RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Sviluppo sostenibile della generazione da fonti rinnovabili nei sistemi elettrici liberalizzati: aspetti tecnici, economici e gestionali.

Università di riferimento

Università degli Studi di CAGLIARI - INGEGNERIA ELETTRICA ED ELETTRONICA - CAGLIARI(CA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Fabrizio Giulio Luca PILO

Descrizione

Nei paesi industrializzati si registra una crescente penetrazione della produzione di energia da fonti rinnovabili, favorita da sistemi di incentivazione che mirano a ottenere una riduzione globale delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera. Tra le diverse fonti rinnovabili, l'eolica è quella che ha avuto il maggior impulso in termini di potenza installata e di energia prodotta grazie a costi di produzione del kWh assolutamente competitivi. Talvolta la generazione eolica è classificabile nel campo della generazione distribuita (Pn<10MW) ed è allacciata alla rete di distribuzione, talaltra gli aerogeneratori sono accorpati a formare delle forti concentrazioni di potenza (wind farm) tali da richiedere la connessione alla rete di trasmissione. Come ampiamente riportato in letteratura, la generazione eolica è spesso causa di problemi di qualità dell'alimentazione in quanto alle variazioni di disponibilità della fonte energetica primaria si associano variazioni più o meno pronunciate della tensione, che dipendono dalla caratteristica della sorgente, dal tipo di aero-generatori utilizzati e dall'impedenza della rete. Il problema è esaltato dal fatto che la generazione eolica è spesso collegata a reti deboli (con bassa potenza di corto circuito) e che nella valutazione d'impatto non è sufficiente valutare il comportamento isolato di un singolo generatore quanto piuttosto il suo comportamento al punto di allaccio o, meglio, il comportamento dell'insieme dei generatori costituenti la wind farm. L'aleatorietà della fonte eolica rende anche estremamente complessa la pianificazione e la gestione della rete; si pensi ad esempio al problema del dimensionamento delle linee in presenza di generazione eolica, alla valutazione delle perdite ed alla regolazione della tensione. La presente ricerca si propone quindi diversi obiettivi che possono essere classificati nei seguenti tre punti: 1. Definizione di modelli del gruppo generatore-convertitore; 2. Verifica sperimentale dei modelli; 3. Definizione di metodologie per l'allocazione ottima della generazione eolica nelle reti di distribuzione e per la pianificazione dell'evoluzione della rete; Nel seguito i singoli temi della ricerca sono descritti con maggior dettaglio evidenziando obiettivi e risultati attesi. 1. Definizione di modelli dell'insieme generatore-convertitore Esistono in letteratura diversi modelli matematici per la simulazione del comportamento di un generatore eolico e dei convertitori di interfaccia con la rete. Obiettivo di questa fase della ricerca è l'affinamento di tali modelli. In modo particolare si intende procedere allo sviluppo di modelli dinamici da implementare in ambiente PSCAD/EMTDC in grado di rappresentare adeguatamente il comportamento di un generatore singolo e di un insieme di generatori. I modelli dovranno permettere di correlare la natura del vento con le fluttuazioni di tensione al punto di connessione e saranno ovviamente differenziati in base alla natura della turbina eolica (di cui si dovranno conoscere le caratteristiche) ed alle modalità di connessione alla rete (direttamente allacciati o connessi tramite convertitore). Nel caso di wind farm sarà importante definire modelli di simulazione che considerino il comportamento dell'insieme dei generatori e non del singolo generatore isolato. Questa fase della ricerca, una volta individuati i primi modelli (sulla base delle conoscenze teoriche e sulla modellistica reperibile in letteratura), procederà in parallelo con la fase di validazione sperimentale dei risultati, la quale è in grado di fornire il feedback necessario per l'affinamento della modellistica adottata. 2. Verifica sperimentale dei modelli sviluppati La seconda fase dell'attività di ricerca avrà come oggetto principale la verifica sperimentale dei modelli sviluppati nella fase precedente. A tal fine è prevista l'esecuzione di una campagna di misura delle principali grandezze elettriche relative ad impianti in esercizio ed allacciati alla rete di distribuzione e di trasmissione. In questa fase della ricerca si procederà alla scelta delle apparecchiature da installare nelle stazioni di misura, alla definizione degli schemi di inserzione ed allo studio di adeguati sistemi di comunicazione a distanza che permettano la trasmissione dei dati misurati in tempo reale ad un centro elaborazione dati in grado di eseguire studi off-line finalizzati all'affinamento dei modelli. Diversi sono i risultati attesi da una forte caratterizzazione sperimentale. In primo luogo, i dati raccolti saranno senza dubbio utili per verificare i disturbi ed i problemi che i generatori eolici possono arrecare alla rete elettrica e per correlare le caratteristiche del sito esaminato con l'effettiva energia prodotta; tali dati costituiranno un'interessante base di partenza per ulteriori studi e saranno ovviamente resi disponibili nel corso della ricerca alle altre unità di ricerca coinvolte nello studio della generazione eolica. Inoltre, la conoscenza di dati sperimentali ricavati su opportune macchine test permetterà la definizione di algoritmi di elaborazione per scalare i risultati ottenuti ad altri casi reali. Si tratta di un aspetto molto importante della ricerca in quanto la grande variabilità di dimensioni e di taglie che caratterizza i generatori eolici non consente una validazione esaustiva, soprattutto se si pensa che l'impatto è fortemente dipendente dalla natura delle reti di distribuzione e trasmissione, caratterizzate da diversi livelli di corto circuito e differenti rapporti X/R dell'impedenza equivalente al punto di allaccio. 