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Rinnovabili: oltre gli incentivi
      Presente e futuro della
   manutenzione e della gestione
          degli impianti
  ABB Power Sytems Division
  Luca Cicognani, Piergiorgio Guidi, Gabriele Nani

         Forum Telecontrollo Reti Acqua Gas ed Elettriche
                    Torino, 3-4 novembre 2011
Rinnovabili: luci e ombre
•   Luci
     – forte crescita negli ultimi anni, principalmente legata ad una politica di incentivi
     – orientamento dell’opinione pubblica sfavorevole al nucleare: vero obiettivo da
       raggiungere per affrancarsi dalle fonti fossili e per combattere l’effetto serra.
•   Ombre
     – congiuntura economica negativa, crisi finanziaria
     – progressiva riduzione degli incentivi
     – clima d’incertezza sul rientro degli investimenti.
•   Focus da realizzazione a gestione dell’impianto
     – performance effettive degli impianti in servizio in linea o migliorative rispetto a
       quelle attese
•   Nuove opportunità
     –   “Smart Grid”: integrazione e alla corretta gestione fonti rinnovabili
La memoria
• Servizi e sistemi a supporto della manutenzione
  e la gestire degli impianti
   – Scenario attuale
   – Scenario “Smart”: energia da fonte rinnovabile
     completamente e efficientemente integrata
     nella rete.
Rinnovabili: tipologie
              • "Tradizionali"
                 – Idroelettrico
                 – Geotermico
              • "Nuova generazione"
                 – Eolico
                 – Bioenergie
                 – Fotovoltaico
              • Contributo
                significativo
              • Forte incremento
                                   (fonte GSE)
Rinnovabili: installato
                                   • Numero molto elevato di unità
Eolico
                                   • Notevole frammentazione
                                   • 2010
                                      – 159.895 unità, più del doppio
                                        dell’anno precedente,
                                      – potenza efficiente lorda 30.284 MW
Fotovoltaico
                                   • 2011: fotovoltaico
                                      – sfondato tetto dei 10.000 MW
                                      – proiezioni fine del 2011: potenza
                                        complessiva 12.000 MW, numero
                                        impianti intorno ai 350.000.
Potenza installata (fonte Terna)
                                                                   (fonte Terna/GSE)
Dalla realizzazione alla gestione
• La realizzazione e gestione di un impianto
  segue un percorso caratterizzato dai seguenti
  passi:
  – Valutazione dell’investimento, piano di rientro, ricerca
    di finanziatori e partner
  – Iter di autorizzazione, “corsa” alla realizzazione
    dell’impianto e connessione
  – Esercizio dell’impianto: performance
• Prossimo futuro: focus da realizzazione a
  gestione
Esercizio e Manutenzione
      (O&M): diversi approcci
• Strategie aziendale, competenze interne,
  caratteristiche impianti: diversi approcci O&M
  – Livello di esternalizzazione dei servizi
  – Numero di soggetti coinvolti
• Estremi:
  – strutture interne dedicate sia per esercizio che per la
    manutenzione degli impianti
  – contratti di O&M con ciascun costruttore di impianto o
    sezione di impianto (sottostazione elettrica,
    aerogeneratori, parco fotovoltaico)
O&M: costo e benefici diversi
          approcci
                                            Complessità         Totale
                                             gestione       outsourcing a
                                                               ciascun
                                                Rischio      costruttore
N. soggetti terzi




                                               trasferito
                                                                Basso livello
                                                                 controllo
                       Necessità      Rischio da
                    struttura interna  gestire
                         Struttura
                    interna Esercizio Controllo e
                     e Manutenzione competenza

                                   Grado di outsourcing
O&M: due approcci intermedi
• Esercizio impianti con struttura interna e
  manutenzione in outsourcing
   – Telecontrollo/Telegestione e struttura snella per
     esercizio
   – Attività di manutenzione impianti in outsourcing a uno
     o più soggetti terzi
• Outsourcing O&M a un solo/pochi soggetti
   – diminuire la complessità e la frammentazione.
   – Competenza, gestione ed evoluzione
O&M: attività e servizi
• Priorità dispacciamento, distribuzione
  geografica, frammentazione
• Servizi di manutenzione
  – Ordinaria, correttiva, parti a scorta
  – Preveventiva, predittiva
  – Monitoraggio controllo da remoto, reportistica
• Servizi a valore aggiunto: strumenti a
  supporto
Supervisione e controllo:
    acceso remoto


