Soluzioni ABB per lo stoccaccio dell`energia

Roberto Bernacchi, Piero Murgia, ABB S.p.A., 11 Luglio 2011, Convegno ANIMP/ATI
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Introduzione, prodotti e applicazioni
© ABB Group
June 29, 2011 | Slide 1
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Argomenti di discussione
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June 29, 2011 | Slide 2
1.
Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
2.
Tecnologie di stoccaggio
3.
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico
4.
Soluzioni ABB per l‘ Energy Storage
5.
Referenze
6.
Conclusioni
Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
Sviluppo sostenibile ed integrazione delle rinnovabili


Energie rinnovabili al 2030
Proiezione dell’incremento di

Forte crescita dell’energia da fonti rinnovabili
Nei paesi OECD la maggior crescita è rappresentata dall’energia
eolica
Stima degli investimenti globali nelle rinnovabili: 200 Miliardi $ al
2030
Idroelettrico
300
Eolico
Biomasse
Altro
50
50
Sud
America
120
GW
GW
GW
Cina
India
GW
Medio
Oriente
& Africa
Source
IEA 2008
L’energia idroelettrica rimarrà la fonte rinnovabile principale seguita dall’energia eolica
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Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
Smart Grid
Centro di controllo
e supervisione
Generazione
da rinnovabili
Sottostazioni
Caricabatterie per
auto elettriche
Stoccaggio energia
(da rete elettrica)
Stoccaggio energia
(residenziale)
Solare
(residenziale)
Edifici “smart”
Elettrificazione
banchine porti
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Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
Modelli economici


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June 29, 2011 | Slide 5
Il mercato libero dell’energia consente
nuove possibilità di investimento

Cogliere i vantaggi derivanti dalle differenze nei
costi dell’energia

Comprare energia a buon mercato –
immagazzinarla – venderla a prezzi maggiori
(sfruttare i picchi)
Nel settore industriale/infrastrutturale è
possibile inoltre

Ridurre i picchi di carico per tagliare i costi
(riduzione tariffe)

Posticipare investimenti per il potenziamento della
rete elettrica
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Argomenti di discussione
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1.
Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
2.
Tecnologie di stoccaggio
3.
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico
4.
Soluzioni ABB per l‘ Energy Storage
5.
Referenze
6.
Conclusioni
Tecnologie di stoccaggio dell‘energia
Energia vs Potenza


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Le applicazioni di potenza richiedono la disponibilità di una
potenza elevata per brevi periodi di tempo (da secondi a
minuti). Le tecnologie più note sono pertanto:

(Super)condensatori

Volani (Flywheels)

Batterie (principalmente al litio)

SMES (superconducting magnetic energy storage)
Le applicazioni energetiche richiedono la disponibilità di un
energia elevata per lunghi periodi di tempo. Le tecnologie
più note sono pertanto:

Impianti di pompaggio

Batterie (diverse tipologie),

CAES (compressed air) o TAES (thermal)
Tecnologie di stoccaggio dell‘energia
Tempi di scarica
Condensatori Volani
Batterie
Litio
Pompaggi
NaS
NiCd
Redox
Piombo
Frazioni di
secondo
Minuti
Minuti  Ore
Ore  Giorni
Tempo di scarica
Range dei Sistemi di accumulo energetico con elettronica di potenza:
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
Condensatori:
da 5 a 15 secondi
~500,000 cicli

