestione.
          Valutare gli aspetti politici e normativi
          Valutare gli aspetti sociali e demografici
          Coinvolgimento di tutti gli attori interessati.

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                                            La rete elettrica del (prossimo) futuro


         La vecchia struttura della rete elettrica a causa dei mutamenti da anni in
         atto sarà sempre meno idonea alle necessità del futuro, dovrà pertanto
         modificarsi divenendo più:


                 “intelligente”,           affidabile,        sostenibile, economica




        La Comunità Europea recentemente ha posto traguardi molto ambiziosi,
       riassunti dal famoso motto


                                     “20 -20 -2020”
       (ridurre del 20% le emissioni di CO2, portare al 20% la produzione da fonti rinnovabili, entro il 2020).




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Smart Grids


        Il primo passo verso l’adozione di una strategia comune per lo sviluppo della
        rete elettrica europea è stata la carta “Vision and Strategy for Europe’s
        Electricity Network of the future” (aprile 2006).

        Il futuro vuole energia affidabile, flessibile, accessibile ed economica,
        usando sia centrali elettriche grandi che piccoli generatori DG.

        L’utente finale diventerà sempre più interattivo sia col mercato che con
        la rete, l’elettricità potrà essere prodotta e immessa in ogni punto
        della rete per rendere l’energia più economica e sicura e garantire una
        inter-operabilità.


                         Tutto ciò è la Smartgrid (rete intelligente).




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                                                       Caratteristiche delle Smart Grids



            La rete del futuro per fronteggiare tutte queste problematiche dovrà
            essere pertanto “smart”, ovvero intelligente (ma non solo).

            Le attuali distinzioni e demarcazioni fra rete di trasmissione e
            distribuzione tenderanno a sfumare verso una struttura più simile a
            internet con nodi più o meno importanti da un punto di vista
            funzionale.

            Presenza sempre più massiccia di sistemi piccoli e diffusi sul territorio, in
            cui il singolo utente potrà interfacciarsi con la rete e con il mercato
            dell’energia elettrica in maniera attiva (producer+consumer=
            prosumer).




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Smart Grids

   Definizione Smartgrid

   E’ una rete elettrica che può integrare intelligentemente il comportamento e le
   azioni di tutti gli utenti ad essa connessi – produttori, consumatori e
   produttori/consumatori - allo scopo di assicurare efficientemente un
   approvvigionamento elettrico sostenibile, economico e sicuro.
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Smart Grids




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Smart Grids




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Smart Grids




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                                         La Piattaforma Tecnologica “SmartGrids”

                                                MISSIONE
          Formulare e promuovere una visione comune sulle reti elettriche del futuro (2020
           e oltre) indirizzando la ricerca e lo sviluppo tecnologico nel contesto europeo




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Struttura della Piattaforma Tecnologica


                                                       Advisory Council
                                                       Rappresentanti di imprese operanti nel settore
                                                       elettrico. Fornisce le linee guida, stimola le
                                                       iniziative e monitora l’avanzamento
                                                       Mirror Group
                                                       Promuove il coinvolgimento degli stati membri
                                                       delle nazioni candidate e degli stati associati


                                                       4 Working Groups
                                                       Elaborano i progetti di dettaglio su specifiche aree
                                                       tematiche e sono aperti a tutti gli Stakeholders




                                                       General Assembly
                                                       Condivisione della vision e divulgazione




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                                               Agenda di Ricerca Strategica (SRA)

       La piattaforma tecnologica europea Smartgrid ha concentrato gli sforzi
       creando una Agenda di Ricerca Strategica (SRA).

       Obiettivi
       • Assicurare lo sviluppo della rete europea in modo che l Europa resti
                                                                l’Europa
       competitiva, tenendo conto dei vincoli ambientali e di sostenibilità.

       • Guadagnare i benefici di una collaborazione e cooperazione indirizzando le
       sfide comuni per tutti i paesi membri.

       • Provvedere una struttura chiara e degli obiettivi su cui possa focalizzarsi la
       ricerca comune e captarne gli eventuali vantaggi.

       • Produrre lo slancio e il supporto necessario per tradurre buone idee in
       prodotti adeguati e in soluzioni.

       • Un principio chiave è il coinvolgimento di tutti gli attori (dai produttori agli
       utenti finali) e la divulgazione per tutti.


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Agenda di Ricerca Strategica (SRA)

         Coinvolgimento di tutti gli attori interessati all’evoluzione della rete, per:
         • Sviluppare una visione condivisa della rete del futuro
         • Identificare i bisogni e indirizzare gli sforzi pubblici e privati della ricerca
         sulle reti elettriche
         • Portare a delle conclusioni da divulgare ad ogni livello e delle
         raccomandazioni da fare per i programmi di ricerca futuri

                              Vantaggi aspettati per i vari attori
      Piccoli Utenti            Partecipazione nel lato della domanda
                                Miglioramento di qualità e di sicurezza della fornitura
      Grossi Utenti             Riduzione della congestione per l’esportazione della generazione.
                                Accesso ai mercati elettrici europei

      Reti di                   Integrazione delle DER per la qualità e sicurezza della fornitura
                                                                                        fornitura.
      Distribuzione             Completare il rinnovamento delle strutture con sicurezza ed
                                economicità.

      Reti di                   Riduzione della congestione per i flussi energetici a livello
      Trasmissione              europeo e accesso libero ai servizi ausiliari essenziali attraverso
                                l’Europa


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                                                                 FP7: 7 Programma Quadro




                                                                        CALL FOR PROPOSALS
     PIATTAFORMA                 Strategic
     TECNOLOGICA                 Research                Elaborate dalle Direzioni Centrali della UE nell ambito
                                                                                                     nell’ambito
                                  Agenda                           dei programmi quadro di ricerca.
     Smartgrids                    (SRA)                      Contengono i temi di interesse di ogni SRA




                                                                    PROPOSTE DI RICERCA
                                                       Presentate, sulla base delle Call for Proposals, dal
                                                          coordinatore di un consorzio già delineato.




                                                                    SELEZIONE PROPOSTE
                                                                   Da parte delle Direzioni UE




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SET - Plan




     SET Plan – European Strategic Energy Technology Plan
     Si propone di:
     •Accelerare l’innovazione delle tecnologie europee low-carbon
     •Far fronte ai vincoli della dipendenza energetica e della sostenibilità ambientale
     •Agevolare il legame tra ricerca e mercato ponendo le imprese comunitarie in una
     posizione di leadership nel settore delle tecnologie low-carbon
     •Contrastare la dispersione delle risorse finanziarie e la frammentazione delle strategie di
     ricerca della UE

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            EEGI – European Electricity Grid Initiative
            Un innovativo programma europeo di ricerca, sviluppo e
            dimostrazione sulla rete elettrica, finalizzato a preparare lo
            svilupppo “massivo ed ottimizzato” delle reti
            intelligenti europee per il raggiungimento degli obiettivi
            “20-20-20”
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European Electricity Grid Initiative

    EEGI : motivazioni
    1.Principale sfida è di integrare e sviluppare le tecnologie
    innovative nel sistema elettrico e validare le loro prestazioni
    sul campo.
    2.Le soluzioni da validare sono abilitanti delle altre
    iniziative di tecnologie energetiche (solare, eolico , in
    generale DER)
    3. Operatori di rete dovranno essere alla guida dei progetti
    RD&D (direttamente responsabili per un esercizio sicuro in
    ogni condizione oltre che testare le soluzioni con progetti
    dimostrativi, ovviamente con forte coinvolgimento di altri
    partecipanti).
        t i     ti)
    4. Esercizio delle reti elettriche è regolato da tariffe definite
    dai Regolatori. In molti paesi europei gli attuali schemi
    tariffari non comprendono sufficienti incentivi per lanciare i
    necessari progetti su larga scala.

