Comunità dell’energia:
fonti rinnovabili e smart grid per
un’energia pulita, distribuita,
efficiente
Lo sviluppo delle Active
e Smart Micro Grid
Ferruccio Giornelli
Pasquale Motta, Riccardo Avigni, Fabio Leopaldi
1
Potenza, 12 Novembre 2012
Agenda
Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid
Le Micro Grid
Le applicazioni a livello internazionale
Il posizionamento Italiano
I vantaggi delle Micro Grid
Le fasi di un progetto tipo
Potenza, 12 Novembre 2012
2
Agenda
Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid
Le Micro Grid
Le applicazioni a livello internazionale
Il posizionamento Italiano
I vantaggi delle Micro Grid
Le fasi di un progetto tipo
Potenza, 12 Novembre 2012
3
Il sistema elettrico
Articolazione in 4 fasi:
• produzione elettrica
• trasmissione elettrica
• distribuzione elettrica
• vendita energia
elettrica.
Potenza, 12 Novembre 2012
4
Il sistema elettrico italiano
mercato liberalizzato
centrali elettriche trasformano energia da fonti
primarie in elettricità
• produzione elettrica
un unico operatore nazionale : TERNA
energia da centrali elettriche a zone di
distribuzione e consumo,
• 380 kV - 220 kV - 150 kV
•
• trasmissione elettrica
•
un unico operatore per ogni area geografica
• distribuzione elettrica
infrastruttura di rete capillare
• media tensione (10 - 20 kV)
• bassa tensione (inferiore a 1000 V)
• cabine primarie (AT/MT) e secondarie (MT/BT)
• vendita energia elettrica.
Gestita da soggetti diversi
Potenza, 12 Novembre 2012
5
Il sistema elettrico
• energia elettrica non
immagazzinabile
• rete di distribuzione elettrica
progettata come passiva e
unidirezionale
• centrali elettriche di norma
collegate a trasmissione
elettrica
• Intelligenza soprattutto a
livello di generazione e
trasmissione
• ruolo delle Istituzioni:
regolatorio, pianificatore ed
autorizzativo
• ruolo del consumatore molto
ridotto
Potenza, 12 Novembre 2012
produrre istantaneamente l’energia
richiesta e gestire la trasmissione e
distribuzione in modo che l'offerta e la
domanda siano sempre in equilibrio,
garantendo la continuità e la sicurezza
del l servizio.
• Passiva: senza generazione in media
tensione
• Unidirezionale: dalla centrale
all’utente, assorbendo la potenza dalla
trasmissione
massiccia penetrazione di generazione
distribuita può provocare
deterioramento inaccettabile della qualità
del servizio e causa gravi problemi
operativi e di protezione, se non ben
gestita
Non ancora da utente / cittadino
protagonista del sistema energetico
6
Trend del sistema elettrico
Scenari di riferimento
•
•
•
•
•
liberalizzazione del sistema elettrico e mercato elettrico
rispetto ambientale
crescita sostenibile
maggior partecipazione degli stakeholder locali (pubblica amministrazione,
consumatori, organizzazioni ambientaliste, etc.) nella definizione della
politica energetica
maggiore partecipazione dei consumatori (scelta Energy provider,
consumo intelligente via tariffe orarie)
Evoluzioni tecnologiche
•
•
•
•
•
•
•
•
massiccia introduzione di generazione distribuita in MT, anche di tipo
volatile (eolico e solare)
sistemi di accumulo più efficienti ed efficaci
diffusioni di Micro Grid funzionanti anche in isola
installazione dei contatori digitali (Meter)
automazione delle cabine primarie e secondarie
sistemi di automazione e telecomunicazioni (inclusa internet) nella rete MT
nuove funzionalità dei DMS (Distribution Management System)
applicazioni sempre più spinte di domotica
Potenza, 12 Novembre 2012
7
Nuovo ruolo del consumatore
e della comunità
Impatto sociale
• l'accettazione sociale: fattore spesso limitante per lo
sviluppo di una nuova infrastruttura energetica,
• può diventare una formidabile leva per il successo della
iniziativa.