Volani:
da 1 a 30 minuti
nessun limite di cicli

Batterie: NiCd
Li-Ion
Redox
NaS:
da 30 a 120 minuti
da 15 a 60 minuti
da 3 a 6 ore
da 6 a 8 ore
~2500 cicli @ 80% (DoD –scarica)
~3,000-6,000 @ 80% DoD
stimati 10,000 cicli @ 80% DoD
~ 4500 @ 80% DoD
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Argomenti di discussione
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Month
DD,
YYYY
| Slide
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9 9
1.
Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
2.
Tecnologie di stoccaggio
3.
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico
4.
Soluzioni ABB per l‘ Energy Storage
5.
Referenze
6.
Conclusioni
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS)
ESS
Generazione
centralizzata
Riserva
energetica
Livellamento di carico
(Load leveling)
Per utilizzo ottimizzato
del generatore
100 MW, 4h
In caso di guasto
sulla linea
10-100 MW, 0.25-1 h
Linea aerea a 220 kV
20 kV
ESS
220 kV
al
carico
Load leveling
ESS
Generazione
distribuita
ESS
Integrazione
rinnovabili
150 kV
Anello di rete
a 20 kV
1-100 MW,
1-10 h
Connessione singola
Per posticipo
upgrade rete
1-10 MW, 6 h
ESS
Regolazione di frequenza
20 kV
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June 29, 2011 | Slide 10
150 kV
1-50 MW, 0.25-1 h
Industria
pesante
ESS
Taglio dei picchi
(Peak shaving)
0.5-10 MW, 1 h
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) – 1°caso
ESS
Generazione
centralizzata
Riserva
energetica
Livellamento di carico
(Load leveling)
Per utilizzo ottimizzato
del generatore
100 MW, 4h
In caso di guasto
sulla linea
10-100 MW, 0.25-1 h
Linea aerea a 220 kV
20 kV
ESS
220 kV
al
carico
Load leveling
ESS
Generazione
distribuita
ESS
Integrazione
rinnovabili
150 kV
Anello di rete
a 20 kV
1-100 MW,
1-10 h
Connessione singola
Per posticipo
upgrade rete
1-10 MW, 6 h
ESS
Regolazione di frequenza
20 kV
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June 29, 2011 | Slide 11
150 kV
1-50 MW, 0.25-1 h
Industria
pesante
ESS
Taglio dei picchi
(Peak shaving)
0.5-10 MW, 1 h
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) - 1° Caso
Ni-Cd ESS (Golden Valley Electric Association, Alaska, USA)
Linea di
trasmissione
100 MW
(esistente)
Fairbank
s

Specifiche:

40 MW per 7 min (4.7 MWh)

27 MW per 15 min (6.75 MWh)

Efficienza AC/AC ≈ 75%

Ciclo di vita batterie: 20 anni
ESS
Nuova
Linea di
transmission
e
140 MW
Healy
Konverter
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Month
DD,
YYYY
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12 12

Applicazioni:

Riserva energetica in caso di guasti sulla linea

Riserva operativa (Spinning reserve)

Compensazione potenza reattiva

In servizio dal 2004
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) – 2°caso
ESS
Generazione
centralizzata
Riserva
energetica
Livellamento di carico
(Load leveling)
Per utilizzo ottimizzato
del generatore
100 MW, 4h
In caso di guasto
sulla linea
10-100 MW, 0.25-1 h
Linea aerea a 220 kV
20 kV
ESS
220 kV
al
carico
Load leveling
ESS
Generazione
distribuita
ESS
Integrazione
rinnovabili
150 kV
Anello di rete
a 20 kV
1-100 MW,
1-10 h
Connessione singola
Per posticipo
upgrade rete
1-10 MW, 6 h
ESS
Regolazione di frequenza
20 kV
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150 kV
1-50 MW, 0.25-1 h
Industria
pesante
ESS
Taglio dei picchi
(Peak shaving)
0.5-10 MW, 1 h
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) - 2° Caso
Peak shaving: profilo di carico (sottostazione ferroviaria)
Massimo carico: 16.25 MW
0
50
Tempo [h]
100
150
16
14
Soglia: 12 MW
Potenza [MW]
12
10
8
6
4
2
0
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
Potenza batterie: 16.25 MW - 12 MW = 4.25 MW

Energia batterie: 15.8 MWh

Tempo di scarica: 3.7 hours

Utilizzo medio delle batterie: 6.6 MWh/giorno (150 cicli/anno)
200
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) - 2° Caso
Dimensionamento batterie
Soglia di potenza (MW)
40

La selezione delle batterie
dipende dal tempo di
scarica
Ad una diminuzione della
soglia limite di potenza,
corrisponde un aumento
della taglia delle batterie (in
MWh)
Energia Batterie [MWh]

11
35
30
25
20
12
15
10
13
5
14
0
0
1
2
3
4
5
Potenza Batterie [MW]
Potenza [MW]
16
14
12
10
8
6
4
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0
50
100
Tempo [h]
150
200
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) - 2° Caso
Selezione batterie
Sodio-Zolfo
Soglia (NaS)
di potenza [MW]
7
11
Tempo di scarica [h]
6
Piombo
5
4
12
Li-ion
3
13
2
1
14
0
0
1
2
3
4
5
6
Potenza Batterie [MW]