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                                                   European Electricity Grid Initiative

      EEGI : obiettivi
      1.Integrare attivamente nuovi modelli di generazione e consumo
        efficienti
        integrare le nuove fonti energetiche intermittenti a diversi livelli di
        tensione
        t    i
        abilitare la Active Demand per gli utilizzatori finali
        nuovi utilizzi elettrici (esempio veicoli elettrici, pompe di calore,…)
        abilitare nuove opportunità di business per tutti gli attori del mercato
      2. Avere un coordinamento dell’esercizio e una pianificazione sull’intera
        rete elettrica (trasmissione e distribuzione)
      3. Studiare e proporre nuove regole di mercato per massimizzare il
        benessere europeo

      Progetti dimostrativi sono alla base per uno sviluppo su larga scala e
      richiedono il coinvolgimento di organismi di ricerca, università e di
      partecipanti del mercato quali produttori, utilizzatori, fornitori di
      tecnologie informatiche, ….

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European Electricity Grid Initiative




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European Electricity Grid Initiative




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European Electricity Grid Initiative




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EEGI - Principali attività in Italia sulla rete di distribuzione

    Active Demand
    1. Funzionalità di Smart Metering e Data Processing, incentrata
       nel rendere più facilmente accessibili al cliente le
       informazioni dal contatore elettronico (30 Mil);
    2. Progetto ADDRESS, sviluppo di tecnologie e soluzioni con
       l’obiettivo di dare al cliente un ruolo più attivo nel mercato
       dell’energia.


     Auto Elettrica
     Inedito progetto di sviluppo innovativa struttura di ricarica per
     veicoli elettrici basata sulla tecnologia del contatore elettronico.
     Obiettivo è abbattere le barriere economiche e funzionali che
     ostacolano lo sviluppo su larga scala della mobilità elettrica, ed
     abilitare servizi e funzionalità coerenti con gli obiettivi di Smart
     Grids (gestione del carico e accumulo)



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                EEGI-Principali attività in Italia sulla rete di distribuzione

    Gestione evoluta della GD da fonti rinnovabili
    1. Aumentare la capacità della rete di sostenere l’immissione di
       GD attraverso la partecipazione degli stessi al controllo della
       tensione e fornitura di servizi ancillari.
    2. Prevista revisione dei criteri di connessione di GD,
       telecomunicazioni a banda larga con tutti i principali nodi MT
       della rete (incluso GD), gestione sicura funzionamenti in isola
       non desiderata, sistemi avanzati controllo tensione e flussi di
       potenza e accumulo.

     Infrastruttura integrata di ICT
     Creazione di un sistema always on di telecomunicazione a
     banda larga sulla rete elettrica che abiliti nuove funzioni di
     SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) di gestione della
     rete, attraverso la creazione e l’installazione di nuovi sensori,
     attuatori e apparecchiature “intelligenti”.



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                                                                                 15
Elettricità: incentivi a progetti pilota per promuovere lo sviluppo delle
   smart grids
   Modernizzare e rendere più flessibili e intelligenti le reti di distribuzione
   dell'energia elettrica, favorendo la diffusione della produzione da fonti
   rinnovabili e l'uso efficiente delle risorse, a beneficio dei clienti finali. E'
   l'obiettivo del provvedimento dell'Autorità per l'energia (delibera Arg/elt 39/10)
   a sostegno di alcuni progetti pilota per incentivare lo sviluppo delle
   cosiddette smart grids, le reti intelligenti in grado di far interagire
   efficacemente produttori e consumatori, di prevedere in anticipo le richieste di
   consumo e di bilanciare con flessibilità, la produzione e la domanda di energia
   elettrica anche localmente.

   In particolare, il provvedimento consentirà di incentivare in modo selezionato,
   attraverso una specifica remunerazione tariffaria, gli investimenti sulle reti e
      tt                  ifi            i    t iff i      li i  ti    ti ll    ti
   l'installazione di sistemi di misurazione intelligenti (smart metering), essenziali
   per la promozione delle smart grids.

   La sperimentazione di alcuni progetti pilota, svolti sul campo, è quindi un
   passaggio indispensabile per valutare se i benefici attesi giustifichino gli oneri
   previsti e per proseguire con le successive azioni industriali
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 Requisiti tecnici del progetto pilota – Ammissibilità

 Il progetto pilota deve soddisfare i seguenti requisiti minimi:
 1. rappresentare una concreta dimostrazione in campo su reti di distribuzioni in
      MT ;
 2. essere riferito a una rete MT attiva o in alternativa, a una porzione di rete MT
      attiva, identificabile come le linee MT della stessa rete MT che presentano
      contro-flussi di energia attiva al nodo di connessione MT per almeno l’1% del
      tempo annuo di f
      t                  funzionamento;
                              i        t
 3. prevedere un sistema di controllo/regolazione della tensione della rete e un
      sistema in grado di assicurare la registrazione automatica degli indicatori tecnici
      rilevanti per la valutazione dei benefici del progetto;
 4. utilizzare protocolli di comunicazione non proprietari;
 5. garantire il rispetto delle normative vigenti in termini fisici e di qualità del
      servizio.
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Benefici attesi dai progetti pilota.

  I benefici attesi dallo sviluppo dei progetti pilota sono riportati all’art. 6.3. della
  delibera ARG/elt 39/10. Nella valutazione dei benefici dei singoli progetti pilota
  presentati si terrà in particolare considerazione:
  1. L’incremento di energia immettibile nella rete oggetto dell’intervento pilota,
      specialmente se proveniente da impianti a fonte rinnovabile o ad alta
      efficienza energetica;
  2. La capacità di aggregazione delle unità di produzione, accumulo e della
      domanda ai fini della regolazione della tensione;
  3.
  3 Il grado di innovazione d ll soluzioni t
             d    i         i     delle l i i tecnologiche proposte;
                                                        l i h           t
  4. La replicabilità su larga scala del progetto pilota.




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                                       Vantaggi della generazione distribuita


      La generazione da fonti rinnovabili, anche micro-generazione a livello di
      rete di distribuzione, oltre ad avere un benefico impatto ambientale, potrà
      avere aspetti positivi anche dal punto di vista delle reti elettriche.

       Un primo vantaggio, di tipo strettamente economico, è la disponibilità di
      energia pulita a costi marginali quasi nulli (es. eolico e del solare).

        Inoltre la produzione di quantità sempre crescenti di energia in prossimità
      degli utilizzatori dovrebbe ridurre il vettoriamento di energia, diminuendo
      quindi le perdite di trasmissione e rendendo meno urgenti gli interventi di
      sviluppo di rete (costosi e spesso ostacolati).

        Un altro vantaggio di tale nuova struttura potrebbe essere quella di avere,
      immerse nella rete, “isole” di produzione e carico capaci di autostenersi
      anche in caso di disservizi sulla rete primaria.