Possibili tensioni sociali nella attuazione della politica
energetica
Spesso la scelta è tra:
• opzione tradizionale e di tipo top-down: sistemi energetici
interconnessi anche transnazionali con gestione
centralizzata.
• opzione de-localizzata: soluzioni anche off-grid con
importante partecipazione della comunità locale
Non
• esiste la soluzione. ad oggi la prima soluzione è stata preferita sia per
motivazioni tecnologiche (applicazioni Active & Smart praticamente agli inizi),
ma anche ideologiche.
La gestione delle possibili tensioni indica che un approccio localizzato spesso
trova più facilmente il consenso e realizza gli obiettivi di sicurezza,
climatici e ambientali.
Potenza, 12 Novembre 2012
8
Nuovo ruolo del consumatore
e della comunità
Nuovo ruolo dei consumatori
• da semplice consumatore ad utente e quindi a cittadino (a volte
anche piccolo imprenditore)
Dal “ enviromental & social impact” alla partecipazione
consapevole del cittadino e della comunità
Si può passare:
• da una logica passiva: impatto ambientale e sociale di una
soluzione “Micro Community & Grid” sul territorio e sulla
popolazione
• ad una logica attiva e partecipativa, in cui la comunità
partecipa a stabilire
• il mercato
• gli interventi e gli investimenti
• verifica gli impatti ambientali e sociali
• la qualità del servizio per il singolo utente
• utilizza, in parte, i proventi economici (risparmi sulle tariffe) e
le ricadute positive (es. ricadute occupazionali per attività di
operation, manutenzione)
Potenza, 12 Novembre 2012
9
Sistema Elettrico –
nuovi concetti e terminologie
(1) contatori elettronici intelligenti
1. Smart (intelligent)
Metering
2. Smart Grid
3. Active and Smart
Grid
4. Micro Grid
(2) i contatori elettronici: passo basilare per
realizzare le Smart Grid (reti elettriche
intelligenti di distribuzione MT e BT) che
permettono la connessione di piccoli e
piccolissimi impianti a fonti rinnovabili
distribuiti nel territorio
(3) reti di distribuzione che, grazie ai contatori
intelligenti, permettono un ruolo attivo e da
protagonista dell’utente /consumatore
(4) reti elettriche di distribuzione (spesso BT) di
dimensioni limitate progettate per
funzionamento in isola elettrica
Sempre di più le Micro Grid si riferiscono anche a reti gas e di calore
Potenza, 12 Novembre 2012
10
Sistema Elettrico –
nuovi concetti e terminologie
5. Smart and
Microgrid
6. Smart City and
Smart Micro Grid
7. Social and Smart
Community (and
Micro Grid)
(5) piccole reti elettriche che utilizzano
tecnologie dei contatori digitali e Smart Grid
(6) città costruite su dotazioni tecnologiche
avanzate e distribuite (a livello energetico,
telecomunicazione, internet, cloud computing,
etc.) e su infrastrutture immateriali atte ad
attirare attività innovative, di ricerca, capitali
economici e professionali
(7) comunità con Smart Governance che
favorisce la partecipazione civica nella
creazione di valore pubblico e con Smart
Citizen in termini di competenze, capacità
relazionale di inclusione e tolleranza. Le Smart
Community creano le condizioni di governo,
infrastrutturali e tecnologiche per produrre
innovazione
Sempre di più le Micro Grid si riferiscono anche a reti gas e di calore
Potenza, 12 Novembre 2012
11
Sistema Elettrico – Evoluzione temporale
principali pietre miliari
• lato rete e mercato:
• Anni: dal 1995 – 2000
• Motivazioni:
• Maggior efficienza del sistema elettrico e costi ridotti
• Integrazione di rinnovabili
• lato singolo consumatore (Residenziale, Commerciale e Industriale)
• Anni: da l 2008-2010
• Motivazioni:
• Maggior efficienza lato consumatore
• Maggior coinvolgimento e costi ridotti
• lato comunità (consumatori nel loro assieme)
• Anni: da oggi
• Motivazioni:
• Partecipazione della comunità agli aspetti energetici ed ambientali
• Ricadute economiche e sociali
Il successo delle Smart Micro Grid & Smart Community dipende dalle scelte
progettuali e tecnologiche, ma sempre di più dalla partecipazione degli utenti
e delle comunità di utenti
Il progettista di Smart Micro Grid deve progettare (e modellizzare) un sistema
complesso e multidisciplinare in cui gli aspetti sociali e partecipativi hanno
un peso crescente
Potenza, 12 Novembre 2012
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Smart Micro Grid & Community Interazione tra vari modelli
Per progettare, pianificare e
gestire una Micro Grid occorre
conoscere e dominare processi
molto diversi ed interagenti,
con orizzonti temporali e
costanti di tempo differenti,
quali:
il successo tecnico ed economico di una
Micro Grid è garantito dalla conoscenza e
dalla previsione del comportamento del
consumatore /utente
Il consumatore/utente spesso non molto
• mercato dell’energia: tariffe,
trend dei prezzi di fonti primarie scolarizzato e in Italia non giovane rischia di
non utilizzare i vantaggi proposti
• aspetti energetici
• aspetti elettrici, di vario tipo
• telecomunicazioni (internet,
Perché conoscere il modello del
ponti radio) ed intelligenza
comportamento dell’utente/cliente?
