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Progetto Poseidon: microreti e mobilità elettrica in aree portuali - Alessandro Serpi (NEPSY)

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L'intervento di Alessandro Serpi (NEPSY) in occasione dell'evento "Vehicle-to-Grid: l'integrazione della mobilità elettrica nelle microreti" che si è tenuto il 24 ottobre 2019 a Cagliari.

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Progetto Poseidon: microreti e mobilità elettrica in aree portuali - Alessandro Serpi (NEPSY)

  1. 1. RESPECT S.r.l P.zza Irpinia, 1 - 09127 Cagliari www.respectsrl.it NEPSY S.r.l. Via Logudoro, 8 - 09127 Cagliari www.nepsy.it DIEE – UniCA dipartimenti.unica.it/ingegneriaelettricaedelettronica/ Proponenti Progetto POSEIDON Microreti intelligenti in aree portuali: gestione efficiente dell’energia mediante l'integrazione di fonti rinnovabili e mobilità elettrica sostenibile POR FESR Sardegna 2014-2020 - Azione 1.2.2 Programma R&S Reti Intelligenti per la gestione efficiente dell’energia Cagliari, 22 ottobre 2019 Vehicle-to-Grid: l'integrazione della mobilità elettrica nelle microreti 24 ottobre 2019 - ore 9:00, Manifattura Tabacchi, piano primo sala 202 viale Regina Margherita 33 - Cagliari
  2. 2. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi CONTESTO POSEIDON focalizza l’attenzione sulle aree portuali, grandi poli energivori e aree ad alto potenziale di sviluppo nell’ambito della blue growth [Fonte: way4port.com] Interventi di adeguamento del sistema elettrico atti a favorire la nascita di microreti:  Impiego fonti energetiche rinnovabili  sistemi di accumulo e infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici  sistemi di gestione e controllo delle risorse Vehicle-to-Grid (V2G) e Boat-to-Grid (B2G) come risorse per la gestione intelligente della microrete portuale
  3. 3. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi STATO DELL’ARTE – Smart Technologies in aree portuali EUROPA Barcellona: progetto EU CLEANPORT – Cold-ironing primo traghetto passeggeri con motore ausiliario a GNL e relativo serbatoio, tratta Barcellona–Maiorca Malaga: progetto EU SMART PORT - Studio reale della competitività̀ ed efficienza energetica dei porti commerciali nel Mar Mediterraneo Oslo: Green Coastal Shipping Programme, per la navigazione costiera sostenibile con uso di imbarcazioni più̀ ecologiche; devono garantire propulsione elettrica pura o ibrida. Progettazione di un porto a basso consumo energetico Rotterdam/Anversa: sistema shore-to-ship-power integrato, per alimentare una nave ormeggiata direttamente dalla rete elettrica, senza interruzioni e azzerando le emissioni nell’ambiente Amburgo: piattaforma di comunicazione cloud basata su IoT per pianificare operazioni; comunica alle navi luogo/momento di attracco e notifica a camion/gru gli spazi assegnati
  4. 4. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi STATO DELL’ARTE – Smart Technologies in aree portuali ITALIA Savona: impianto PV 120 kW, Wind 20 kW, pari a 1/5 del fabbisogno energetico. Impianto Cold Ironing per abbattimento emissioni e risparmio carburante, con possibilità di spegnimento dei motori delle navi in porto, grazie al supporto elettrico in banchina (Es. porti Goteborg, Los Angeles e Juneau) Ravenna: progetto Clean Port (Regione Emilia Romagna, POR-FESR 2014-2020) - sostenibilità̀ energetica e riduzione inquinamento. Progettazione e test di prototipi in scala ridotta di motori navali parzialmente alimentati a LNG (Liquified Natural Gas) all’interno di un’infrastruttura ibrida, detta Green Ironing
  5. 5. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi PROGETTO POSEIDON L’imbarcazione opera a lungo in modalità full-electric (40% del tempo complessivo di esercizio), determinando un notevole risparmio di carburante, soprattutto durante l’utilizzo del sistema di posizionamento dinamico; - Ampere: traghetto full-electric alimentato da batterie Li-Ion (1 MWh) e mosso da due propulsori da 440 kW ciascuno. Esegue una tratta di 20 min, dopo la quale la batteria è ricaricata parzialmente per 10 min (la ricarica completa avviene durante la notte); - Viking Lady: vascello di approvvigionamento, dotato di una cella a combustibile (320 kW) e di una batteria Li- Ion (442 kWh); - ReVolt: nave da carico a corto raggio, dotata di una batteria da 5.5 MWh; - Prinsesse Benedicte, Tycho Brahe, Aurora: navi passeggeri con batterie (da 2.7 a 4.2 MWh); - Star Laguna: nave da carico con gru, dotata di un sistema di accumulo da 67 kWh per il recupero dell’energia e la riduzione delle emissioni durante le operazioni in porto. I risultati preliminari ottenuti dalle sperimentazioni hanno evidenziato un notevole risparmio di carburante (10-15%, ma