July 2012

Tecnica impiantistica SMA per la rete pubblica del futuro

Per garantire il futuro approvvigionamento di energia è necessaria una tecnologia innovativa. Solo così è possibile gestire efficacemente la rete e i carichi per tutti i livelli. SMA offre già oggi soluzioni per soddisfare le esigenze del futuro.

L’obiettivo dell’Associazione Europea dell’Industria Fotovoltaica (EPIA) è ambizioso: entro il 2020 il 12% del fabbisogno energetico dovrà essere prodotto da impianti fotovoltaici (attualmente la quota è pari all’1%). Tale obiettivo è stato formulato in base allo studio commissionato all’EPIA “SET for 2020” che esamina un cambiamento di paradigma nell’approvvigionamento energetico. Il risultato è evidente: se si considerano infatti la continua riduzione dei costi e l’aumento costante di efficienza, tale percentuale del 12% si rivela tutt’altro che utopica, oltre che vantaggiosa dal punto di vista economico.
Per quanto riguarda la Germania, tale obiettivo comporta anche un aumento evidente della potenza FV installata. Entro il 2020 si prevede infatti una crescita dagli attuali 5,5 GW a circa 80 GW. Con lo studio sull’integrazione in rete di massimo 50 GW di potenza FV, l’Istituto per le Soluzioni Tecnologiche Solari per l’Alimentazione elettrica (ISET) ha dimostrato chiaramente l’esistenza di una relazione ottimale tra la potenza FV e il carico di rete. La corrispondenza temporale tra consumo e generazione è tale da consentire l’immissione di energia solare su questa scala senza ulteriori misure.

Fig. 1: esempio dell’andamento del carico in Germania con una potenza FV installata pari a 50 GW (fonte: ISET)

Un cambiamento di paradigma necessario

Per l’integrazione in rete di 80 GW di potenza FV è tuttavia necessario un cambiamento di paradigma. In futuro utenze, generatori e rete dovranno infatti essere collegati in un sistema intelligente di approvvigionamento energetico. La generazione richiede una gestione di rete estesa a tutti livelli di tensione proprio in ragione della crescente decentralizzazione a cui sarà soggetta in futuro. Poiché sempre entro il 2020 si prevede che la maggior parte degli impianti FV immetterà corrente nella rete di bassa tensione, sarà necessario considerare attentamente tutte le implicazioni di tale scenario. Un primo passo in questa direzione potrebbe essere rappresentato dalla revisione dal punto di vista tecnico e dei contenuti della Direttiva sulla bassa tensione[1], attualmente in discussione. Tuttavia, anche la cosiddetta gestione dei carichi è un presupposto per lo scenario EPIA, da un lato tramite il consumo in funzione della produzione, dall’altro mediante l’impiego di moderne tecnologie di accumulo.

[1] Direttiva per il funzionamento in parallelo di impianti di generazione sulla rete di bassa tensione

SMA offre soluzioni per le esigenze future

A questo punto vale la pena di esaminare da vicino le future esigenze di approvvigionamento energetico e le molteplici possibilità offerte dalla tecnologia SMA. Già oggi infatti SMA è in grado di offrire soluzioni innovative per soddisfare le esigenze di domani. Società all’avanguardia tecnologica nel campo dell’alimentazione elettrica sicura per sistemi ad isola, SMA vanta una lunga esperienza nell’ambito della regolazione rapida e precisa di reti a corrente alternata. SMA ha contribuito in modo determinante anche all’emendamento della nuova Direttiva europea sulla media tensione BDEW che tiene in considerazione gli interessi del fotovoltaico, e con i nuovi modelli Sunny Central 400/500/630HE soddisfa già ora requisiti che diventeranno vincolanti a partire dalla metà del 2010.
E l’innovativo sistema di backup di SMA non solo garantisce la massima sicurezza dell’approvvigionamento ma fornisce anche funzioni specifiche per la gestione di rete e dei carichi.