distribuita (automazione e
Per intervenire attraverso:
controllo)
• informazione e formazione
• comportamento
dell’utente/consumatore
• disseminazione risultati
• tariffe incentivanti
La ricerca applicata sta
• sistemi semplici e progettati sul
sviluppando:
consumatore target
• le interfacce tra questi
• organizzazione stile cooperativo
processi (e modelli)
• partecipazione ai successi economici
• modello comportamento utente
dell’iniziativa
13
Potenza, 12 Novembre 2012
Agenda
Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid
Le Micro Grid
Le applicazioni a livello internazionale
Il posizionamento Italiano
I vantaggi delle Micro Grid
Le fasi di un progetto tipo
Potenza, 12 Novembre 2012
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Aspetti critici della connessione delle
rinnovabili alla rete elettrica
Una massiccia penetrazione delle rinnovabili, se non ben
gestito:
• provoca un deterioramento inaccettabile della qualità del
servizio elettrico
• causa gravi problemi operativi e di protezione che
richiedono forti investimenti per rafforzare la rete elettrica
di MT e/o di AT
• richiede forti investimenti nel sistema elettrico per la
fornitura di servizi ancillari
• richiede nuove modalità per progettare, pianificare, gestire
e manutenere le reti
• richiede l’introduzione di sistemi di accumulo
Questi vincoli possono limitare lo sviluppo delle Energie Rinnovabili
Le Micro Grid risolvono queste criticità.
Potenza, 12 Novembre 2012
15
Smart Grid e Smart Micro Grid
Le Smart Grid (ed ancor più le Micro
Grid) sono la chiave per
• gestire l’integrazione in rete delle
Energie Rinnovabili,
• sviluppare il controllo delocalizzato
• aumentare la flessibilità del
sistema alla domanda
• favorire la gestione e l'espansione
della rete
• offrire un ruolo centrale ai
consumatori
• aumentare l’efficienza energetica
per uno sviluppo sostenibile e
rispettoso dei vincoli ambientali
Potenza, 12 Novembre 2012
Tutto ciò attraverso l’utilizzo
della Information
Technology, ma non solo …
16
Smart Micro Grid
• Sia i paesi avanzati (Stati Uniti ed Europa) che quelli in
via di sviluppo (Cina, America Latina e Africa)
• Le Smart Micro Grid sono una tipica applicazione delle
Smart Grid, per certi versi molto più promettente, per le
reti di Bassa Tensione (ed anche Media)
• Le Micro Grid sono un insieme elettricamente isolato di
generatori che fornisce tutta (o quasi) la domanda ad un
gruppo di clienti geograficamente ed elettricamente vicini
• Modalità di funzionamento delle Micro Grid:
• Collegamento alla rete MT principale
• Gestita come “isola elettrica”
• Gestita in maniera coordinata con la rete MT
La rete MT può diventare quindi il sistema di back – up
della Micro Grid
Potenza, 12 Novembre 2012
17
Lo schema elettrico di una Micro Grid
Potenza, 12 Novembre 2012
18
Componenti delle Smart Micro Grid
1) Impianti di Generazione:
•
Energia Rinnovabile e Distribuita: fotovoltaico, eolico,
Mini Hydro, fuels cell
•
Piccoli impianti tradizionali
2) Sistemi di accumulo:
•
Batterie Elettrochimiche
•
Mini Hydro a pompaggio
•
Impianti di accumulo di gas, aria compressa e
idrogeno
•
Applicazioni innovative
3) Un
•
•
•
•
insieme di clienti, quali:
Residenziali