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La selezione della tipologia di batteria da utilizzare dipende
dal tempo di scarica e dalla potenza
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) – 3°caso
ESS
Generazione
centralizzata
Riserva
energetica
Livellamento di carico
(Load leveling)
Per utilizzo ottimizzato
del generatore
100 MW, 4h
In caso di guasto
sulla linea
10-100 MW, 0.25-1 h
Linea aerea a 220 kV
20 kV
ESS
220 kV
al
carico
Load leveling
ESS
Generazione
distribuita
ESS
Integrazione
rinnovabili
150 kV
Anello di rete
a 20 kV
1-100 MW,
1-10 h
Connessione singola
Per posticipo
upgrade rete
1-10 MW, 6 h
ESS
Regolazione di frequenza
20 kV
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June 29, 2011 | Slide 17
150 kV
1-50 MW, 0.25-1 h
Industria
pesante
ESS
Taglio dei picchi
(Peak shaving)
0.5-10 MW, 1 h
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) - 3° Caso
Posticipo investimenti sulla rete di distribuzione
54
Capacità [MWh]
Potenza attiva [MW]
48
42

P [MW]
Limite termico
36

30
Sviluppo futuro
Portata attuale
24

18
12

6
Committente

Gestore di rete

Utility locale

Gestore sottostazione primaria/secondaria (110/20kV)
Funzionalità

Fornitura di potenza attiva in periodi di massimo carico

Ricarica durante periodi di carico minimo
Vantaggi

Posticipo investimenti su rete di distribuzione

Compensazione potenza reattiva (VAR)
Taglia tipica

1-10 MW di potenza attiva, 6 h
0
0
3
6
9
12
15
18
21
24
Tempo [h]

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Posticipo investimenti su rete di distribuzione
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) – 4°caso
ESS
Generazione
centralizzata
Riserva
energetica
Livellamento di carico
(Load leveling)
Per utilizzo ottimizzato
del generatore
100 MW, 4h
In caso di guasto
sulla linea
10-100 MW, 0.25-1 h
Linea aerea a 220 kV
20 kV
ESS
220 kV
al
carico
Load leveling
ESS
Generazione
distribuita
ESS
Integrazione
rinnovabili
150 kV
Anello di rete
a 20 kV
1-100 MW,
1-10 h
Connessione singola
Per posticipo
upgrade rete
1-10 MW, 6 h
ESS
Regolazione di frequenza
20 kV
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June 29, 2011 | Slide 19
150 kV
1-50 MW, 0.25-1 h
Industria
pesante
ESS
Taglio dei picchi
(Peak shaving)
0.5-10 MW, 1 h
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) - 4° Caso
Regolazione di Frequenza
Perdita di generazione
Supporto
fnom
Recupero
Stabilizzazione
Primaria
dopo 10 s
for 15 min

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Tempo
Secondaria
Riserva supplementare
Terziaria
Riserva sostitutiva
Caso ideale per batterie LI-Ion
Riserva operativa
(Spinning reserve)
Vantaggi derivanti dal prezzo riconosciuto per la potenza
disponibile in riserva operativa
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) – 5°caso
ESS
Generazione
centralizzata
Riserva
energetica
Livellamento di carico
(Load leveling)
Per utilizzo ottimizzato
del generatore
100 MW, 4h
In caso di guasto
sulla linea
10-100 MW, 0.25-1 h
Linea aerea a 220 kV
20 kV
ESS
220 kV
al
carico
Load leveling
ESS
Generazione
distribuita
ESS
Integrazione
rinnovabili
150 kV
Anello di rete
a 20 kV
1-100 MW,
1-10 h
Connessione singola
Per posticipo
upgrade rete
1-10 MW, 6 h
ESS
Regolazione di frequenza
20 kV
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June 29, 2011 | Slide 21
150 kV
1-50 MW, 0.25-1 h
Industria
pesante
ESS
Taglio dei picchi
(Peak shaving)
0.5-10 MW, 1 h
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio (ESS) - 5° Caso
Integrazione rinnovabili
Fattori economici
2.
3.
Vendita energia nelle ore di punta anzichè
quando disponibile/prodotta (miglior prezzo in
€/kWh).
Diminuzione CO2 per riduzione produzione da
centrali a combustibile (certificati verdi-prezzo
CO2 in €/kWh)
Riduzione della variabilità della potenza
immessa min-max in MW (remunerazione in
€/MW-day).
Prerequisiti
Batteria da 1MW di potenza, 6MWh di energia.
Paragone tra batterie al NaS, Litio e Redox per un
tempo di scarica di 6 ore.
Risultati
Miglior combinazione individuata con batterie al
NaS e 6 ore di scarica Payback = 9 anni
Miglioramenti
Riduzione costi BESS, maggiori introiti da tariffe per
incentivi o costi dei combustibili fossili.
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charging
1600
1400
kW
1.
Capacity Firming Effect kW
1800
discharging
1200
1000
Firmed Capacity
800
Firmed Output
Original Output
600
0
5
10
15
20
Hour
Prezzi stimati