anche fino al 30%), con tempi di ritorno dell’investimento, in alcuni casi, addirittura inferiori all’anno. Si è registrata inoltre una notevole riduzione delle emissioni di gas inquinanti (30% circa). Per questo motivo, molte case costruttrici stanno adattando i criteri di progettazione delle loro imbarcazioni “convenzionali” in modo da predisporle per una futura conversione in elettriche o elettriche ibride, così come per equipaggiare le imbarcazioni già ibride con sistemi di accumulo. Per quanto riguarda i sistemi di propulsione elettrica puri, sono allo studio diverse soluzioni per imbarcazioni di piccola-media taglia. Fig. 1. Rappresentazione della microrete portuale considerata nell’ambito del progetto. Microreti in ambito portuale che favoriscano l’integrazione della produzione da fonti energetiche rinnovabili con la mobilità elettrica sostenibile (infrastrutture di ricarica sia per veicoli elettrici sia per imbarcazioni dotate di sistemi di accumulo e di propulsione elettrica) Data avvio: 1 ottobre 2018 Durata: 24 mesi Budget ≈ 200 k€ Obiettivi principali • strumenti di pianificazione, gestione e controllo delle microreti portuali • NESSY: sistema di accumulo ibrido innovativo per imbarcazioni operante in modalità boat-to-grid
  6. 6. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi ARTICOLAZIONE PROGETTO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 WP6 WP1 Stato dell’arte WP4 Gestione e controllo MG WP2 Modelli e pianificazione MG WP5 Sperimentazione WP3 Prototipo NESSY WP6 Project Management
  7. 7. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi I sistemi di accumulo ibridi sembrano essere una soluzione molto promettente sia per la propulsione elettrica sia per applicazioni di rete TECNOLOGIE PER SISTEMI DI ACCUMULO DELL’ENERGIA
  8. 8. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi SISTEMA DI ACCUMULO IBRIDO PER IMBARCAZIONI: NESSY ig. 1. An overview of the port microgrid foreseen in POSEIDON. Particularly, the main components of the port MGs foreseen n the POSEIDON project are: • photovoltaic power plants and/or wind generators, to obtain an adequate level of energy production and self- consumption; • flexible loads, such as office, shops and industrial customers; • Electric Vehicles Charging Infrastructures (EVCI), which allows the unidirectional power flow in AC or DC mode, depending on the power rate (generally 22 provided through the MLC (for example, by using a high- frequency transformer). Both MLC and AVR are driven by the Management and Control System (MCS), which has to ensure an optimal energy management of the ESSs through advanced management, control and Pulse Width Modulation (PWM) algorithms, by satisfying either electric motor (M) or BCI needs simultaneously [8]-[9]. Fig. 2. POSEIDON Schematic representation of the proposed hybrid energy storage system configuration for boats (NESSY).  High-Power Density ESS (P-ESS) – supercapacitori  High-Energy Density ESS (E-ESS) – batterie elettrochimiche, celle a combustibile  Multilevel Converter (MLC) – element di interfaccia fra I diversi sistemi di accumulo, il motore di propulsione e la boat charging infrastructure (BCI)  Active Voltage Regulator (AVR) – regolazione della tensione del DC-link, scambio energetico fra le unità di accumulo  Management & Control System (MCS) – gestione e controllo dei flussi di energia fra NESSY e M/BCI
  9. 9. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi NESSY: CARATTERISTICHE PRINCIPALI ig. 1. An overview of the port microgrid foreseen in POSEIDON. Particularly, the main components of the port MGs foreseen n the POSEIDON project are: • photovoltaic power plants and/or wind generators, to obtain an adequate level of energy production and self- consumption; • flexible loads, such as office, shops and industrial customers; • Electric Vehicles Charging Infrastructures (EVCI), which allows the unidirectional power flow in AC or DC mode, depending on the power rate (generally 22 provided through the MLC (for example, by using a high- frequency transformer). Both MLC and AVR are driven by the Management and Control System (MCS), which has to ensure an optimal energy management of the ESSs through advanced management, control and Pulse Width Modulation (PWM) algorithms, by satisfying either electric motor (M) or BCI needs simultaneously [8]-[9]. Fig. 2. POSEIDON Schematic representation of the proposed hybrid energy storage system configuration for boats (NESSY).  Elevata flessibilità e scalabilità – unità di accumulo multiple, maggiore numero di livelli  Gestione energetica ottimizzata – ciascuna unità di accumulo può essere gestita quasi indipendentemente dalle altre in accordo con le sue caratteristiche funzionali  Boat-to-grid (B2G) ready – NESSY potrà erogare servizi di potenza ed energia alla microrete portuale, con conseguenti vantaggi tecnico-economici  MLC rappresenta l’unica interfaccia di NESSY con M e BCI – nessun convertitore aggiuntivo, possibilità di utilizzare differenti strategie di carica/scarica