Commerciali
Illuminazione Pubblica
Piccole applicazioni industriali
Potenza, 12 Novembre 2012
19
Componenti delle Smart Micro Grid
4)
rete elettrica, in particolare:
• collegamenti dalle centrali (rinnovabili incluse) ai carichi ed ai sistemi
di accumulo
• collegamenti alla rete MT per:
• back-up
• acquisto/vendita dell’energia
• acquisto/vendita dei servizi ausiliari
5)
Sistemi di conversione CC/CA (Inverter)
• sorgenti in corrente continua per celle a combustibile, fotovoltaico,
batteria di accumulatori
• sorgenti in corrente alternata per microturbine (ad alta frequenza
variabile ) convertita in corrente continua
6)
Distribution Management System (DMS): gestisce la potenza generata
dalle centrali, il sistema di metering ad accounting, la pianificazione, la
previsione ed il controllo
7)
Regolazione e sistemi di controllo: funzioni simili a quelle tradizionali
quali: supervisione della frequenza di rete, dispacciamento, loadshedding, voltage and reactive control, sincronizzazione con la rete MT
Potenza, 12 Novembre 2012
20
Agenda
Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid
Le Micro Grid
Le applicazioni a livello internazionale
Il posizionamento Italiano
I vantaggi delle Micro Grid
Le fasi di un progetto tipo
Potenza, 12 Novembre 2012
21
Le applicazioni a livello internazionale
•
le Micro Grid cavalcano il successo dell’energia solare ed eolica,
delle tecnologie delle Smart Grid e dei nuovi sistemi di
automazione e dispacciamento delle reti elettriche
•
nel 2010 il mercato mondiale delle Micro Grid era di circa 4,2
GUS$ con una crescita significativa rispetto al 2009
•
crescita che continuerà almeno fino al 2020-2025
•
nel 2010, il Nord America ha rappresentato quasi il 54% del
totale
•
segmento di mercato di riferimento in USA:
• applicazioni militari
• laboratori, centri di ricerca, campus universitari ed ospedali
• centri commerciali
• villaggi vacanza
Settori in cui spesso viene richiesta una qualità del servizio elettrico
superiore alla norma
Potenza, 12 Novembre 2012
22
Le applicazioni a livello internazionale
•
Nei prossimi anni le Micro Grid cresceranno soprattutto nei
seguenti paesi:
• Asia-Pacifico
• America Latina
• Europa (Russia inclusa)
• Africa
•
Applicazioni di riferimento delle altre aree geografiche
• reti BT con presenza massiccia di Energie Rinnovabili
• localtà periferiche
• off-grid (isole elettriche)
• applicazioni per elettrificazione e generazione rurale
Settori in cui spesso viene richiesta una qualità del servizio elettrico
diversa dalla norma, a volte anche inferiore
Potenza, 12 Novembre 2012
23
Agenda
Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid
Le Micro Grid
Le applicazioni a livello internazionale
Il posizionamento Italiano
I vantaggi delle Micro Grid
Le fasi di un progetto tipo
Potenza, 12 Novembre 2012
24
Leader nei settori delle rinnovabili e
delle Smart Grid
Fotovoltaico: Germania e Italia
Off shore Eolico: UK e Germania
On shore Eolico: Danimarca e
Germania
CPV: Cina e Italia
CSP: Italia e Spagna
Geotermia: Italia, Islanda e Cina
Bio masse: Spagna
Smart Metering e Smart Grid:
Italia
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ora è il momento delle
Smart Micro Grid!!