1. Gestione della rete a livello di bassa tensione

La potenza reattiva consente di stabilizzare la tensione di rete e di creare un equilibrio tra gli sfasamenti già presenti sul punto di collegamento alla rete. Grazie alla compensazione della potenza reattiva si riduce il carico sull’infrastruttura di rete, un fattore importante se si considerano le sollecitazioni a cui è spesso soggetta la rete di bassa tensione. L’immissione di potenza reattiva induttiva può essere tuttavia sfruttata anche per abbassare la tensione nella rete di bassa tensione.
Il motivo? A causa della resistenza prevalentemente ohmica, l’immissione di potenza attiva nella rete di bassa tensione comporta un aumento della tensione. Sebbene la caratteristica ohmica riduca anche l’incidenza della potenza reattiva di abbassamento della tensione, è possibile tuttavia compensare 20% - 50% dell’aumento di tensione, consentendo un’immissione complessiva maggiore di potenza attiva FV.
L’immissione in rete di potenza reattiva con un fattore di sfasamento compreso tra 0,9induttivo e 0,9capacitivo è parte già del progetto della Direttiva sulla bassa tensione. L’attuazione dal punto di vista tecnico non rappresenta alcun problema per gli attuali inverter SMA, alcuni Sunny Mini Central e Sunny Tripower, presentato in occasione della fiera Intersolar, sono già in grado di controllare un fattore di sfasamento pari a 0,8.

2. Più sicurezza nella rete

Una componente importante della regolazione di rete è anche l’equilibrio costante tra generazione e consumo di energia, dal momento che la rete non è di per sé in grado di accumulare l’energia. Anche se un calo di potenza nella rete locale di bassa tensione non incide in modo determinante sulla frequenza, nella rete considerata nel suo insieme la frequenza costituisce tuttavia il valore di regolazione determinante. Questo implica che ogni disequilibrio tra la generazione e il consumo viene registrato come scostamento di frequenza, compensato dalle grandi centrali elettriche di tipo convenzionale. La rete europea UCTE (Unione per il coordinamento della trasmissione di elettricità) dispone attualmente di una riserva primaria regolamentare corrispondente a 3 GW, sufficiente a compensare il blackout simultaneo di due grandi centrali nucleari.

La potenza FV installata nella rete tedesca di bassa tensione corrisponde già oggi a più di 4 GW, lo scenario EPIA prevede per il 2020 40 GW solo nella rete di bassa tensione. Già oggi è pertanto quasi impossibile compensare con la riserva regolamentare primaria una disinserzione simultanea di tale potenza FV, se interviene, ad esempio, un guasto nella rete di alta tensione. E tale guasto non è affatto da escludere a priori: in caso di uno scollegamento della rete in più zone di regolazione, non avrebbe infatti più luogo il bilanciamento del carico. Risulterebbero pertanto zone di rete caratterizzate da sovrafrequenza o sottofrequenza, secondo le norme attuali in entrambi i casi tutti gli impianti FV si disinserirebbero di colpo.
Al fine di garantire l’approvvigionamento nella rete pubblica è pertanto indispensabile che anche gli inverter FV che alimentano la rete di bassa tensione riducano, in caso di aumento della frequenza, la propria potenza di immissione. Per quanto concerne SMA, a tale funzione ricorrono non solo gli attuali inverter centrali, che soddisfano in tal modo i requisiti previsti dalla normativa sull’immissione in media tensione; nei sistemi di reti ad isola accoppiati CA la potenza FV viene regolata già da anni tramite la frequenza. Tale funzione è presente pertanto in quasi tutti gli inverter e, modificando pochi parametri, può essere adattata alle condizioni della rete.

Fig. 2: riduzione regolata della potenza di inverter solari SMA in reti ad isola. Tale funzione può eventualmente essere attivata anche per gli inverter collegati in parallelo alla rete.

3. Decongestionamento della rete tramite gestione del carico

Smart Grid per un controllo intelligente del carico

In futuro le procedure di ripartizione dei carichi in questo contesto rivestiranno un ruolo sempre più importante. Sono plausibili dei controlli intelligenti che creino sul lato utenza delle cosiddette SmartGrid, la cui funzione è appunto quella di inserire o disinserire le diverse utenze elettriche in funzione dell’offerta di energia, tenendo conto peraltro sia del fabbisogno delle rispettive apparecchiature, sia della produzione prevista. La lavatrice viene pertanto inserita automaticamente verso mezzogiorno, oppure, per il congelatore viene avviato il ciclo di surraffreddamento durante il giorno, mentre di notte viene accumulata la bassa temperatura. Alla gestione dei carichi si presta quindi ogni utenza dotata anche di possibilità di accumulo o non vincolata a determinati tempi di funzionamento.