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                                                                                                 17
Struttura attuale del sistema elettrico
                                   Flusso energia unidirezionale

             Generazione                                              Trasmissione

        Centrale Elettrica
                                Transformatore




                                  Sottostazione di                         Sottostazione di
                                  distribuzione                            distribuzione
                                                        Sottostazione di
                                                        distribuzione



                                                                                                            Commerciale




                                                                      Industriale             Commerciale        Gr. Continuità

                                             Distribuzione
                 Residentiale




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                    Problematiche connesse alla generazione distribuita


        Il massiccio ingresso in produzione di nuovi impianti di generazione da fonti
        rinnovabili, spesso connessi su reti di MT, ha posto però in crisi i vecchi
        modelli di rete elettrica, non pronti da un punto di vista protettivo e di
        capacità di trasporto, a far fronte a flussi elevati di energia bi-direzionali..

           Produzioni intermittenti, non modulabili e spesso non predicibili ha
        creato crescenti problemi di gestione dei flussi di potenza e dei margini di
        riserva per far fronte alle fluttuazioni sempre più ingenti del carico.

           Sviluppo dei mercati elettrici in quasi tutti i paesi industrializzati e la
        fine dei vecchi sistemi integrati di produzione e trasmissione.

          A fronte di t
            f t       transiti sempre crescenti, spesso l sviluppo di rete non ha
                           iti                   ti         lo il            t    h
        seguito di pari passo tale trend, pertanto le reti tendono a essere esercite
        sempre più vicino ai loro limiti. Sintomo: aumento considerevole dei
        disservizi anche di grande rilevanza verificatisi negli ultimi anni.




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                                                                                                                                       18
Situazione della rete di distribuzione



       • In Italia il sistema di distribuzione è di primario livello; nel corso degli
       anni ha raggiunto una notevole affidabilità e una qualità del servizio
       eccellente, grazie anche a recenti i t
              ll t         i     h           ti interventi come ad es. l’ d i
                                                        ti       d      l’adozione d l
                                                                                   del
       neutro compensato, il telecontrollo e l’automazione delle reti.


       • L’eventuale decisione di operarvi modifiche non è dovuta a ragioni
       tecniche contingenti, quanto piuttosto a scelte atte ad incentivare, ad
       esempio, lo sfruttamento di fonti rinnovabili per il conseguimento degli
       obiettivi di Kyoto e dalle direttive dell’UE.
                                            dell UE.




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                                               Perché la Generazione Distribuita ?


      • convenienza energetica derivante dalla cogenerazione;

      • necessità di i t
              ità integrare l capacità di t
                            le     ità trasporto d ll rete;
                                              t della t

      • possibilità di sfruttare risorse energetiche disperse
            altrimenti non utilizzabili;

      • (presenza di incentivazioni)
                     incentivazioni).




R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011




                                                                                              19
Altri motivi della possibile diffusione

     – E’ più facile la localizzazione di piccoli impianti;

     – La co-generazione di piccola taglia può essere sfruttata
       con reti termiche poco estese ed economiche (e il gas
       naturale è distribuito quasi ovunque);

     – La GD richiede tempi brevi di installazione;

     – La liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica
       contribuisce a creare nuove opportunità;

     – I costi della T&D sono cresciuti mentre quelli della GD si
       sono ridotti.



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                    Generazione Distribuita: possibile Impatto sulla rete


 Può causare la degradazione della qualità del servizio,
 in particolare:
            Incremento dei livelli di corrente di cortocircuito e la
         perdita di selettività delle protezioni;
             Difficoltà del mantenimento dei profili di tensione al
          variare dei flussi immessi in rete (regolazione della
          tensione);
               Possibile formazione di “isole indesiderate”

              Possibile presenza di transitori elettromeccanici e
           fenomeni di instabilità dinamica dei generatori rotanti.


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                                                                                            20
Contributo alla corrente di corto-circuito



     •      I Generatori contribuiscono alla corrente
            di corto circuito
               corto-circuito




          Rete




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                                                                      Selettività


      Difficoltà a rendere selettiva l’azione delle protezioni
           in presenza di Generazione Distribuita



                 Rete




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                                                                                         21
La regolazione della tensione




                        130/20kV Cab. Primaria



             AVR

                                                       PQ

             MT/BT Cab.Secondarie


                                                                         Regolazione tramite
                     Tensione
                                                                         AVR
             Limiti consentiti




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                                                 Formazione di “isole indesiderate”




     AT                   Dopo l’apertura dell’interruttore di
                          linea, una porzione di rete rimane
                             alimentata dalla Generazione
                                       Dispersa
                   MT


                                                            DGG
                                                             D




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                                                                                               22
Parti di rete in Isola



          Questioni aperte:

                        -nel breve termine:

                        Problema di una protezione
                        affidabile contro la perdita di rete

                        -nel lungo termine:

                        Problema del controllo/protezione
                        della rete resa attiva dalla GD


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                      Confronto caratteristiche reti attuali e future (1)


                  RETI ATTUALI                         RETI FUTURE (Smart Grids)
      Costruite per sistemi integrati di               Pronte per l’integrazione delle
      generazione e trasmissione                       generazioni da fonti rinnovabili

      Differenti standard dei dispositivi e            Standard comuni (plug&play)
      sistemi di comunicazione

      Comunicazioni mono-direzionali                   Comunicazioni bi-direzionali


      Sistemi parzialmente analogici                   Sistemi digitali integrati


      Pochi sensori                                    Misure e sensori integrati in tutti i
                                                       dispositivi




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                                                                                                    23
Confronto caratteristiche reti attuali e future (2)


                  RETI ATTUALI                         RETI FUTURE (Smart Grids)
      Sistemi poco monitorati dall’uomo                Sistemi con autodiagnostica


      Controllo centralizzato                          Sistemi di controllo gerarchizzati


      Pochi sistemi di accumulo                        Sistemi di accumulo diffusi


      Manutenzione e sostituzione a tempo              Manutenzioni e sostituzioni in
      o su evento
               t                                       base al livelli di performance
                                                       b     l li lli        f

      Ripresa del servizio manuale                     Ripresa del servizio automatica
      Pochi sistemi di difesa da disservizi            Sistemi di protezione
                                                       autoadattativi, auto-islanding


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                       Confronto caratteristiche reti attuali e future (3)


                  RETI ATTUALI                         RETI FUTURE (Smart Grids)
      Mercati poco sviluppati                          Mercati pienamente sviluppati
                                                       localmente e a livello
                                                       internazionale
      Vincoli ai mercati dati da congestione           Poche congestioni di rete
      di rete

      Controllo limitato dei flussi di potenza         Controllo coordinati di FACTS


      Informazioni di mercato limitate per gli Tutte le informazioni di mercato
      utenti                                   disponibili

      Utenti passivi                                   Utenti attivi, “prosumers”




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                                                                                                 24
Integrazione di due infrastrutture
                                                         Flussi energia bidirezionali




                                                                                                                                      Utenti rete dati

              Centrale Elettrica
                                              Transformatore 2. Rete trasmissione dati


                                                 Sottostazione di                                Sottostazione di
  Centro                                                            Turbina
                                                 distribuzione                                   distribuzione                           Cogene-
  Controllo                                                          a gas    Sottostazione di                                           razione
                                                                              distribuzione
               Micro-
               turbina
                                      Residential Data
                                      Concentrator                                                                                    Commerciale
                                                                                                                    Cella
                                                               Cogene-
                                                                                                                    Comb.
                                                               razione
                            Foto
                           voltaico
                                                                               Cogenerazione
                                                                                                                                                  Gr.
                          Batterie                                                                                                              Continuità
                                                                                            Industriale                 Commerciale
                         Residentiale