Partendo dalle regioni
con potenzialità eoliche,
fotovoltaiche ed idriche
Quindi: della Basilicata!!
L'Italia è tra i leader mondiali sia a livello di applicazioni che di
tecnologie
• investimenti in energie rinnovabili: 4 ° posto nella classifica
mondiale, dopo Cina, Germania e Stati Uniti
• primo posto per le applicazione solari
• paese di riferimento tecnologico e di mercato per le
applicazioni Intelligenti (Smart Metering e Smart Grid)
Potenza, 12 Novembre 2012
25
La posizione Italiana nelle Rinnovabili
国家和部门投资，2010（十亿美元）
Investment by Country and Sector, 2010 (Billions of US$)
• Italia al quarto posto negli
investimenti in energia pulita,
dopo Cina, Germania e Stati
Uniti
• 50% degli investimenti italiani
in applicazioni solari
• Il secondo posto (7GW) in
applicazione in Europa, dopo la
Germania (17GW) nel 2010,
prima nel 2012 previsioni
• Italia prima in % di crescita
(+124%)
2010
Rank
Country
2010
Investments
(billions $)
2009
Investments
(billions $)
Investment
Increase %
2009
Rank
1
China
54,4
39,1
39%
1
2
Germany
41,2
20,6
100%
3
3
US
34,0
22,5
51%
2
4
Italy
13,9
6,2
124%
8
5
Rest of EU-27
13,4
13,3
1%
4
6
Brazil
7,6
7,7
-1%
7
7
Canada
5,6
3,5
60%
9
8
Spain
4,9
10,5
-53%
6
9
France
4,0
3,2
25%
12
10
India
4,0
3,2
25%
11
Potenza, 12 Novembre 2012
Investimenti Italiani
in applicazioni solar i
Italia7bln$
• In Italia, mix di finanziamenti
equilibrato
•
1/3 Publico
•
1/3 Privato per piccole
applicazioni
•
1/3
Venture
Capital
/Private Equity
2010年清洁能源投资前列（十亿美元）
Picture 1: Top in Clean Energy Investment, 2010 (Billions of US$)
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Agenda
Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid
Le Micro Grid
Le applicazioni a livello internazionale
Il posizionamento Italiano
I vantaggi delle Micro Grid
Le fasi di un progetto tipo
Potenza, 12 Novembre 2012
27
I vantaggi delle Micro Grid
• Uso massiccio delle energie rinnovabili e distribuite:
 le Micro Grid riducono la criticità principale oggi
esistente riguardante la soglia critica di energia
rinnovabile volatile (eolica e solare) che può tollerare un
sistema elettrico.
•
I benefici economici e ambientali consentiti dalle Micro
Grid hanno una ricaduta immediata sul territorio, quali:
• sviluppo ed esercizio locali degli impianti e componenti
delle Micro Grid e indotto
• nuove iniziative imprenditoriali (anche non legate alle
Micro Grid) favorite dal basso costo dell’energia
• Impatti sociali
Potenza, 12 Novembre 2012
28
I vantaggi delle Micro Grid
• Gestore delle reti MT/AT: riduzione del costo del servizio elettrico
rispetto alle soluzioni esistenti, perché:
• elimina/riduce le perdite elettriche per la trasmissione e la
distribuzione, con evidenti vantaggi anche in termini di efficienza
energetica
• riduce la congestione sulla rete MT, riduce esigenza di nuova
generazione tradizionale fornendo supporto locale alla tensione e
rispondendo ai rapidi cambiamenti dei carichi
• ottimizzazione raggiunta dai nuovi DMS che migliorano
l'efficienza complessiva del sistema
• Gestore delle reti MT/AT: riduzione del costo di rafforzamento
(repowering) delle reti esistenti
• Utenti: riduzione dei costi perché possono:
• pianificare temporalmente i carichi sulla base di ottimizzazione
economica: le tariffe di energia possono essere molto più
diversificate rispetto a quelle normalmente esistenti per le reti
MT (Macro Grid)
• ritagliare le esigenze di qualità del servizio elettrico (Power
Quality) alle effettive esigenze
29
Potenza, 12 Novembre 2012
I vantaggi delle Micro Grid
•
Predisposizione di un livello eterogeneo di Power Quality e di
affidabilità per gli utenti finali, perché:
 permettono di ritagliare le
esigenze di Power Quality
alle effettive esigenze del
consumatore (residenziale,
commerciale ed industriale)
Principio completamente
diverso rispetto alla
prestazione di qualità del
servizio universale, costante,
che è l'obiettivo delle reti MT
(Macro Grid)
 le Micro Grid proteggono i carichi (critici e non) con una
qualità del servizio commisurata alle necessità ed alla loro
rischedulabilità.