Vendita energia:
100 Euro/MWh

CO2 :
20 Euro/MWh

Programmabilità
300 Euro/MW-day
Investimento

Batterie Li-ion:
7 Meuro -> Payback 19 anni

Batterie Redox:
4 MEuro -> Payback 11 anni

Batterie Nas:
3.4 MEuro -> Payback 9 anni
25
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Argomenti di discussione
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June 29, 2011 | Slide 23
1.
Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
2.
Tecnologie di stoccaggio
3.
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico
4.
Soluzioni ABB per l‘ Energy Storage
5.
Referenze
6.
Conclusioni
Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell’Energia
3 Piattaforme Tecnologiche
Soluzioni chiavi in mano ESS
Sistemi ad uso residenziale
Ottimizzati per potenze ~25kW – 200kW
Rete
AC
Integrazione
con la rete &
servizi chiavi
in mano
Sistemi industriali - Piattaforma No.1
VDC = <1kV (sistema in BT)
Ottimizzata per potenze ~200kW – 20MW
Sistemi Industriali – Piattaforma No.2
3kV < VDC < 40kV (sistema in MT)
Ottimizzata per potenze ~10MW – 100MW
La selezione della piattaforma viene effettuata a seconda del tipo di applicazione
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Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell’Energia - 1/2
PCS 100 ESS Container (2-4 MVA, BT)
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
Soluzioni standard in container per
potenze fino a 4MW

Trasformatore installato in container
per unità con Pmax<2.5MW e
Vrete<22kV (in alternativa il
trasformatore è installato all’esterno)

Test completo in fabbrica sul container
assemblato prima della spedizione.

Soluzione mobile

Riduzione dei tempi di installazione &
commissioning

Costi di trasporto ridotti

Container “non-walk-in” per la
sicurezza degli addetti ai lavori
Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell’Energia – 1/2
PCS 100 ESS Container – Layout tipico
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Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell’Energia – 1/2
Componenti
Rete AC (tipicamente MT)
PT
ΔT
EMS/SCADA
CT
Protezione/misure
HMI
Internet
ABB PLC
Produzione di
energia rinnovabile
PC remoto
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BMS
Batterie
Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell’Energia – 1/2
PCS 100 ESS – Schema di principio
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Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell’Energia - 2/2
DynaPeaQ / SVC Light con Batterie (MT)
Layout tipico per sistema da 20 MW per 15 min +/-30 MVAr continui
65 m
50 m
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Soluzioni ABB per lo Stoccaggio dell’Energia - 2/2
DynaPeaQ – Caratteristiche principali
Scalabilità
Pload Qload
generator
line
Progetti modulari, in cui il numero di
stringhe di batterie è variabile secondo
l’applicazione richiesta.

E’ possibile installare successivamente
stringhe di batterie aggiuntive.

I convertitori sono dimensionati per
consentire il controllo della potenza
reattiva.
load
Pinj
Qinj
Energy
storage
SVC Light
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
Flessibilità

I cicli di carica e scarica sono
totalmente flessibili.