              Generazione distribuita – Rete di distribuzione “attiva”
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                                                                                            Rete interconnessa europea

                                                                                                           Rete interconnessa europea

                                                                                                           - serve 430 milioni di utilizzatori
                                                                                                           fornendo complessivamente
                                                                                                           2.500 Miliardi di kWh per anno;
                                                                                                           - ha una potenza installata di 560
                                                                                                           Milioni di kW;
                                                                                                           - ha una rete in Alta Tensione
                                                                                                           che si sviluppa per circa 230.000
                                                                                                           km;
                                                                                                           - ha uno sviluppo delle reti in
                                                                                                           Media e Bassa tensione per circa
                                                                                                           5.000.000 di km;
                                                                                                           - ha richiesto un investimento di
                                                                                                           circa 1500 € per ogni cittadino
                                                                                                                         p     g
                                                                                                           europeo.




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                                                                                                                                                                  25
Interconnessioni tra reti di trasmissione




                                                                                 Nuovi
                                                                                 dispositivi di
                                                                                 controllo




                                                         Rafforzare interconnessioni
         Cavi DC                                       Facilitare gli scambi commerciali
                                                            Aumentare le sicurezza



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                                   Flexible AC Transmission Systems (FACTS)




  Rete convenzionale:
Flussi di potenza seguono le
       leggi di Kirchhoff




         Smart Grid:
 Flussi di potenza controllati
           da FACTS




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                                                                                                       26
L’evoluzione delle reti di energia


   Come è….
 • Controllo centralizzato
 • Flusso di energia unidirezionale
 • Limitata interazione con i carichi locali



   … come sarà
                                                       • Controllo delocalizzato
                                                       • Flussi di energia multi-direzionali
                                                       • Possibilità di interazione con i
                                                         carichi
                                                       • Segnali di prezzo/volume in real-
                                                         time


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                            Tre passi fondamentali verso le Smart Grids

                                                       Enfasi sul valore
                                                       dell’informaione
                             Enfasi sul valore
                             dell energia
                             dell’energia

                                 2006                          2020

                                                  2011
   • Reti attive: reti MT con una grande quantità di generazione distribuita controllata
     direttamente e indirettamente da Distributore

            • Micro Reti : reti BT con sorgente non dispacciabile e sistemi di
              accumulo,
              accumulo isole che si creano in situazioni critiche .

                      • Utility virtuali: reti tipo internet con un mercato dell’energia
                        locale basato su segnali di prezzo continui tra generatori e
                        carichi.


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                                                                                                    27
Reti attive (1)

                                                         Dispacciamento locale dell’energia:
            Rete di trasporto (AT)
                                          Centro di      • Aggregazione della generazione distribuita
                                          controllo

 Rete di
 distribuzione (MT)
                          X                              • Controllo da parte del Distributore
                                                         • Bilanciamento con il carico in rete




       ~                                 ~
                                                Evitare transiti inversi di energia verso rete AT
                                         ~                  Ridurre le perdite di rete
                   ~                                   Aumentare l’affidabilità del sistema




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                                                                            Reti attive (2)
                                                       Gestione bidirezionale dei flussi di
                                                         potenza   attraverso le  rete   AT
       Rete di trasporto (AT)
                                          Centro di      rendendo la rete MT “attiva” o
                                          controllo      “passiva” secondo un determinato
 Rete di
                                                         programma;
 distribuzione (MT)
                                                       Performance più elevate dei sistemi di
                                                         protezione, controllo e automazione:
                                                           - Selezione automatica dei tratti di rete
                                                             guasti,

       ~                                 ~                 - Recupero automatico del carico sui tratti
                                                             di rete funzionanti (a monte e a valle del
                                                             tratto danneggiato)
                                         ~
                                                       Grande quantità di dati disponibili
                   ~                                     (misure di carico, generazione,…)
                                                         consentono un’ottimale gestione del
                                                         dispacciamento e del mercato

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                                                                                                          28
Livelli crescenti di controllo nelle Reti di distribuzione




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                                                          Reti attive (3)




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                                                                                  29
Micro reti (1)
                                                       Le microreti capaci di autosussistenza (EPRI)




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                                                                             Micro reti (2)




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                                                                                                            30
Possibile futuro assetto reti MT




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                                                          Reti di Bassa Tensione




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                                                                                          31
Demand Side Management




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                       Progetto Enel Smart Distribution Network Operation


      •ENEL Distribuzione ha definito un proprio progetto Smart Distribution
      Network Operation (SDNO)
      •con un orizzonte temporale di 5-10 anni che consenta la transizione delle
      tradizionali reti di distribuzione verso reti in grado di essere esercite con alta
      penetrazione di GD


       • valutare fattibilità e limiti tecnici (di rete e generatori) per
         l’introduzione di quote rilevanti di GD sulle reti di distribuzione,
       • individuare e definire gli interventi sulla rete di distribuzione e le
         apparecchiature (HW e SW) necessarie, sviluppandole e testandole, sia a
         livello singolo, sia realizzando alcuni impianti pilota completi;
                    g ,                            p      p         p ;
       • studiare e proporre nuove regole di esercizio e nuove regole di
          connessione per generatori e carichi.



-

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Progetto SDNO: evoluzione della rete
                                       Situazione attuale




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                                              Progetto SDNO: evoluzione della rete
                                       Situazione futura




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                                                                                     33
Progetto Smart Grids FP7: “ADDRESS”




      • Active Distribution networks with full integration
           of demand and Distributed energy RESources
           Progetto R&D su larga scala finanziato all’interno del 7° Programma
                        Quadro di ricerca dell’Unione Europea


                                Durata progetto                     4 anni

                                     Consorzio                      25 partner

                                Coordinamento                       Enel Distribuzione


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                                                                              Partners di ADDRESS
                                                                                        Sweden
                                                                                    • Vattenfall
                                          The Nederland
                                         • KEMA
                                         • Philips


                    United Kingdom
                 • University of                                                             Finland
                   Manchester                                                            • VTT
                 • EDF En
                 • RLtec


                                                                                             Germany
                  France                                                                 • Consentec
             • EDF-SA
             • Landis and Gyr
                                                                                               Belgium
                                                                                           • VITO
                                                                                           • Electrolux
                Switzerland
            • ABB
            • Current
              Technologies Int.                                                               Rumania
                                                                                            • Dobrogea



                   Spain                                                                               Italy
          • Iberdrola                                                                      •   Enel Distribuzione
          • Universidad Pontificia                                                         •   Enel Produzione
            Comillas                                                                       •   Alcatel Italia
          • Ericsson Esp.                                                                  •   Università di Cassino
          • Labein                                                                         •   Università di Siena
          • ZIV
                                        • DSOs and TSOs: 4
                                        • Univ and research centers: 10
                                        • Energy suppliers and retailers: 2
                                        • Manufacturers or industries: 6
                                        • Communication and ICT solutions providers: 3


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                                                                                                                            34
Progetto ADDRESS


    Il progetto ADDRESS si pone l’obiettivo
   di realizzare un concreto quadro
   commerciale e tecnologico per lo
   sviluppo della “Domanda Attiva”
                      Domanda Attiva
   nelle Smart Grid del futuro con piena
   integrazione della generazione
   distribuita. Sarà favorita la
   partecipazione attiva dei clienti
   residenziali e delle piccole imprese nel
   mercato dell’energia elettrica.

