Progetti Pilota Power Intensive: Descrizione degli impianti e delle tecnologie, Marco Pietrucci

Progetti Pilota Power Intensive:
Descrizione degli impianti e delle tecnologie
M. Pietrucci

Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
Milano, 27 settembre 2017 2
Agenda
Impianti Storage Lab
Principali caratteristiche delle tecnologie installate
Prove sperimentali in sito

S.E. CODRONGIANOS - SARDEGNA
S.E. CIMINNA - SICILIA
Taglia pianificata (MW) ≈ 7,3 MW
In sperimentazione ≈ 5,55 MW
Numero SdA pianificati 8
Numero SdA in sperimentazione 6
Taglia pianificata (MW) ≈ 8,65 MW
In sperimentazione ≈ 7,9 MW
Numero SdA(1) pianificati 9
Numero SdA in sperimentazione 8
Progetto Storage Lab
Sistemi e MW installati
Servizi di rete
 Regolazione primaria ultrarapida
 Regolazione secondaria
 Integrazione sistemi di difesa
Assessment tecnologico
 Testing in ambiente grid scale e module scale
 Esercizio on grid
 Valutazione e comparazione performance
chiave
Sviluppo sistemi di controllo innovativi
 Sviluppo di un Sistema di Controllo Avanzato
per la gestione di impianti di storage
multitecnologici VSP (Virtual Storage Plant)
L’ambizioso programma sperimentale del progetto Storage Lab prevede sia fasi di testing in ambiente grid
scale e module scale, sia l’analisi dell’esercizio on grid delle diverse tecnologie
(1) Sistemi di Accumulo

Storage Lab: applicazioni
InerziaRegolazione
Terziaria
Supporta la regolazione
secondaria,
ripristinandone la
relativa disponibilità ai
fini del bilanciamento
Regolazione
Secondaria
Riporta la frequenza ai
valori nominali anche
regolando lo scambio tra
aree
Regolazione
primaria
Si oppone alla
variazione di frequenza
rispetto al riferimento
contenendone lo scarto
15 – 120 minuti
Power
Time30 secondi
100-200 secondi
frequenza Primaria Secondaria Terziaria
In passato… …in futuro!
La primaria contiene la
variazione di frequenza
La secondaria ripristina il
valore nominale
La terziaria ripristina le
risorse di secondaria
Tempo
Inerzia: resistenza
istantanea del Sistema
al mutamento delle
condizioni di equilibrio
Le tecnologie dello Storage Lab sono state selezionate per fornire regolazioni veloci …

Milano, 27 settembre 2017 5 5
• Procurement
on going
PowerIntensive
EnergyIntensive
9,2 MW
installed
3,4 MW
installed
0,85 MW
in commissioning
35 MW
installed
30 – 60 seconds 0,5 – 1 hour 2 – 4 hours P & E are decoupled 8 hours
Storage time
Tecnologie installate
Storage Lab
… e coprono la gran parte delle famiglie tecnologiche disponibili sul mercato

Litio Ferro Fosfato 1,0 MW 1,23 MWh
Litio Nichel Cobalto
Alluminio
0,9 MW 0,57 MWh
Litio Manganese 1,0 MW 0,92 MWh
Litio titanato 1,0 MW 1,02 MWh
Nichel-Cloruro di
Sodio
1,2 MW 4,15 MWh
Flusso - Vanadio 0,45 MW 1,44 MWh
CODRONGIANOS CIMINNA
Litio Ferro Fosfato 1 MW 1,23 MWh
Litio Nichel Cobalto Alluminio 1,2 MW 0,93 MWh
Litio Manganese 1 MW 0,92 MWh
Litio Nichel Manganese Cobalto 1,08 MW 0,54 MWh
Litio titanato 1 MW 1,02 MWh
Nichel-Cloruro di Sodio 1,2 MW 4,15 MWh
Nichel-Cloruro di Sodio 1 MW 2,00 MWh
Flusso - Vanadio 0,4 MW 1,10 MWh
Impianti Storage Lab e tecnologie installate
In entrambi i siti sono installate soluzioni appartenenti alle famiglie tecnologiche litio, ZEBRA e flusso.
Gli impianti saranno completati con l’ulteriore installazione di sistemi supercapacitori
Tecnologia Taglia Tecnologia Taglia
Non oggetto del Report 2016