Fig. 3: consumo medio di una famiglia di 4 persone in un giorno estivo sovrapposto alla potenza giornaliera erogata da un impianto fotovoltaico da 5 kWp

Nuovo regolamento sul consumo diretto

L’idea di un consumo razionale viene ripresa dalla Legge tedesca emendata sulle energie rinnovabili (EEG) con il nuovo regolamento sul consumo diretto. In primo luogo consente e promuove il consumo di energia solare “in prossimità diretta dell’impianto”. L’energia, infatti, che viene consumata direttamente nella propria abitazione non grava sulla rete ed evita le perdite superflue dovute al trasporto. Nel momento in cui l’impianto fotovoltaico fornisce la corrente necessaria, la lavastoviglie, ad esempio, funzionerà utilizzando l’energia solare, quindi verrà meno il prelievo di corrente dalla rete, come pure l’immissione nella rete dell’energia solare generata.
Anche le aziende elettriche rivolgono un interesse sempre maggiore alla gestione dei carichi: tramite i contatori intelligenti, i cosiddetti “Smart Meter”, si intende offrire in futuro un incentivo finanziario ai fini del controllo dei consumi. Il prezzo della corrente non sarà quindi più fisso ma rispecchierà l’offerta e la domanda nella rete dell’energia. In fasce orarie caratterizzate da forte irraggiamento solare e carichi bassi si riscontrerà pertanto un prezzo conveniente dell’energia, in grado di motivare al consumo i clienti (o la rispettiva SmartGrid). Questo meccanismo comporta in conclusione una riduzione delle oscillazioni di carico nella rete, riducendo peraltro i carichi sull’infrastruttura della stessa.
Attualmente l’impiego dei contatori intelligenti si limita ancora ad un monitoraggio trasparente del consumo. Esistono tuttavia già apparecchi in grado di registrare i profili di consumo, di calcolare l’energia sulla base di tariffe differenti e di pilotare i carichi.
In riferimento al consumo diretto di energia solare, gli studi mostrano che determinati sistemi di incentivazione e gestione dei carichi consentono di raggiungere una quota di consumo diretto compresa tra il 30% e il 50% nella media annuale, un passo importante in vista del futuro scenario di un approvvigionamento sostenibile di energia. Anche se il consumo diretto di energia, considerati gli attuali prezzi dell’elettricità, non vale ancora la pena da un punto di vista finanziario, con gli attuali inverter Sunny Boy SMA offre la possibilità di attivare le utenze tramite un relè multifunzione[2], non appena si dispone di potenza FV sufficiente.

[2] A tale fine sarà presto disponibile un aggiornamento gratuito del firmware

4. Un’integrazione ragionevole: l’accumulo temporaneo di energia

Nello scenario energetico presentato dall’EPIA per il 2020 l’adattamento temporale di consumo e generazione non sarà da solo sufficiente a compensare l’intera sovraproduzione. Infatti, se la potenza dei generatori installati secondo la legge EEG è superiore al carico minimo nella rete, non sarà sempre possibile consumare completamente l’energia generata. Anche l’infrastruttura della rete di bassa tensione costituisce un fattore vincolante per il fatto di essere concepita unicamente per potenze medie di circa un kilowatt per abitazione collegata. Nel caso dei previsti 40 GW di potenza FV, nelle fasce orarie caratterizzate da forte irraggiamento solare e da carichi bassi è possibile che si raggiungano i limiti di capacità.
A questo punto, al posto di ridurre la produzione, è possibile ricorrere all’accumulo temporaneo a integrazione alla gestione dei carichi. La tecnologia odierna consente già di attuare tale accumulo, che offre inoltre ulteriori vantaggi quali scalabilità, affidabilità e sicurezza. L’accumulo temporaneo di energia permette di smorzare le oscillazioni a cui sono soggette le potenze di generazione, consentendo al contempo un consumo costante di energia indipendente dal momento di generazione. Il presupposto per un accumulo razionale è che questo avvenga in prossimità delle utenze e dei punti di generazione, al fine di ridurre effettivamente il carico della rete. Inoltre, poiché ogni accumulo comporta naturalmente anche dei costi, si consiglia di immagazzinare solo i picchi di generazione.
Anche per l’energia che verrebbe altrimenti “regalata” in seguito alla riduzione della potenza conviene già oggi l’accumulo, il cui costo, con la tecnica attuale a batteria, è solo di 10-20 cent per kilowattora, meno del prezzo di acquisto della corrente per clienti privati. Anche in questo caso, con il sistema Sunny Backup, SMA offre una soluzione di comprovata efficacia.