         Internet
Acceso remoto: problematiche
• Proliferazione delle postazioni operatore
• Scarsa integrazione tra i sistemi, diverse
  modalità operative
• Diversi modelli dati e riferimenti temporali:
  verifica non omogenea performance
Centro supervisione e controllo:
           requisiti
• Unico sistema affidabile, efficiente e
  omogeneo
  – Connessione costante agli impianti
  – Efficienza e sicurezza.
  – Monitoraggio di stati e condizioni impiantistiche, gestione allarmi.
  – Acquisizione di misure, calcolo grandezze derivate
  – Archiviazione eventi e grandezze, interventi remoti di
    manutenzione
  – Emissione di report gestionali.
  – Supporto all’analisi dati e rilevamento anomalie.
  – Pubblicazione di informazioni di sintesi e dettaglio
Sistema di supervisione e
                                        controllo integrato
                                                                                                                                                                                                                Blade Server
                                                                                                                                                                                                                  Cabinet




                                                                                           New Scada Control Center




                                                                                                                                                                            New Scada system
                                                                                                                      Operator client
                                                                                                                                                                                                                                                                   GPS Synchronization

                                                                                                                                                                                                                 Firewall




                                                                                                                                                                                               Router
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            ICT Network


                                                                                                                                         Communication
                                                                                                                                            Network




                                                                                         Router                                                                            Router                                                                         Router                                                         Router
                         Router

                                                                                         Switch
                                                     Biomass/Biogas Plant + Substation




                                                                                                                                                                           Switch                                                                         Switch                                                         Switch




                                                                                                                                                                                                                                                                                         Geothermal Plant + Substation
                         Switch
                                                                                                                                                Hydro Plant + Substation
Wind Farm + Substation




                                                                                                                                                                                                                               Solar Plant + Substation
                                                                                         Gateway                                                                           Gateway                                                                        Gateway                                                        Gateway
                         Gateway



                                             Local                                                                                      Local                                                           Local                                                               Local                                                         Local
                                             Scada                                                                                      Scada                                                           Scada                                                               Scada                                                         Scada




                                   Meteo
                                   Station
Acquisizione dati dal campo
• Gateway
  – Sottostazione e DCS/SCADA Produzione via protocollo,
    eventuali I/O cablati P
  – Possibilità di interfaccia locale
  – Elaborazione locale, filtro dati, archiviazione locale in caso di
    assenza di comunicazione

                                   IMPIANTI
                                               Impianto
     Impianto Eolico
                                              Fotovoltaico




                         Gateway                               Gateway
Elaborazioni, archiviazione,
   reportistica e analisi
          • Dati : tempo reale, metereologici,
            attività O&M, previsione
          • Elaborazioni
          • Reportistica e supporto
            all’analisi:
             – Disponibilità e prestazioni
             – Confronto prestazioni attese/“di targa”
             – Registro interventi, tempistiche di
               manutenzione
             – Supporto alla pianificazione degli
               interventi di manutenzione ordinaria
Supporto alla manutenzione
             predittiva
         Trasformatori,
         Interruttori, …          Data
                                 Sources
                                                           Business
                           WTG                           Intelligence
                                                Models



             …                   Dati offline

                  Pannelli/
                  Inverter




• Dati : sensori specifici per ogni tipologia di macchina da monitorare
• Modello matematico: calcolo indicatori corretto funzionamento
• Business intelligence: valutazione degrado, pianificazione
  intervervento di manutenzione ordinaria.
Rete comunicazione
          • Infrastruttura di
            comunicazione:
             – Connessione al centro
               di controllo
             – Acquisizione dati in
               impianto
          • Applicazioni “Mission
            Critical“:
             – wireless sicuro
               (ridondanza,
               magliatura)
Sicurezza: non solo fisica
      • Criticità: sicurezza informatica
         – Soggetti terzi, siti distribuiti, rete
         – Sistemi di controllo locali e centrali
      • Requisiti:
         – Controllo accessi indesiderati
         – Combattere potenziali attacchi
      • Soluzioni:
         –   Firewall/ Intrusion Detection System (IDS)
         –   Hardening
         –   Gestione account/password
         –   Antivirus
         –   Gestione nuove release/patch
Le Smart Grids e le sfide delle
     energie rinnovabili
         • Criticità:
            – Natura intermittente
            – Frammentazione, distribuzione
         • Soluzioni:
            – Potenziamento rete
            – Automazione, regolazione e controllo
            – Stoccaggio energia
               • Rete
               • Impianti industriali, data center
               • Impianti a fonte rinnovabile
Sistemi di accumulo (storage)

 Condensatori   Volani                  Batterie    Pompaggi




                          Litio             NaS
                                  NiCd      Redox
                                   Piombo