7
Layout d’impianto
Area Set – Up MT Area SdA
Per perseguire gli obiettivi sperimentali, gli impianti Storage Lab sono composti da un’area SdA suddivisa in piazzole
(una per tecnologia) ed un’ulteriore area per la connessione delle sezioni di potenza, il controllo e la supervisione
Area Set Up MT
 Sistema di controllo centrale
 Quadro MT di impianto
(doppia semisbarra)
 Sistemi ausiliari
Area SdA
 Insieme di piazzole, una per tecnologia, per l’installazione dei
diversi sistemi di accumulo.
 Ciascuna piazzola è connessa per la parte di potenza, controllo
e servizi ausiliari con l’Area Set-Up MT
SdA: Sistemi di Accumulo

SdAn
SCI
BMSBMS
PCS
Controller
SdA2
Stallo
AT
Scada Lab RTU
UPDM
SPCC + RTU
SdA1
SERVIZIAUSILIARI
Sistema di controllo
Scada Lab
 Sistema di controllo locale dove sono
implementate le logiche di controllo,
conduzione e monitoraggio dell’intero
impianto Storage Lab
 Ad oggi la conduzione ed il controllo
avviene a livello di singolo SdA
UPDM
(Unità Periferica Difesa e Monitoraggio )
 Apparato periferico del Sistema di Difesa
Terna attraverso il quale vengono
garantite le funzionalità orientate allla
sicurezza del Sistema Elettrico
Il Sistema di Controllo locale che comunica con tutti gli SdA è lo Scada Lab, che ad oggi consente
il controllo e la conduzione, da locale e da remoto, a livello di singolo Sistema di Accumulo

Container Batterie
PCS container
L’assemblato batterie è composto da
molteplici celle elettrochimiche
opportunamente connesse in serie e
parallelo.
Il footprint standard di una soluzione lithium
based 1MW/1MWh prevede una piazzola 15x20m
Tutte le soluzioni lithium based installate sono containerizzate e necessitano di un’area di installazione pari a circa 15x20m
cellamodulo
armadio/rack
Tecnologie lithium-based
Caratteristiche generali (1/2)

Esistono diverse tipologie di batterie lithium based, distinte
principalmente per i composti chimici utilizzati per
realizzare anodo, catodo ed elettrolita. La natura degli
elementi utilizzati influenza notevolmente le
performance e le caratteristiche della cella.
La potenza di carica e scarica è normalmente
indipendente dallo stato di carica, al netto di stati di
carica molto prossimi allo 0% e al 100%
Tempo di avvio da stato di fermo nell’ordine dei minuti
(non è necessaria alcuna fase di predisposizione termica)
Alcune tecnologie litio necessitano periodicamente di
eseguire dei cicli di calibrazione per stabilizzare le
tensioni di cella ad un valore comune
0%
25%
50%
75%
100%
125%
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
P
SOC
Tecnologie lithium-based
Caratteristiche generali(2/2)
0%
25%
50%
75%
100%
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Potenza attiva in scarica
Potenza attiva in carica
P
SOC

Tecnologie ZEBRA
Container Batterie
PCS container
L’assemblato batterie è composto da
molteplici celle elettrochimiche
opportunamente connesse in serie e
parallelo.
Il footprint standard di una soluzione ZEBRA
1,2MW/4MWh prevede una piazzola 20x25m
Tutte le soluzioni ZEBRA installate sono containerizzate e necessitano di un’area di installazione pari a circa 20x25m. Al
contrario delle litio i moduli sono direttamente connessi al bus DC (non sono quindi connessi in serie nei rack)
modulo
batteria

Le batterie al sodio-nickel (NaNiCl2) sono costituite
da celle funzionanti a caldo ad una temperatura
compresa tra 260°C e 350°C.
La potenza di carica è strettamente dipendente
dallo stato di carica
Tempo di avvio da stato di fermo fino a 12h per
warm up del Sistema (necessaria una fase di
predisposizione termica)
Tutte le tecnologie ZEBRA necessitano
periodicamente di un ciclo di calibrazione volto a
stabilizzare le tensioni di cella e ad azzerare l’errore
di calcolo del SOC
Tecnologie ZEBRA

Tecnologie flusso
PCS container
La sezione di conversione è composto da
 Coppia di Elettroliti in due Serbatoi
 Cella (stack) suddivisa da membrana
dove avviene il passaggio di ioni
 Pompe di circolazione
Il footprint standard di una soluzione flusso
0,4MW/1,5MWh prevede una piazzola 15x20m
Le soluzioni flusso installate necessitano di un’area di installazione pari a circa 20x25m. Oltre agli stack di conversione,
assimilabili ai rack della soluzione litio, le flusso sono caratterizzate dalla presenza di serbatoi contenenti l’elettrolita
Serbatoi e Stacks