3. Definizione di metodologie per l'allocazione ottima della generazione eolica nelle reti di distribuzione Il problema dell'individuazione dei siti per la generazione eolica e della taglia di potenza dei generatori, in una rete assegnata, può essere risolto esprimendo il problema mediante un'opportuna funzione obiettivo di cui cercare il minimo valore. La funzione obiettivo potrà essere il costo delle perdite per effetto Joule oppure il costo generalizzato della rete in un dato periodo di studio (somma dei costi di investimento per adeguamento della rete, del costo delle perdite e del costo dei disservizi). In questa fase della ricerca si intende quindi sviluppare nuovi algoritmi di ottimizzazione per l'individuazione dell'allocazione ottima della generazione eolica. Evidentemente poiché elemento essenziale per la generazione eolica è il vento, l'ottimizzazione avrà come dato in ingresso la densità di probabilità della velocità del vento, differenziata per le diverse zone in cui è possibile suddividere l'area su cui insiste la rete. La natura aleatoria del vento impone una completa rivisitazione delle metodologie di calcolo, le quali dovranno abbandonare l'approccio deterministico per una più complessa modellizzazione probabilistica. In questa fase sarà particolarmente importante il lavoro svolto dall'unità di ricerca di Torino che svilupperà, a partire dai dati ottenuti da campagne anemometriche, le curve di producibilità dei singoli generatori necessarie come dato di ingresso per l'attivazione delle procedure di allocazione. Questi dati di producibilità verranno impiegati insieme con i modelli sviluppati nelle fasi 1) e 2) per tenere conto, nello sviluppo di programmi di ottimizzazione dell'allocazione della generazione, della distribuzione di probabilità della producibilità giornaliera e dell'interazione con la rete di distribuzione con particolare riferimento ai problemi di qualità dell'alimentazione (flicker e buchi di tensione). Questo risultato potrà essere ottenuto sia con una valutazione puntuale del flicker nei punti candidati a ricevere generazione eolica sia mediante la determinazione di opportuni indici per la valutazione preventiva dell'impatto su di una data rete di distribuzione di un nuovo impianto di generazione eolico. Infine, poiché il fenomeno è assolutamente aleatorio ed è caratterizzato da molteplici incertezze (ad es. il valore medio della velocità del vento può cambiare di anno in anno) le metodologie sviluppate si avvarranno delle tecniche proprie delle teoria delle decisioni e daranno al pianificatore non tanto informazioni su una teorica soluzione ottima, quanto piuttosto i mezzi per individuare fra le diverse alternative possibili quella che presenta i minori rischi. Al termine di questa fase della ricerca saranno resi disponibili strumenti utili al pianificatore per indirizzare, mediante sistemi di incentivazione, lo sviluppo della fonte eolica in quei siti che si ritiene arrechino meno disturbi alla rete permettendo la minimizzazione dei costi di adeguamento. Gli stessi modelli di calcolo potranno essere usati anche in modo inverso (soprattutto con riferimento alla rete di trasmissione): infatti individuato un sito eolico di adeguate caratteristiche è interesse del produttore sfruttarlo al massimo delle possibilità realizzando wind farm di elevata potenza. In questo caso fissati i nodi di connessione e la taglia della potenza installata il problema è quello di individuare la strategia di evoluzione della rete che permette di soddisfare le esigenze dei produttori, il rispetto dei vincoli tecnici (fra cui la qualità del servizio) e la minimizzazione dei costi di investimento. Si tratta quindi di adattare le normali tecniche di pianificazione della rete in presenza di grossi centri di produzione, di cui sia nota probabilisticamente la capacità produttiva. Anche in questo caso è necessario l'abbandono delle usuali tecniche deterministiche, sviluppate dall'Unità di Ricerca negli anni passati, per ricorrere a tecniche di pianificazione ottima che facciano uso di modelli di calcolo probabilistici. In questo caso risulta particolarmente conveniente una rappresentazione multi obiettivo, in quanto la pianificazione dovrà tener conto delle esigenze contrastanti del gestore della rete, interessato a minimizzare gli oneri di gestione e sviluppo, e del produttore, interessato al massimo sfruttamento del sito eolico. L'uso della programmazione multiobiettivo contestualmente ad un approccio probabilistico basato sull'applicazione della teoria delle decisioni, permetterà di individuare diverse alternative in cui, caso per caso, sarà possibile privilegiare le esigenze dei diversi soggetti.