Frazioni di      Minuti            Minuti  Ore     Ore  Giorni   Tempo di scarica
secondo
Storage e rinnovabili
                         ESS   Load leveling                 Riserva
                                                                               ESS
                               Per utilizzo ottimizzato    energetica
                               del generatore               sulla linea
                               100 MW, 4h                  10-100 MW,
                                                             0.25-1 h
                                                                                       al
                                                                                     carico
               20 kV      220 kV
                                                           Load leveling
                                                           1-10 MW, 6 h
                                                     ESS                             Industria
                                                                                     pesante
Generazione
distribuita
                       Integrazione
              ESS      rinnovabili         150 kV
                       1-100 MW,                              Anello di rete
                                                                                        ESS
                       1-10 h                                 a 20 kV

                                                                               Peak shaving
                                                    ESS                        0.5-10 MW, 1 h
                                              Regolazione di frequenza
    20 kV     150 kV                              1-50 MW, 0.25-1 h
Smart Plant
Generazione
                                 • Impianto a fonte rinnovabile
distribuita     1-100 MW,
                1-10 h  150 kV
                                   dotato di un sistema di
          ESS
                                   accumulo:
                                   – potenza da 1 a 100 MW
                                   – periodo da 1 a 10 ore.
                                 • Da elemento critico a risorsa
                                   per il dispacciamento
                                 • Riflessi su esercizio e gestione
In impianto: da monitoraggio ad
         automazione
             • Diversi sistemi non integrati
             • Basso livello di automazione
             • Fonti non modulabili secondo
               un profilo di carico

             • Flusso dinamico energia
               programmabile
                – Immissione in rete
                – Prelievo da rete
             • Livello di automazione molto
               più elevato
Smart Plant e Smart O&M
• Nuove opportunità del mercato:
  – Differenze prezzo energia: immagazzinare energia
    proco remunerativa e rilasciare energia pregiata
  – Mercato dei servizi di dispacciamento: un soggetto
    attivo sia lato offerta che lato domanda (“Prosumer”)
• Esercizio impianti fonte rinnovabile
  – supportare logiche di trading e ottimizzazione del
    portafoglio impianti
  – Esempi: la previsione e la pianificazione della
    produzione.
Rinnovabili: previsione della
       produzione
                   Centro di
                                    Forecast          Trading
                   controllo

      Dati Reali
                                Forecast
     Produzione
        Stato
      Impianto     Modello previsione produzione




                    Algoritmo               Modello
 Previsioni
                     Neurale               Impianto             Dati Reali
   Meteo
                                                                 Meteo
Previsione della produzione di
     impianti fotovoltaici
Rinnovabili: piani della
     produzione
       • Impianti programmabili abilitati al
         servizi di dispacciamento
          – pianificazione della produzione
          – Controllo continuo sbilanciamento
       • Piano dinamico
          – Esito mercati, ordini dispacciamento
       • “Piano di consumo”
          – piano di ricarica della batteria
          – da parco stesso e/o da rete
          – logiche di merito economico e di
            ottimizzazione del portafoglio
Conclusioni
• Impianti a fonte rinnovabili: realtà non più
  trascurabile nel panorama della generazione del
  nostro paese.
• Sostenibilità oltre gli incentivi: sfida da
  vincere con O&M supportato da strumenti e
  partner adeguati.
• Storage: nuove opportunità, completa e corretta
  integrazione delle rinnovabili, trasformando le
  rinnovabili da elemento critico a risorsa di
  dispacciamento
• .