Agenda

SCI
PCS
Controller
BMS
Assemblato batterie: insieme delle celle
elettrochimiche attraverso le quali è possibile
accumulare e rilasciare energia
Battery Management System (BMS): sistema
di controllo che monitora i principali parametri di
funzionamento dell’assemblato batterie, garantendo
il funzionamento in sicurezza dello stesso
Power Conversion System(PCS): sistema
elettronico che effettua la conversione da
corrente continua a corrente alternata
PCS Controller: sistema di controllo che pilota
il PCS portandolo ad erogare la potenza
attiva/reattiva richiesta
Altro: Trasformatore di accoppiamento,
servizi ausiliari, quadro MT con relativi organi
di manovra e protezione
Sistema di Controllo Integrato: sistema che
interfacciandosi con il BMS e il PCS Controller
garantisce il corretto funzionamento e l’esercizio
in sicurezza dell’EESS. Implementa al suo interno
tutte le funzioni di controllo e monitoraggio
dell’EESS.
Sistema di accumulo: componenti principali
Sezione di potenza Sistemi di controllo

Caratteristiche SdA SAFT
• Tecnologia Litio Nickel Cobalto Alluminio
• Potenza nominale 1,2 MW
• Energia nominale 0,93 MWh
• Potenza di sovraccarico (1 min) 1,6 MW
• Numero di cicli effettuabili >3000
• Caratteristiche ciclo di calibrazione Non richiesto
• Tipologia PCS Bistadio
• Numero container 2 (20ft) + 1 (40ft)
Potenza di carica diversa
dalla potenza di scarica
Soluzione con la più elevata
potenza di sovraccarico (+33% Pn)
(1) Sistema Ciminna 0,9MW/0,57MWh
Batterie: SAFT
Sistema di conversione Nidec
Installazione: Saft/Nidec
Sistema di ctrl: Nidec
Parametri principali
1,2 MVA
1,6 MVA
0,95MVA
Q
P

Caratteristiche SdA BYD
Batterie: BYD
Installazione: Saet Impianti
Sistema di ctrl: Saet Impianti
• Tecnologia Litio Ferro fosfato
• Caratteristiche ciclo di calibrazione se richiesto – fino a 4h
• Tipologia PCS bistadio
• Numero container 2 (40ft)
Ciclo di calibrazione su richiesta
(secondo le condizioni di esercizio)
1,0 MVA
1,2 MVA
Q
P

Caratteristiche SdA Samsung
Batterie: Samsung
Sistema di conversione Woodward
Installazione: Green Utility
Sistema di ctrl: Younicos
• Tecnologia Litio Manganese
• Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni 6 mesi in manutenzione
• Tipologia PCS monostadio
Inverter sovradimensionato
rispetto alla potenza delle
batterie (Capability ridotta)
Ciclo di calibrazione eseguito
durante la manutenzione (di
norma ogni 6 mesi)
1,4 MVA
Q
1,0 MW P
1,3 MVA

Caratteristiche SdA Siemens
Batterie: LG
Sistema di conversione Siemens
Installazione: Siemens
Sistema di ctrl: Siemens
• Tecnologia Litio Nichel Manganese Cobalto
• Caratteristiche ciclo di calibrazione -
• Tipologia PCS monostadio distribuito (per rack)
• Numero container 1 (misure non standard)
Rapporto Energia/Potenza pari a 0,5
Inverter monostadio distribuito
(12 inverter - uno per rack)
1,08 MVA
1,15 MVA
Q
P

Caratteristiche SdA Toshiba
Batterie: Toshiba
Sistema di conversione EPS (Elvi)
Installazione: Toshiba/ EPS (Elvi)
Sistema di ctrl: EPS (Elvi)
• Tecnologia Titanato di litio
• Numero di cicli effettuabili >> 6000
• Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni mese – fino a 2h
• Tipologia PCS monostadio (x4)
Maggior numero di cicli vita tra
le soluzioni installate
EPS tra i primi a sviluppare un
sistema di controllo compliant
con le richieste Terna
1,0 MVA
1,3 MVA
Q
P

Caratteristiche SdA Fiamm (FZSonick)
Batterie: FIAMM
Installazione: Tozzi Sud
• Tecnologia ZEBRA
• Energia nominale 4,15MWh
• Numero di cicli effettuabili > 4500
• Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni 12gg – fino a 12 h
Rapporto
energia/potenza più
elevato tra le
soluzioni dello
Storage Lab
Ciclo di calibrazione
frequente, ma
potenzialmente
«trasparente»