     I concetti e le soluzioni più promettenti del progetto saranno provati e
     verificati attraverso la realizzazione di tre reti di test in Italia, Francia e
     Spagna




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                                         Progetto ADDRESS: primo modello di sistema

                                                                              PV
                                                     µCHP                   Storage




                                            Energy                Energy              Energy
                                             Box                   Box                 Box                     Electrical
                                                                                                               Connection




                                  Aggregator                                                    MV/LV
                                                            Markets and                        Transfos
                                                             contracts                                 2
                                                                                                 10 - 10
                                  Different levels
                                                                                  ADDRESS
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                          Gen         BRPs
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SMART GRIDS: traiettorie di sviluppo verso le reti elettriche "intelligenti" del futuro

  • 1. Smart Grids: Traiettorie di sviluppo verso le reti elettriche “intelligenti” del futuro prof. prof Roberto Turri Dipartimento di Ingegneria Elettrica – Università di Padova roberto.turri@unipd.it R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 0 Considerazioni 1. Cambiamento di paradigma della produzione di energia elettrica: da una produzione centralizzata verso una Generazione Distribuita di più piccola taglia in grado di accedere e sfruttare meglio le fonti rinnovabili 2. 2 Sviluppo di sistemi per l informazione sempre più capillari e l’informazione a basso costo (interazione produttore-utente, monitoraggio e controllo in tempo reale dell’intero processo energetico) 3. Sul piano economico-gestionale: passaggio da strutture monopolistiche “verticalmente integrate” al libero mercato dell’energia Profonda ridefinizione del ruolo delle RETI: da sistemi per il trasferimento di energia a infrastrutture cui produttori e consumatori possano liberamente accedere per scambiarsi il prodotto energia. In questo contesto alle reti è chiesto di essere anche “intelligenti” R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 1 1
  • 2. Bisogni delle reti del futuro Approccio mirato a soddisfare il consumatore Rinnovo della rete elettrica e innovazione della stessa: più automazione, controllo remoto, ecc. Sicurezza della fornitura Mercato liberalizzato Interoperabilità delle reti elettriche europee Gestione efficiente della generazione distribuita e delle fonti rinnovabili Gestione efficiente e ammodernamento delle tradizionali centrali elettriche Attenzione all’ambiente all ambiente Valutare la risposta alla domanda e la sua gestione. Valutare gli aspetti politici e normativi Valutare gli aspetti sociali e demografici Coinvolgimento di tutti gli attori interessati. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 2 La rete elettrica del (prossimo) futuro La vecchia struttura della rete elettrica a causa dei mutamenti da anni in atto sarà sempre meno idonea alle necessità del futuro, dovrà pertanto modificarsi divenendo più: “intelligente”, affidabile, sostenibile, economica La Comunità Europea recentemente ha posto traguardi molto ambiziosi, riassunti dal famoso motto “20 -20 -2020” (ridurre del 20% le emissioni di CO2, portare al 20% la produzione da fonti rinnovabili, entro il 2020). R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 3 2
  • 3. Smart Grids Il primo passo verso l’adozione di una strategia comune per lo sviluppo della rete elettrica europea è stata la carta “Vision and Strategy for Europe’s Electricity Network of the future” (aprile 2006). Il futuro vuole energia affidabile, flessibile, accessibile ed economica, usando sia centrali elettriche grandi che piccoli generatori DG. L’utente finale diventerà sempre più interattivo sia col mercato che con la rete, l’elettricità potrà essere prodotta e immessa in ogni punto della rete per rendere l’energia più economica e sicura e garantire una inter-operabilità. Tutto ciò è la Smartgrid (rete intelligente). R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 4 Caratteristiche delle Smart Grids La rete del futuro per fronteggiare tutte queste problematiche dovrà essere pertanto “smart”, ovvero intelligente (ma non solo). Le attuali distinzioni e demarcazioni fra rete di trasmissione e distribuzione tenderanno a sfumare verso una struttura più simile a internet con nodi più o meno importanti da un punto di vista funzionale. Presenza sempre più massiccia di sistemi piccoli e diffusi sul territorio, in cui il singolo utente potrà interfacciarsi con la rete e con il mercato dell’energia elettrica in maniera attiva (producer+consumer= prosumer). R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 5 3
  • 4. Smart Grids Definizione Smartgrid E’ una rete elettrica che può integrare intelligentemente il comportamento e le azioni di tutti gli utenti ad essa connessi – produttori, consumatori e produttori/consumatori - allo scopo di assicurare efficientemente un approvvigionamento elettrico sostenibile, economico e sicuro. i i l i ibil i i R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 6 Smart Grids R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 7 4
  • 5. Smart Grids R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 8 Smart Grids R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 9 5
  • 6. Smart Grids R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 10 Smart Grids R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 11 6
  • 7. Smart Grids R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 12 La Piattaforma Tecnologica “SmartGrids” MISSIONE Formulare e promuovere una visione comune sulle reti elettriche del futuro (2020 e oltre) indirizzando la ricerca e lo sviluppo tecnologico nel contesto europeo R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 13 7
  • 8. Struttura della Piattaforma Tecnologica Advisory Council Rappresentanti di imprese operanti nel settore elettrico. Fornisce le linee guida, stimola le iniziative e monitora l’avanzamento Mirror Group Promuove il coinvolgimento degli stati membri delle nazioni candidate e degli stati associati 4 Working Groups Elaborano i progetti di dettaglio su specifiche aree tematiche e sono aperti a tutti gli Stakeholders General Assembly Condivisione della vision e divulgazione R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 14 Agenda di Ricerca Strategica (SRA) La piattaforma tecnologica europea Smartgrid ha concentrato gli sforzi creando una Agenda di Ricerca Strategica (SRA). Obiettivi • Assicurare lo sviluppo della rete europea in modo che l Europa resti l’Europa competitiva, tenendo conto dei vincoli ambientali e di sostenibilità. • Guadagnare i benefici di una collaborazione e cooperazione indirizzando le sfide comuni per tutti i paesi membri. • Provvedere una struttura chiara e degli obiettivi su cui possa focalizzarsi la ricerca comune e captarne gli eventuali vantaggi. • Produrre lo slancio e il supporto necessario per tradurre buone idee in prodotti adeguati e in soluzioni. • Un principio chiave è il coinvolgimento di tutti gli attori (dai produttori agli utenti finali) e la divulgazione per tutti. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 15 8