Il sistema Sunny Backup di SMA: tecnologia d’avanguardia per una gestione futura della rete

I gruppi Sunny Backup, disponibili in diversi livelli modulari, consentono non solo l’accumulo di energia solare, ma contribuiscono anche a soddisfare al meglio i requisiti della gestione di rete e dei carichi. Le principali funzioni sono tre:

In primo luogo un approvvigionamento ininterrotto di energia che, in caso di guasti alla rete, passi entro millesimi di secondo all’alimentazione tramite batteria caricata con energia solare e garantisca pertanto il funzionamento degli utilizzatori fondamentali.
In secondo luogo la possibilità di decidere liberamente l’orario di fruizione garantita dall’accumulo temporaneo di energia FV. Con l’ausilio della ripartizione dei carichi è possibile aumentare considerevolmente la quota di consumo diretto.
In terzo luogo, ogni sistema Sunny Backup può fornire alla rete un’energia di regolazione preziosa, sia positiva che negativa. Gli unici fattori limitanti sono costituiti unicamente dalla capacità delle batterie e dalla potenza dell’inverter di backup. Un numero adeguato di sistemi backup potrebbe pertanto contribuire alla regolazione della potenza attiva e della frequenza a prescindere dalla rete di bassa tensione e, per di più, 24 ore su 24. Una regolazione primaria e secondaria decentrata di questo tipo sarebbe conveniente e affidabile, tuttavia in questo senso mancano ancora adeguati incentivi economici.

Fig. 4: il sistema Sunny Backup di SMA offre più della semplice sicurezza di approvvigionamento

I gruppi Sunny Backup di SMA sono inoltre idonei a offrire ulteriori prestazioni di sistema, estremamente interessanti per la rete decentrata di approvvigionamento energetico del futuro. La ragione è evidente: un sistema di backup deve creare, in caso di guasto alla rete di alimentazione, una rete ad isola perfettamente funzionante. L’inverter a batteria assume la funzione di generatore di rete ed è responsabile della tensione, della frequenza, del fattore di sfasamento, del filtraggio di onde armoniche e dell’immissione di corrente di cortocircuito. Chi è in grado di garantire tutto questo in una rete ad isola, fragile al confronto, potrà sostenere in modo ottimale anche la rete pubblica. Le funzioni in dettaglio:

immissione di corrente di cortocircuito
Al contrario dei “normali” inverter comandati dalla rete, gli apparecchi sono in grado, in caso di caduta di tensione, di immettere corrente di cortocircuito e supportare pertanto la rete anche in caso di guasto. Sunny Backup 5000 fornisce, ad esempio, il quadruplo della corrente nominale come corrente di cortocircuito per 60 millesimi di secondo.

Compensazione della potenza reattiva
Gli inverter Sunny Backup di SMA possono fornire diverse percentuali di potenza reattiva. In altre parole: il fattore di sfasamento cos φ può essere compreso tra 0 e 1, è addirittura possibile un’immissione di potenza reattiva pari al 100%. Gli apparecchi possono in questo modo compensare la potenza reattiva per l’ammontare della rispettiva potenza nominale e regolare pertanto sempre su 1 (o su un qualsiasi altro valore desiderato) la differenza di fase sul punto di collegamento alla rete.