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Smart grid 4 novembre

  • 1. Rinnovabili: oltre gli incentivi Presente e futuro della manutenzione e della gestione degli impianti ABB Power Sytems Division Luca Cicognani, Piergiorgio Guidi, Gabriele Nani Forum Telecontrollo Reti Acqua Gas ed Elettriche Torino, 3-4 novembre 2011
  • 2. Rinnovabili: luci e ombre • Luci – forte crescita negli ultimi anni, principalmente legata ad una politica di incentivi – orientamento dell’opinione pubblica sfavorevole al nucleare: vero obiettivo da raggiungere per affrancarsi dalle fonti fossili e per combattere l’effetto serra. • Ombre – congiuntura economica negativa, crisi finanziaria – progressiva riduzione degli incentivi – clima d’incertezza sul rientro degli investimenti. • Focus da realizzazione a gestione dell’impianto – performance effettive degli impianti in servizio in linea o migliorative rispetto a quelle attese • Nuove opportunità – “Smart Grid”: integrazione e alla corretta gestione fonti rinnovabili
  • 3. La memoria • Servizi e sistemi a supporto della manutenzione e la gestire degli impianti – Scenario attuale – Scenario “Smart”: energia da fonte rinnovabile completamente e efficientemente integrata nella rete.
  • 4. Rinnovabili: tipologie • "Tradizionali" – Idroelettrico – Geotermico • "Nuova generazione" – Eolico – Bioenergie – Fotovoltaico • Contributo significativo • Forte incremento (fonte GSE)
  • 5. Rinnovabili: installato • Numero molto elevato di unità Eolico • Notevole frammentazione • 2010 – 159.895 unità, più del doppio dell’anno precedente, – potenza efficiente lorda 30.284 MW Fotovoltaico • 2011: fotovoltaico – sfondato tetto dei 10.000 MW – proiezioni fine del 2011: potenza complessiva 12.000 MW, numero impianti intorno ai 350.000. Potenza installata (fonte Terna) (fonte Terna/GSE)
  • 6. Dalla realizzazione alla gestione • La realizzazione e gestione di un impianto segue un percorso caratterizzato dai seguenti passi: – Valutazione dell’investimento, piano di rientro, ricerca di finanziatori e partner – Iter di autorizzazione, “corsa” alla realizzazione dell’impianto e connessione – Esercizio dell’impianto: performance • Prossimo futuro: focus da realizzazione a gestione
  • 7. Esercizio e Manutenzione (O&M): diversi approcci • Strategie aziendale, competenze interne, caratteristiche impianti: diversi approcci O&M – Livello di esternalizzazione dei servizi – Numero di soggetti coinvolti • Estremi: – strutture interne dedicate sia per esercizio che per la manutenzione degli impianti – contratti di O&M con ciascun costruttore di impianto o sezione di impianto (sottostazione elettrica, aerogeneratori, parco fotovoltaico)
  • 8. O&M: costo e benefici diversi approcci Complessità Totale gestione outsourcing a ciascun Rischio costruttore N. soggetti terzi trasferito Basso livello controllo Necessità Rischio da struttura interna gestire Struttura interna Esercizio Controllo e e Manutenzione competenza Grado di outsourcing
  • 9. O&M: due approcci intermedi • Esercizio impianti con struttura interna e manutenzione in outsourcing – Telecontrollo/Telegestione e struttura snella per esercizio – Attività di manutenzione impianti in outsourcing a uno o più soggetti terzi • Outsourcing O&M a un solo/pochi soggetti – diminuire la complessità e la frammentazione. – Competenza, gestione ed evoluzione
  • 10. O&M: attività e servizi • Priorità dispacciamento, distribuzione geografica, frammentazione • Servizi di manutenzione – Ordinaria, correttiva, parti a scorta – Preveventiva, predittiva – Monitoraggio controllo da remoto, reportistica • Servizi a valore aggiunto: strumenti a supporto
  • 11. Supervisione e controllo: acceso remoto Internet
  • 12. Acceso remoto: problematiche • Proliferazione delle postazioni operatore • Scarsa integrazione tra i sistemi, diverse modalità operative • Diversi modelli dati e riferimenti temporali: verifica non omogenea performance
  • 13. Centro supervisione e controllo: requisiti • Unico sistema affidabile, efficiente e omogeneo – Connessione costante agli impianti – Efficienza e sicurezza. – Monitoraggio di stati e condizioni impiantistiche, gestione allarmi. – Acquisizione di misure, calcolo grandezze derivate – Archiviazione eventi e grandezze, interventi remoti di manutenzione – Emissione di report gestionali. – Supporto all’analisi dati e rilevamento anomalie. – Pubblicazione di informazioni di sintesi e dettaglio
  • 14. Sistema di supervisione e controllo integrato Blade Server Cabinet New Scada Control Center New Scada system Operator client GPS Synchronization Firewall Router ICT Network Communication Network Router Router Router Router Router Switch Biomass/Biogas Plant + Substation Switch Switch Switch Geothermal Plant + Substation Switch Hydro Plant + Substation Wind Farm + Substation Solar Plant + Substation Gateway Gateway Gateway Gateway Gateway Local Local Local Local Local Scada Scada Scada Scada Scada Meteo Station