  • 9. Agenda di Ricerca Strategica (SRA) Coinvolgimento di tutti gli attori interessati all’evoluzione della rete, per: • Sviluppare una visione condivisa della rete del futuro • Identificare i bisogni e indirizzare gli sforzi pubblici e privati della ricerca sulle reti elettriche • Portare a delle conclusioni da divulgare ad ogni livello e delle raccomandazioni da fare per i programmi di ricerca futuri Vantaggi aspettati per i vari attori Piccoli Utenti Partecipazione nel lato della domanda Miglioramento di qualità e di sicurezza della fornitura Grossi Utenti Riduzione della congestione per l’esportazione della generazione. Accesso ai mercati elettrici europei Reti di Integrazione delle DER per la qualità e sicurezza della fornitura fornitura. Distribuzione Completare il rinnovamento delle strutture con sicurezza ed economicità. Reti di Riduzione della congestione per i flussi energetici a livello Trasmissione europeo e accesso libero ai servizi ausiliari essenziali attraverso l’Europa R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 16 FP7: 7 Programma Quadro CALL FOR PROPOSALS PIATTAFORMA Strategic TECNOLOGICA Research Elaborate dalle Direzioni Centrali della UE nell ambito nell’ambito Agenda dei programmi quadro di ricerca. Smartgrids (SRA) Contengono i temi di interesse di ogni SRA PROPOSTE DI RICERCA Presentate, sulla base delle Call for Proposals, dal coordinatore di un consorzio già delineato. SELEZIONE PROPOSTE Da parte delle Direzioni UE R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 17 9
  • 10. SET - Plan SET Plan – European Strategic Energy Technology Plan Si propone di: •Accelerare l’innovazione delle tecnologie europee low-carbon •Far fronte ai vincoli della dipendenza energetica e della sostenibilità ambientale •Agevolare il legame tra ricerca e mercato ponendo le imprese comunitarie in una posizione di leadership nel settore delle tecnologie low-carbon •Contrastare la dispersione delle risorse finanziarie e la frammentazione delle strategie di ricerca della UE R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 18 SET - Plan EEGI – European Electricity Grid Initiative Un innovativo programma europeo di ricerca, sviluppo e dimostrazione sulla rete elettrica, finalizzato a preparare lo svilupppo “massivo ed ottimizzato” delle reti intelligenti europee per il raggiungimento degli obiettivi “20-20-20” R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 19 10
  • 11. European Electricity Grid Initiative EEGI : motivazioni 1.Principale sfida è di integrare e sviluppare le tecnologie innovative nel sistema elettrico e validare le loro prestazioni sul campo. 2.Le soluzioni da validare sono abilitanti delle altre iniziative di tecnologie energetiche (solare, eolico , in generale DER) 3. Operatori di rete dovranno essere alla guida dei progetti RD&D (direttamente responsabili per un esercizio sicuro in ogni condizione oltre che testare le soluzioni con progetti dimostrativi, ovviamente con forte coinvolgimento di altri partecipanti). t i ti) 4. Esercizio delle reti elettriche è regolato da tariffe definite dai Regolatori. In molti paesi europei gli attuali schemi tariffari non comprendono sufficienti incentivi per lanciare i necessari progetti su larga scala. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 20 European Electricity Grid Initiative EEGI : obiettivi 1.Integrare attivamente nuovi modelli di generazione e consumo efficienti integrare le nuove fonti energetiche intermittenti a diversi livelli di tensione t i abilitare la Active Demand per gli utilizzatori finali nuovi utilizzi elettrici (esempio veicoli elettrici, pompe di calore,…) abilitare nuove opportunità di business per tutti gli attori del mercato 2. Avere un coordinamento dell’esercizio e una pianificazione sull’intera rete elettrica (trasmissione e distribuzione) 3. Studiare e proporre nuove regole di mercato per massimizzare il benessere europeo Progetti dimostrativi sono alla base per uno sviluppo su larga scala e richiedono il coinvolgimento di organismi di ricerca, università e di partecipanti del mercato quali produttori, utilizzatori, fornitori di tecnologie informatiche, …. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 21 11
  • 12. European Electricity Grid Initiative R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 22 European Electricity Grid Initiative R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 23 12
  • 13. European Electricity Grid Initiative R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 24 European Electricity Grid Initiative R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 25 13
  • 14. European Electricity Grid Initiative R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 26 European Electricity Grid Initiative R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 27 14
  • 15. EEGI - Principali attività in Italia sulla rete di distribuzione Active Demand 1. Funzionalità di Smart Metering e Data Processing, incentrata nel rendere più facilmente accessibili al cliente le informazioni dal contatore elettronico (30 Mil); 2. Progetto ADDRESS, sviluppo di tecnologie e soluzioni con l’obiettivo di dare al cliente un ruolo più attivo nel mercato dell’energia. Auto Elettrica Inedito progetto di sviluppo innovativa struttura di ricarica per veicoli elettrici basata sulla tecnologia del contatore elettronico. Obiettivo è abbattere le barriere economiche e funzionali che ostacolano lo sviluppo su larga scala della mobilità elettrica, ed abilitare servizi e funzionalità coerenti con gli obiettivi di Smart Grids (gestione del carico e accumulo) R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 28 EEGI-Principali attività in Italia sulla rete di distribuzione Gestione evoluta della GD da fonti rinnovabili 1. Aumentare la capacità della rete di sostenere l’immissione di GD attraverso la partecipazione degli stessi al controllo della tensione e fornitura di servizi ancillari. 2. Prevista revisione dei criteri di connessione di GD, telecomunicazioni a banda larga con tutti i principali nodi MT della rete (incluso GD), gestione sicura funzionamenti in isola non desiderata, sistemi avanzati controllo tensione e flussi di potenza e accumulo. Infrastruttura integrata di ICT Creazione di un sistema always on di telecomunicazione a banda larga sulla rete elettrica che abiliti nuove funzioni di SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) di gestione della rete, attraverso la creazione e l’installazione di nuovi sensori, attuatori e apparecchiature “intelligenti”. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 29 15
  • 16. Elettricità: incentivi a progetti pilota per promuovere lo sviluppo delle smart grids Modernizzare e rendere più flessibili e intelligenti le reti di distribuzione dell'energia elettrica, favorendo la diffusione della produzione da fonti rinnovabili e l'uso efficiente delle risorse, a beneficio dei clienti finali. E' l'obiettivo del provvedimento dell'Autorità per l'energia (delibera Arg/elt 39/10) a sostegno di alcuni progetti pilota per incentivare lo sviluppo delle cosiddette smart grids, le reti intelligenti in grado di far interagire efficacemente produttori e consumatori, di prevedere in anticipo le richieste di consumo e di bilanciare con flessibilità, la produzione e la domanda di energia elettrica anche localmente. In particolare, il provvedimento consentirà di incentivare in modo selezionato, attraverso una specifica remunerazione tariffaria, gli investimenti sulle reti e tt ifi i t iff i li i ti ti ll ti l'installazione di sistemi di misurazione intelligenti (smart metering), essenziali per la promozione delle smart grids. La sperimentazione di alcuni progetti pilota, svolti sul campo, è quindi un passaggio indispensabile per valutare se i benefici attesi giustifichino gli oneri previsti e per proseguire con le successive azioni industriali R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 30 Requisiti tecnici del progetto pilota – Ammissibilità Il progetto pilota deve soddisfare i seguenti requisiti minimi: 1. rappresentare una concreta dimostrazione in campo su reti di distribuzioni in MT ; 2. essere riferito a una rete MT attiva o in alternativa, a una porzione di rete MT attiva, identificabile come le linee MT della stessa rete MT che presentano contro-flussi di energia attiva al nodo di connessione MT per almeno l’1% del tempo annuo di f t funzionamento; i t 3. prevedere un sistema di controllo/regolazione della tensione della rete e un sistema in grado di assicurare la registrazione automatica degli indicatori tecnici rilevanti per la valutazione dei benefici del progetto; 4. utilizzare protocolli di comunicazione non proprietari; 5. garantire il rispetto delle normative vigenti in termini fisici e di qualità del servizio. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 31 16