Caratteristiche SdA General Electric
Batterie: GE
Sistema di conversione EPS (Elvi)
Installazione: GE/ EPS (Elvi)
Sistema di ctrl: EPS (Elvi)
• Tecnologia ZEBRA
• Numero di cicli effettuabili > 4500
• Caratteristiche ciclo di calibrazione ogni settimana – fino a 15h
• Tipologia PCS monostadio (x4)
1,0
0,6
0,8
0,4
0,2
0
Fornitura avviata
con sistema Xtreme
Power (poi fallita)
GE ha comunque
completato la fornitura
con il supporto di EPS
P (MW) 0,5MW
0,67M
W
1,0 MW
0,25 MW

Caratteristiche SdA Gildemeister
Batterie: Gildemeister
Installazione: Green Utility
• Tecnologia Flusso - vanadio
• Numero di cicli effettuabili -
• Tipologia PCS bistadio (DC/DC distribuito)
Soluzione che si sviluppa in
altezza, con gli stack presenti
nei container superiori e i
serbatoi allocati nei container
inferiori
Cicli vita non applicabili per
rigenerazione elettrolita e
cambio membrane
0,4 MVA
0,48 MVA
Q
P
OUT OF REPORT 16

Caratteristiche SdA Rongke Power
Batterie: Rongke Power
Installazione: Saet Impianti
Sistema di ctrl: Saet Impianti
• Tecnologia Flusso - vanadio
• Numero di cicli effettuabili -
• Numero container 4 (20ft) + 1 (40ft)
Serbatoi allocati dentro ai
container assieme agli stack
Cicli vita non applicabili per
rigenerazione elettrolita e
cambio membrane
0,45 MVA
0,54 MVA
Q
P
OUT OF REPORT 16

Agenda

TEST
Validazione delle performance dell’EESS in termini:
• Energia Nominale
• Efficienza del sistema
Ciclostandard
Potenza Attiva (MV)
Potenza attiva assorbita dagli ausiliari (LV)
Ciclo Standard: il ciclo utilizzato consiste in
una fase di scarica seguita da una fase di
carica a potenza nominale. Sono ammesse
fasi di stand-by tra un ciclo e l’altro
preventivamente concordate con il fornitore
della tecnologia.
Fase di scarica
Fase di carica
Obiettivo
Procedura
Test di rendimento
Procedura

Test di rendimento
Evidenze
Zebra
Round trip
lordo
(no AUX)
77,0%
87,0% 83,0%
89,0% 85,5%
90,5% 85,5%
89,2% 86,4%
82,3% 80,1%
94,5%
95,7%
96,0%
97,0%
90,0%
Modulo Grid Scale Balance of System Ausiliari
-7,5% -4,0%
-6,7% -3,5%
-6,5% -5,0%
-6,8% -2,8%
-7,7% -2,2%
89,9%
96,0%
SdA 5
SdA 1
SdA 4
SdA 6
SdA 7
SdA2
SdA3
82,3%86,9%
78,7% -11,2% -1,7%
-9,1% -4,6%
altre perdite consumi
Flusso
65,3 %
70,0% 65,2%- - -4,8%
-
SdA 8
SdA 9 70,3 % - 5 %
netto
(con AUX)
Le tecnologie Litio mostrano
rendimenti più elevati rispetto
alle Zebra e alle flusso
LithiumBased
Per le tecnologie flusso non è
stato misurato il rendimento
round trip in quanto ritenuto poco
significativo eseguito su uno
stack isolato.
Le ZEBRA quando ciclate non
subiscono un impatto
significativo dai servizi
ausiliari

Test di inversione rapida
Tempi di risposta
Capacità di invertire entro 200ms dalla richiesta il flusso di potenza, erogando
anche la potenza di sovraccarico
Inversione di
potenza in
meno di 100ms
Overload +130%
Trigger
Potenza nominale
(-100%)
Scatto
Max. Produzione
Max. Assorbimento
SdAn
SCI
BMSBMS
PCS
Controller
SdA2
StalloAT
Scada Lab RTU
UPDM
SPCC + RTU
SdA1
SERVIZIAUSILIARI

Compensatore
Sincrono
Storage
Lab
Prova del 29 novembre 2015
Funzionamento in isola al fine di mantenere in esercizio il
Compensatore Sincrono tramite i sistemi di accumulo per il
tempo necessario al ripristino delle condizioni normali di
funzionamento della RTN.
Test isola con compensatore
Integrazione Compensatore Sincrono – Storage Lab(1/2)
Elementi di rete mantenuti in esercizio
 Compensatore sincrono (250MVA)
 Autotrasformatore 380/150kV (250MVA)
 Trasformatore 150/15kV (40MVA)
 Sistemi di sbarre 380kV/150kV
SdA utilizzati
 SdA1
 SdA2
 SdA5
 SdA7
Obiettivo del Test
Nel Novembre 2015 è stata eseguita una prova di esercizio in isola tra lo Storage Lab e
un compensatore sincrono da 250MVA presente nella SE di Codrongianos