  • 15. Acquisizione dati dal campo • Gateway – Sottostazione e DCS/SCADA Produzione via protocollo, eventuali I/O cablati P – Possibilità di interfaccia locale – Elaborazione locale, filtro dati, archiviazione locale in caso di assenza di comunicazione IMPIANTI Impianto Impianto Eolico Fotovoltaico Gateway Gateway
  • 16. Elaborazioni, archiviazione, reportistica e analisi • Dati : tempo reale, metereologici, attività O&M, previsione • Elaborazioni • Reportistica e supporto all’analisi: – Disponibilità e prestazioni – Confronto prestazioni attese/“di targa” – Registro interventi, tempistiche di manutenzione – Supporto alla pianificazione degli interventi di manutenzione ordinaria
  • 17. Supporto alla manutenzione predittiva Trasformatori, Interruttori, … Data Sources Business WTG Intelligence Models … Dati offline Pannelli/ Inverter • Dati : sensori specifici per ogni tipologia di macchina da monitorare • Modello matematico: calcolo indicatori corretto funzionamento • Business intelligence: valutazione degrado, pianificazione intervervento di manutenzione ordinaria.
  • 18. Rete comunicazione • Infrastruttura di comunicazione: – Connessione al centro di controllo – Acquisizione dati in impianto • Applicazioni “Mission Critical“: – wireless sicuro (ridondanza, magliatura)
  • 19. Sicurezza: non solo fisica • Criticità: sicurezza informatica – Soggetti terzi, siti distribuiti, rete – Sistemi di controllo locali e centrali • Requisiti: – Controllo accessi indesiderati – Combattere potenziali attacchi • Soluzioni: – Firewall/ Intrusion Detection System (IDS) – Hardening – Gestione account/password – Antivirus – Gestione nuove release/patch
  • 20. Le Smart Grids e le sfide delle energie rinnovabili • Criticità: – Natura intermittente – Frammentazione, distribuzione • Soluzioni: – Potenziamento rete – Automazione, regolazione e controllo – Stoccaggio energia • Rete • Impianti industriali, data center • Impianti a fonte rinnovabile
  • 21. Sistemi di accumulo (storage) Condensatori Volani Batterie Pompaggi Litio NaS NiCd Redox Piombo Frazioni di Minuti Minuti  Ore Ore  Giorni Tempo di scarica secondo
  • 22. Storage e rinnovabili ESS Load leveling Riserva ESS Per utilizzo ottimizzato energetica del generatore sulla linea 100 MW, 4h 10-100 MW, 0.25-1 h al carico 20 kV 220 kV Load leveling 1-10 MW, 6 h ESS Industria pesante Generazione distribuita Integrazione ESS rinnovabili 150 kV 1-100 MW, Anello di rete ESS 1-10 h a 20 kV Peak shaving ESS 0.5-10 MW, 1 h Regolazione di frequenza 20 kV 150 kV 1-50 MW, 0.25-1 h
  • 23. Smart Plant Generazione • Impianto a fonte rinnovabile distribuita 1-100 MW, 1-10 h 150 kV dotato di un sistema di ESS accumulo: – potenza da 1 a 100 MW – periodo da 1 a 10 ore. • Da elemento critico a risorsa per il dispacciamento • Riflessi su esercizio e gestione
  • 24. In impianto: da monitoraggio ad automazione • Diversi sistemi non integrati • Basso livello di automazione • Fonti non modulabili secondo un profilo di carico • Flusso dinamico energia programmabile – Immissione in rete – Prelievo da rete • Livello di automazione molto più elevato
  • 25. Smart Plant e Smart O&M • Nuove opportunità del mercato: – Differenze prezzo energia: immagazzinare energia proco remunerativa e rilasciare energia pregiata – Mercato dei servizi di dispacciamento: un soggetto attivo sia lato offerta che lato domanda (“Prosumer”) • Esercizio impianti fonte rinnovabile – supportare logiche di trading e ottimizzazione del portafoglio impianti – Esempi: la previsione e la pianificazione della produzione.
  • 26. Rinnovabili: previsione della produzione Centro di Forecast Trading controllo Dati Reali Forecast Produzione Stato Impianto Modello previsione produzione Algoritmo Modello Previsioni Neurale Impianto Dati Reali Meteo Meteo
  • 27. Previsione della produzione di impianti fotovoltaici
  • 28. Rinnovabili: piani della produzione • Impianti programmabili abilitati al servizi di dispacciamento – pianificazione della produzione – Controllo continuo sbilanciamento • Piano dinamico – Esito mercati, ordini dispacciamento • “Piano di consumo” – piano di ricarica della batteria – da parco stesso e/o da rete – logiche di merito economico e di ottimizzazione del portafoglio
  • 29. Conclusioni • Impianti a fonte rinnovabili: realtà non più trascurabile nel panorama della generazione del nostro paese. • Sostenibilità oltre gli incentivi: sfida da vincere con O&M supportato da strumenti e partner adeguati. • Storage: nuove opportunità, completa e corretta integrazione delle rinnovabili, trasformando le rinnovabili da elemento critico a risorsa di dispacciamento • .