 la fornitura di qualità del servizio eterogeneo migliora
l'affidabilità complessiva dei carichi critici, riducendo costi
del sistema a causa del sacrificio (ripagato in termini
tariffari) di quelli non critici.
Potenza, 12 Novembre 2012
30
I vantaggi delle Micro Grid
• Miglioramento delle attività di esercizio (operation) con
riduzione degli investimenti relativi, perché:
 le Micro Grid nel corso di un disturbo possono separarsi
e isolarsi dalla rete MT con un impatto minimo o nullo
sui carichi della rete (ad esempio, nessun impatto sulla
qualità del servizio)
 a malfunzionamento esaurito, la Micro Grid si
risincronizza automaticamente e si ricollega alla rete
 le Micro Grid funzionano normalmente interconnesse
alla rete MT (Macro Grid) acquistando e/o vendendo
energia e servizi accessori quando conveniente dal
punto di vista operativo ed economico
Potenza, 12 Novembre 2012
31
I vantaggi delle Micro Grid
Questi vantaggi spiegano la forte promozione operata sia in
ambito Europeo ed Internazionale a livello:
•
tecnico: in attività di ricerca e
sviluppo
•
finanziario: mediante
finanziamento alle azioni
dimostrative
•
normativo e regolatorio
Potenza, 12 Novembre 2012
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Agenda
Dagli Smart Meter alle Smart Community & MicroGrid
Le Micro Grid
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Il posizionamento Italiano
I vantaggi delle Micro Grid
Le fasi di un progetto tipo
Potenza, 12 Novembre 2012
33
Le fasi di un Progetto tipo
•
•
•
•
•
•
Individuazione della rete LV/MV, per gli aspetti di distribuzione,
carichi e generazione
Raccolta dati energetici ed elettrici
Sviluppo modello energetico ed elettrico della rete
Individuazione di una o più sotto reti caratteristiche della rete
LV/MV
Progettazione della trasformazione della rete LV/MV esistente in
Micro Grid (sistema autonomo che può funzionare anche in isola)
con particolare riguardo alle sotto reti individuate.
Progettazione dovrà essere validata dal punto di vista
• tecnico/scientifico ed economico
• aspetti regolatori e tariffari verso Macro Grid e consumatori
• impatto ambientale e sociale
• robustezza della soluzione
• interfaccia con la Macro Grid
• costi di sviluppo ed operation
• facilità d’uso
• accettabilità da parte degli utenti
Potenza, 12 Novembre 2012
34
Le fasi di un Progetto tipo
•
•
•
•
Il progetto e la realizzazione sarà di tipo modulare e diviso in più
fasi temporali, prevedendo:
 investimenti limitati nelle fasi iniziali, ma con ritorni economici
già presenti e con coinvolgimento dei consumatori da subito
 investimenti successivi: lato DMS, lato utente, lato infrastrutture
di rete (protezioni avanzate e passaggio a rete magliata – se il
caso)
 realizzazione di un simulatore avanzato dei principali processi e
delle loro interfacce
 realizzazione di una (o più) sotto reti demo, interconnesse con
la rete MV/LV e con il simulatore per la modellazione e la
pianificazione del comportamento attuale e prospettico.
Campagna di promozione dell’iniziativa presso gli utenti, le realtà
Istituzionali locali ed i mass media.
Campagna di disseminazione dei risultati acquisiti dai simulatori e
soprattutto dalle sotto reti demo.
Start – up
Potenza, 12 Novembre 2012
35
Grazie per l’attenzione
Potenza, 12 Novembre 2012
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