  • 17. Benefici attesi dai progetti pilota. I benefici attesi dallo sviluppo dei progetti pilota sono riportati all’art. 6.3. della delibera ARG/elt 39/10. Nella valutazione dei benefici dei singoli progetti pilota presentati si terrà in particolare considerazione: 1. L’incremento di energia immettibile nella rete oggetto dell’intervento pilota, specialmente se proveniente da impianti a fonte rinnovabile o ad alta efficienza energetica; 2. La capacità di aggregazione delle unità di produzione, accumulo e della domanda ai fini della regolazione della tensione; 3. 3 Il grado di innovazione d ll soluzioni t d i i delle l i i tecnologiche proposte; l i h t 4. La replicabilità su larga scala del progetto pilota. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 32 Vantaggi della generazione distribuita La generazione da fonti rinnovabili, anche micro-generazione a livello di rete di distribuzione, oltre ad avere un benefico impatto ambientale, potrà avere aspetti positivi anche dal punto di vista delle reti elettriche. Un primo vantaggio, di tipo strettamente economico, è la disponibilità di energia pulita a costi marginali quasi nulli (es. eolico e del solare). Inoltre la produzione di quantità sempre crescenti di energia in prossimità degli utilizzatori dovrebbe ridurre il vettoriamento di energia, diminuendo quindi le perdite di trasmissione e rendendo meno urgenti gli interventi di sviluppo di rete (costosi e spesso ostacolati). Un altro vantaggio di tale nuova struttura potrebbe essere quella di avere, immerse nella rete, “isole” di produzione e carico capaci di autostenersi anche in caso di disservizi sulla rete primaria. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 33 17
  • 18. Struttura attuale del sistema elettrico Flusso energia unidirezionale Generazione Trasmissione Centrale Elettrica Transformatore Sottostazione di Sottostazione di distribuzione distribuzione Sottostazione di distribuzione Commerciale Industriale Commerciale Gr. Continuità Distribuzione Residentiale R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 34 Problematiche connesse alla generazione distribuita Il massiccio ingresso in produzione di nuovi impianti di generazione da fonti rinnovabili, spesso connessi su reti di MT, ha posto però in crisi i vecchi modelli di rete elettrica, non pronti da un punto di vista protettivo e di capacità di trasporto, a far fronte a flussi elevati di energia bi-direzionali.. Produzioni intermittenti, non modulabili e spesso non predicibili ha creato crescenti problemi di gestione dei flussi di potenza e dei margini di riserva per far fronte alle fluttuazioni sempre più ingenti del carico. Sviluppo dei mercati elettrici in quasi tutti i paesi industrializzati e la fine dei vecchi sistemi integrati di produzione e trasmissione. A fronte di t f t transiti sempre crescenti, spesso l sviluppo di rete non ha iti ti lo il t h seguito di pari passo tale trend, pertanto le reti tendono a essere esercite sempre più vicino ai loro limiti. Sintomo: aumento considerevole dei disservizi anche di grande rilevanza verificatisi negli ultimi anni. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 35 18
  • 19. Situazione della rete di distribuzione • In Italia il sistema di distribuzione è di primario livello; nel corso degli anni ha raggiunto una notevole affidabilità e una qualità del servizio eccellente, grazie anche a recenti i t ll t i h ti interventi come ad es. l’ d i ti d l’adozione d l del neutro compensato, il telecontrollo e l’automazione delle reti. • L’eventuale decisione di operarvi modifiche non è dovuta a ragioni tecniche contingenti, quanto piuttosto a scelte atte ad incentivare, ad esempio, lo sfruttamento di fonti rinnovabili per il conseguimento degli obiettivi di Kyoto e dalle direttive dell’UE. dell UE. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 36 Perché la Generazione Distribuita ? • convenienza energetica derivante dalla cogenerazione; • necessità di i t ità integrare l capacità di t le ità trasporto d ll rete; t della t • possibilità di sfruttare risorse energetiche disperse altrimenti non utilizzabili; • (presenza di incentivazioni) incentivazioni). R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 19
  • 20. Altri motivi della possibile diffusione – E’ più facile la localizzazione di piccoli impianti; – La co-generazione di piccola taglia può essere sfruttata con reti termiche poco estese ed economiche (e il gas naturale è distribuito quasi ovunque); – La GD richiede tempi brevi di installazione; – La liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica contribuisce a creare nuove opportunità; – I costi della T&D sono cresciuti mentre quelli della GD si sono ridotti. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 38 Generazione Distribuita: possibile Impatto sulla rete Può causare la degradazione della qualità del servizio, in particolare: Incremento dei livelli di corrente di cortocircuito e la perdita di selettività delle protezioni; Difficoltà del mantenimento dei profili di tensione al variare dei flussi immessi in rete (regolazione della tensione); Possibile formazione di “isole indesiderate” Possibile presenza di transitori elettromeccanici e fenomeni di instabilità dinamica dei generatori rotanti. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 20
  • 21. Contributo alla corrente di corto-circuito • I Generatori contribuiscono alla corrente di corto circuito corto-circuito Rete R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 40 Selettività Difficoltà a rendere selettiva l’azione delle protezioni in presenza di Generazione Distribuita Rete R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 21
  • 22. La regolazione della tensione 130/20kV Cab. Primaria AVR PQ MT/BT Cab.Secondarie Regolazione tramite Tensione AVR Limiti consentiti R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 42 Formazione di “isole indesiderate” AT Dopo l’apertura dell’interruttore di linea, una porzione di rete rimane alimentata dalla Generazione Dispersa MT DGG D R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 43 22
  • 23. Parti di rete in Isola Questioni aperte: -nel breve termine: Problema di una protezione affidabile contro la perdita di rete -nel lungo termine: Problema del controllo/protezione della rete resa attiva dalla GD R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 44 Confronto caratteristiche reti attuali e future (1) RETI ATTUALI RETI FUTURE (Smart Grids) Costruite per sistemi integrati di Pronte per l’integrazione delle generazione e trasmissione generazioni da fonti rinnovabili Differenti standard dei dispositivi e Standard comuni (plug&play) sistemi di comunicazione Comunicazioni mono-direzionali Comunicazioni bi-direzionali Sistemi parzialmente analogici Sistemi digitali integrati Pochi sensori Misure e sensori integrati in tutti i dispositivi R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 45 23
  • 24. Confronto caratteristiche reti attuali e future (2) RETI ATTUALI RETI FUTURE (Smart Grids) Sistemi poco monitorati dall’uomo Sistemi con autodiagnostica Controllo centralizzato Sistemi di controllo gerarchizzati Pochi sistemi di accumulo Sistemi di accumulo diffusi Manutenzione e sostituzione a tempo Manutenzioni e sostituzioni in o su evento t base al livelli di performance b l li lli f Ripresa del servizio manuale Ripresa del servizio automatica Pochi sistemi di difesa da disservizi Sistemi di protezione autoadattativi, auto-islanding R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 46 Confronto caratteristiche reti attuali e future (3) RETI ATTUALI RETI FUTURE (Smart Grids) Mercati poco sviluppati Mercati pienamente sviluppati localmente e a livello internazionale Vincoli ai mercati dati da congestione Poche congestioni di rete di rete Controllo limitato dei flussi di potenza Controllo coordinati di FACTS Informazioni di mercato limitate per gli Tutte le informazioni di mercato utenti disponibili Utenti passivi Utenti attivi, “prosumers” R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 47 24