Si possono impostare cicli di carica
veloce (ad alta potenza) o lenti (ad alta
energia)
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Argomenti di discussione
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June 29, 2011 | Slide 31
1.
Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
2.
Tecnologie di stoccaggio
3.
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico
4.
Soluzioni ABB per l‘ Energy Storage
5.
Referenze
6.
Conclusioni
Referenze – 1/6
Applicazione in parco eolico (progetto pilota)

No. 1 x 400kW (PCS 100 ESS)
composto da:



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Quadro inverter da esterno (rating
NEMA 3R), con:

PCS100 ESS, 5-moduli

Quadro di controllo ed
ausiliari

AC & DC breaker
Quadro trasformatore da esterno (rating
NEMA 3R):

Trasformatore 480V /
10.5kV, 50Hz

Interruttore MT

Strumentazione MT
(CT, PT …)
Tipologia batterie: Li-Ion
Referenze – 2/6
Applicazione per peak shaving (progetto pilota US)
Container per
PCS e Batterie
Sistema da 500
kW PQ (30
seconds) &
100 kW (720
kWh) Peak
Shaving


Richieste cliente

Progetto pilota

Peak Shaving

Power Quality
Scopo di fornitura ABB


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Il convertitore ABB PCS 100 ESS è
utilizzato per il monitoraggio/controllo
della tensione di rete (funzionamento
tipo UPS). Se avviene un calo di
tensione il sistema isola il carico dalla
rete e lavora in isola con batterie. Il
sistema si ricollega non appena la
tensione rientra nei valori minimi
richiesti
Tipologia batterie: NaS
Referenze – 3/6
Applicazione per NYPA (progetto pilota US)
1MW / 6.5MWHr

Richieste cliente



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Load Leveling / Peak Shaving
Scopo di fornitura ABB

Il sistema lavora in parallelo con la rete
durante il giorno per alimentare
compressori e si ricarica di notte.

La domanda di energia per i
compressori viene “spostata” di notte”,
a costi minori.

Minori costi per disponibilità di potenza
di picco (vantaggio anche per il gestore
di rete)

PCS 100 ESS ha funzioni di backup in
caso di black-out
Tipologia batterie: NaS
Referenze – 4/6
Ni-Cd ESS (Golden Valley Electric Association, Alaska, USA)

Applicazione


Scopo di fornitura ABB

ABB PCS deve fornire
abbastanza energia in caso di
guasti di rete per consentire la
produzione con generatori locali

Prestazioni


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Riserva operativa (Spinning
Reserve).

27 MW / 15 minutes

40 MW / 7 minutes
Sistema deve operare con
temperature esterne fino a -52°C
Tipologia batterie: Ni-Cd
Referenze – 5/6
Parco solare – Spagna (progetto pilota)
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June 29, 2011 | Slide 36

Parco solare localizzato in Spagna

Sistema da 1 MVA PCS100 ESS per il gestore del parco solare. Connessione in
BT a 400V, installazione indoor

Tipologia batterie: Li-Ion (560kWh, in container)

Scopo di fornitura ABB:

Convertitore PCS 100 ESS da 1 MVA, soluzione a rack

Trasformatore di interfaccia

Protezioni AC & DC.
Referenze – 6/6
Martham (progetto pilota in MT)

Integrazione di una wind-farm nella
rete di distribuzione, con accumulo
dell’energia generata e livellamento
del profilo di carico sul feeder

1 x 1 MVA (DynaPeaQ), composto da:

Convertitore da +/- 600 kVar

Batterie da 200 kWh

Esecuzione in container,
comprendente:

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
Reattore d’accoppiamento

Raffreddamento ad acqua

Quadro di controllo ed
ausiliari

AC & DC breaker
Tipologia batterie: Li-Ion
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Argomenti di discussione
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June 29, 2011 | Slide 38
1.
Introduzione – Energie rinnovabili & rete elettrica
2.
Tecnologie di stoccaggio
3.
Applicazioni dei sistemi di stoccaggio energetico
4.
Soluzioni ABB per l‘ Energy Storage
5.
Referenze
6.
Conclusioni
Sistemi di stoccaggio dell’Energia
Conclusioni
produ
cer
consumer
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June 29, 2011 | Slide 39

La stabilità del bilancio energetico è uno dei problemi maggiori da
considerare in presenza di produzione “intermittente”.

I sistemi di stoccaggio contribuiscono a stabilizzare produzione e
consumo di energia
© ABB Group
June 29, 2011 | Slide 40
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