Filtraggio attivo di armoniche
Quando si parla di armoniche si intendono semplicemente gli scostamenti dal sinusoide ideale. Le armoniche nella rete pubblica sono generate da utilizzatori che prelevano dalla rete correnti di forma non sinusoidale, quali semplici raddrizzatori (caricabatterie, alimentatori di computer, ecc.) o le sempre più diffuse lampadine a risparmio energetico. Le armoniche generano carichi sulla rete, implicando perdite di energia e guasti alle apparecchiature, poiché la fisica della corrente alternata presuppone un andamento esattamente sinusoidale di corrente e tensione.
Gli inverter Sunny Backup di SMA sono in grado di individuare le armoniche presenti nella rete domestica e di compensarle completamente immettendo in rete una corrente di correzione in opposizione di fase. La rete di bassa tensione non verrà quindi più sollecitata da armoniche supplementari.

Conclusione: grazie alla tecnica impiantistica SMA lo scenario EPIA non è utopico

Il potere di assorbimento della rete di bassa tensione è un criterio importante per lo sviluppo della potenza FV nell’ottica dell’approvvigionamento energetico in futuro. Già oggi gran parte dell’energia generata proviene da questo livello della rete. La collaudata soluzione presentata da SMA ha l’obiettivo appunto di ridurre in modo efficace il carico su tale livello. Fungendo da accumulatore accoppiato alla rete, l’innovativo sistema di backup integra infatti misure razionali quali il consumo diretto e la gestione dei carichi e offre, inoltre, un approvvigionamento di energia a prova di guasto. Gli inverter Sunny Backup di SMA sono inoltre in grado di svolgere importanti funzioni di supporto al sistema per la rete di bassa tensione, quali la regolazione della potenza reattiva, l’immissione in rete di corrente di cortocircuito o il filtraggio di armoniche.

Produttore all’avanguardia per l’attuazione pratica della Direttiva europea sulla media tensione BDEW, SMA sostiene anche il coinvolgimento di inverter FV nella gestione calibrata della rete di bassa tensione. Oltre all’immissione di potenza reattiva, è soprattutto necessaria la regolazione di potenza in funzione della frequenza da parte di inverter accoppiati alla rete. Infatti attualmente la potenza di regolazione disponibile a livello europeo è a stento in grado di compensare una disinserzione in funzione della frequenza di tutti gli impianti FV nella rete di bassa tensione. Quasi tutti gli inverter SMA sono predisposti per tale regolazione di frequenza/potenza attiva, proprio perché impiegati da anni con successo per il controllo della potenza di generazione in reti ad isola.
Anche da questo punto di vista, i sistemi di accumulo accoppiati alla rete offrono un ulteriore vantaggio. Un insieme di più gruppi Sunny Backup distribuiti nella rete potrebbe infatti, come accumulatore decentrato di energia, fornire una potenza di regolazione sia positiva che negativa, 24 ore su 24, indipendentemente dalla potenza FV.
L’allacciamento di altri generatori secondo la legge EEG, quali impianti eolici o impianti di cogenerazione di piccole dimensioni, completa infine lo scenario del futuro approvvigionamento energetico anche per quanto riguarda la distribuzione stagionale. L’obiettivo dell’EPIA non è pertanto un’utopia ma può diventare una realtà. La tecnologia SMA offe in questo senso un contributo davvero considerevole.

Sommario

  1. Un cambiamento di paradigma necessario
  2. SMA offre soluzioni per le esigenze future
  3. 1. Gestione della rete a livello di bassa tensione
  4. 2. Più sicurezza nella rete
  5. 3. Decongestionamento della rete tramite gestione del carico
  6. Smart Grid per un controllo intelligente del carico
  7. Nuovo regolamento sul consumo diretto
  8. 4. Un’integrazione ragionevole: l’accumulo temporaneo di energia
  9. Il sistema Sunny Backup di SMA: tecnologia d’avanguardia per una gestione futura della rete
  10. Conclusione: grazie alla tecnica impiantistica SMA lo scenario EPIA non è utopico

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