Test isola con compensatore
Integrazione Compensatore Sincrono – Storage Lab (2/2)
Creazione Isola elettrica
Potenza attiva
dallo Storage Lab
Sistema in isola
SdA erogano potenza
Isola a regime
0,5s
3 s
2 MW
4 MW
0 MW
Frequenza
dell’isola
50,0 Hz
50,1 Hz
49,9 Hz
49,8 Hz
50,2 Hz
Regolazione rapida degli SdA che in 0,5s iniziano ad
erogare potenza attiva, arrestando la variazione di
frequenza in 3 secondi
Frequenza a regime pari a ≈49,85 Hz
Mantenuta l’isola per 18 minuti prima di
riconnettersi a rete
Tutti gli elementi della rete in isola sono stati
alimentati nei limiti di normale funzionamento

Key findings
Gli impianti Storage Lab sono stati progettati per sperimentare e validare caratteristiche e performance delle
principali tecnologie disponibili sul mercato per applicazioni power intensive
Ogni tecnologia mostra proprie peculiarità che devono essere considerate in funzione dell’applicazione/servizio
che si intende implementare, quali dipendenza della potenza attiva dal SOC, caratteristiche del ciclo di calibrazione,
numero di cicli vita, potenza di sovraccarico.
Le Litio mostrano rendimenti più elevati delle Zebra e delle flusso. Tuttavia le ZEBRA risentono meno dell’effetto del
re-loaded e, se fatte ciclare, non subiscono perdite significative per effetto dei servizi ausiliari.
I sistemi di accumulo installati mostrano caratteristiche di regolazione ultrarapide, asservibili sia alle logiche del
sistema di difesa, nonché in integrazione con altri elementi di rete (compensatori sincroni).

Tecnologie lithium based
La cella elementare è costituita da due
elettrodi con interposto un elettrolita
Le tecnologie lithium based esistono di diverse tipologie, e, pur restando il funzionamento analogo, la scelta dei
materiali, principalmente catodici, influenza notevolmente le performance e le caratteristiche della cella
Solitamente l’elettrodo negativo o
(anodo) è composto di carbonio con
intercalati al suo interno ioni di Litio,
mentre l’elettrodo positivo (o catodo) è
composto da un ossido di metallo (o più
metalli) con intercalati ioni di litio
Principio di funzionamento
Caratteristiche:
• Rapporto energia/potenza ≈ 0,5-2
• Rendimento > 90%
• Peso limitato
• Autoscarica molto bassa ≈ 1% al
mese
Performance:
• Le massime potenze di carica e scarica
possono assumere valori differenti
(capability asimetriche)
• Non richiedono di essere riscaldate
• Richiedono periodicamente di effettuare
un “ciclo di bilanciamento” per portare
tutte le celle allo stesso valore di stato di
carica

Tecnologia ZEBRA
Le batterie al sodio-nickel (NaNiCl2)
sono costituite da celle funzionanti a
caldo ad una temperatura compresa tra
260°C e 350°C.
L’elettrodo negativo (o anodo) è
costituito da sodio liquido ed è
separato dal catodo dall’elettrolita
solido detto beta-allumina,
elettricamente isolante ma in grado di
condurre ioni sodio.
L’elettrodo positivo (o catodo) è
costituito da cloruro di nichel
impregnati da un ulteriore elettrolita
(NaAlCl4) liquido alle temperature di
funzionamento
Caratteristiche:
• Rapporto energia potenza ≈ 2-4
• Rendimento al lordo dei servizi
ausiliari ≈ 90%
• Rendimento al netto dei servizi
ausiliari < 85%
• Elementi costituenti gli elettrodi
abbondanti in natura e facilmente
riciclabili
Performance:
• La potenza di carica dipende dallo stato
di carica (SOC) della batteria, mentre la
potenza di scarica ne è indipendente
• Richiedono di essere riscaldate e
pertanto la fase di accensione di un
sistema ZEBRA può durare fino a 12h
• Richiedono periodicamente di effettuare
un “ciclo di bilanciamento” per portare
tutte le celle allo stesso valore di stato di
carica

Foto Installazioni
CODRONGIANOS
Visione d’insieme
CIMINNA
Dettaglio installazioni

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