  • 25. Integrazione di due infrastrutture Flussi energia bidirezionali Utenti rete dati Centrale Elettrica Transformatore 2. Rete trasmissione dati Sottostazione di Sottostazione di Centro Turbina distribuzione distribuzione Cogene- Controllo a gas Sottostazione di razione distribuzione Micro- turbina Residential Data Concentrator Commerciale Cella Cogene- Comb. razione Foto voltaico Cogenerazione Gr. Batterie Continuità Industriale Commerciale Residentiale Generazione distribuita – Rete di distribuzione “attiva” R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 48 Rete interconnessa europea Rete interconnessa europea - serve 430 milioni di utilizzatori fornendo complessivamente 2.500 Miliardi di kWh per anno; - ha una potenza installata di 560 Milioni di kW; - ha una rete in Alta Tensione che si sviluppa per circa 230.000 km; - ha uno sviluppo delle reti in Media e Bassa tensione per circa 5.000.000 di km; - ha richiesto un investimento di circa 1500 € per ogni cittadino p g europeo. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 49 25
  • 26. Interconnessioni tra reti di trasmissione Nuovi dispositivi di controllo Rafforzare interconnessioni Cavi DC Facilitare gli scambi commerciali Aumentare le sicurezza R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 50 Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Rete convenzionale: Flussi di potenza seguono le leggi di Kirchhoff Smart Grid: Flussi di potenza controllati da FACTS R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 51 26
  • 27. L’evoluzione delle reti di energia Come è…. • Controllo centralizzato • Flusso di energia unidirezionale • Limitata interazione con i carichi locali … come sarà • Controllo delocalizzato • Flussi di energia multi-direzionali • Possibilità di interazione con i carichi • Segnali di prezzo/volume in real- time R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 52 Tre passi fondamentali verso le Smart Grids Enfasi sul valore dell’informaione Enfasi sul valore dell energia dell’energia 2006 2020 2011 • Reti attive: reti MT con una grande quantità di generazione distribuita controllata direttamente e indirettamente da Distributore • Micro Reti : reti BT con sorgente non dispacciabile e sistemi di accumulo, accumulo isole che si creano in situazioni critiche . • Utility virtuali: reti tipo internet con un mercato dell’energia locale basato su segnali di prezzo continui tra generatori e carichi. R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 53 27
  • 28. Reti attive (1) Dispacciamento locale dell’energia: Rete di trasporto (AT) Centro di • Aggregazione della generazione distribuita controllo Rete di distribuzione (MT) X • Controllo da parte del Distributore • Bilanciamento con il carico in rete ~ ~ Evitare transiti inversi di energia verso rete AT ~ Ridurre le perdite di rete ~ Aumentare l’affidabilità del sistema R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 54 Reti attive (2) Gestione bidirezionale dei flussi di potenza attraverso le rete AT Rete di trasporto (AT) Centro di rendendo la rete MT “attiva” o controllo “passiva” secondo un determinato Rete di programma; distribuzione (MT) Performance più elevate dei sistemi di protezione, controllo e automazione: - Selezione automatica dei tratti di rete guasti, ~ ~ - Recupero automatico del carico sui tratti di rete funzionanti (a monte e a valle del tratto danneggiato) ~ Grande quantità di dati disponibili ~ (misure di carico, generazione,…) consentono un’ottimale gestione del dispacciamento e del mercato R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 55 28
  • 29. Livelli crescenti di controllo nelle Reti di distribuzione R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 56 Reti attive (3) R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 57 29
  • 30. Micro reti (1) Le microreti capaci di autosussistenza (EPRI) R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 58 Micro reti (2) R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 59 30
  • 31. Possibile futuro assetto reti MT R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 60 Reti di Bassa Tensione R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 61 31
  • 32. Demand Side Management R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 62 Progetto Enel Smart Distribution Network Operation •ENEL Distribuzione ha definito un proprio progetto Smart Distribution Network Operation (SDNO) •con un orizzonte temporale di 5-10 anni che consenta la transizione delle tradizionali reti di distribuzione verso reti in grado di essere esercite con alta penetrazione di GD • valutare fattibilità e limiti tecnici (di rete e generatori) per l’introduzione di quote rilevanti di GD sulle reti di distribuzione, • individuare e definire gli interventi sulla rete di distribuzione e le apparecchiature (HW e SW) necessarie, sviluppandole e testandole, sia a livello singolo, sia realizzando alcuni impianti pilota completi; g , p p p ; • studiare e proporre nuove regole di esercizio e nuove regole di connessione per generatori e carichi. - R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 63 32
  • 33. Progetto SDNO: evoluzione della rete Situazione attuale R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 64 Progetto SDNO: evoluzione della rete Situazione futura R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 65 33
  • 34. Progetto Smart Grids FP7: “ADDRESS” • Active Distribution networks with full integration of demand and Distributed energy RESources Progetto R&D su larga scala finanziato all’interno del 7° Programma Quadro di ricerca dell’Unione Europea Durata progetto 4 anni Consorzio 25 partner Coordinamento Enel Distribuzione R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 66 Partners di ADDRESS Sweden • Vattenfall The Nederland • KEMA • Philips United Kingdom • University of Finland Manchester • VTT • EDF En • RLtec Germany France • Consentec • EDF-SA • Landis and Gyr Belgium • VITO • Electrolux Switzerland • ABB • Current Technologies Int. Rumania • Dobrogea Spain Italy • Iberdrola • Enel Distribuzione • Universidad Pontificia • Enel Produzione Comillas • Alcatel Italia • Ericsson Esp. • Università di Cassino • Labein • Università di Siena • ZIV • DSOs and TSOs: 4 • Univ and research centers: 10 • Energy suppliers and retailers: 2 • Manufacturers or industries: 6 • Communication and ICT solutions providers: 3 R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 67 34
  • 35. Progetto ADDRESS Il progetto ADDRESS si pone l’obiettivo di realizzare un concreto quadro commerciale e tecnologico per lo sviluppo della “Domanda Attiva” Domanda Attiva nelle Smart Grid del futuro con piena integrazione della generazione distribuita. Sarà favorita la partecipazione attiva dei clienti residenziali e delle piccole imprese nel mercato dell’energia elettrica. I concetti e le soluzioni più promettenti del progetto saranno provati e verificati attraverso la realizzazione di tre reti di test in Italia, Francia e Spagna R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 68 Progetto ADDRESS: primo modello di sistema PV µCHP Storage Energy Energy Energy Box Box Box Electrical Connection Aggregator MV/LV Markets and Transfos contracts 2 10 - 10 Different levels ADDRESS of adaptation Sub- optimisation stations ADDRESS servers and Energy supply 103 – 104 aggregation and DMS 6 7 10 – 10 provision of Retailers services DSO Storage Centralized generation Gen BRPs Gen TSO Traders BRPs : balancing responsible parties R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 69 35
  • 36. Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 70 Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 71 36
  • 37. Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 72 Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 73 37
  • 38. Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 74 Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 75 38
  • 39. Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 76 Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 77 39
  • 40. Plug-in Electric Vehicles R.Turri:Seminario SmartGrids, Vicenza 12 aprile 2011 78 40