  10. 10. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi ESEMPIO DI APPLICAZIONE di NESSY - PROPULSIONE Motor Speed Durante la propulsione, E-ESS può operare nelle condizioni di funzionamento ottimali, mentre P-ESS può gestire i picchi e le fluttuazioni di potenza. Questo consente una maggiore efficienza, prolunga la vita utile di E-ESS, e rende più flessibile il dimensionamento dell’intero sistema di accumulo Motor Torque Power demands Energy of P-ESS E-ESS: batterie P-ESS: supercapacitori
  11. 11. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi ESEMPIO DI APPLICAZIONE DI NESSY – MICRORETE PORTUALE Microgrid power demands P-ESS può essere utilizzato in regime dinamico per far fronte alle rapide variazioni di potenza richieste dalla microrete o per compensarne le fluttuazioni (servizi di potenza), mentre E-ESS può operare prevalentemente in condizioni di regime stazionario (servizi di energia), reintegrando inoltre lo stato di carica di P-ESS al valore desiderato NESSY powers E-ESS power P-ESS energy E-ESS: batterie P-ESS: supercapacitori
  12. 12. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi SISTEMA DI GESTIONE E CONTROLLO DELLA MICRORETE PORTUALE  Sistema di Controllo ad Agenti – si basa sulla presenza di un aggregator, che opera come agente principale (master agent), coordinando le differenti unità in modo da raggiungere una condizione ottimale di funzionamento – ciascun agente può essere rappresentato da un carico, un sistema di accumulo stazionario, un’impianto da fonte energetica rinnovabile, una colonnina di ricarica operante in modalità V2G o B2G – mediante l’interazione master-slave è possible determinare una soluzione ottima senza il controllo diretto di ogni singola unità – è possible definire gruppi di agenti con obiettivi differenti e, quindi, conseguire molteplici obiettivi (massimizzazione dell’efficienza, regolazione di tensione, peak shaving, power quality, etc.) For example, the use of a P-ESS jointly with an E-ESS surely improves propulsion and energy harvesting performances, but these advantages may not be justified by the increased complexity and capital investment that a hybrid energy storage system brings. C. NESSYdevelopment within thePOSEIDON project The POSEIDON project aims at assessing the overall benefits that NESSY can bring to both boat owners and port MG, not only from technical and environmental points of view, but also from an economic point of view; therefore, accurate design, sizing, management and control of NESSY will be addressed within the project with the aim of achieving a final configuration that can be competitive on the market. This process will concern advanced theoretical analyses and simulation studies; furthermore, a small-scale NESSY prototype will be also manufactured and possibly installed on an electric boat at the aim of testing NESSY in a real environment. In this regard, reference will be made to two ESSs characterized by complementary features, namely an UM and a BP, which will be coupled through a three-level power electronic converter. In addition, the structure of the AVR will be defined in detail, by evaluating different solutions and the advantages they can bring from both technical and economic points of view. In conclusion, advanced management and control strategies will be developed, which will integrate UM, BP, AVR, M and BCI control systems over propulsion and grid-connected operating modes. In this regard, the NESSY management and control system will have to satisfy port MG needs when the boat is connected to the BCI; this requires a further integration of NESSY management and control system within the overall port MG, as detailed in the following section. information about EVs characteristics and drivers behavior (Fig. 3). As a consequence, the Aggregator, or Master Agent, coordinates independent Agents for moving demand to the most convenient hours without degrading power quality. Fig. 3. MAS Decentralized control (Medium Voltage/LV level). In the POSEIDON project, the proposed methodology is adapted to port MGs, by including NESSY and the B2G operation among the Agents, and transferring the information/characteristics of NESSY from boats in the port MG to the Aggregator. The AD/V2G/B2G Agents represent the active customers. These Agents use a combination of local information (own behaviour, flexibility, EV/boat characteristics) and global data (energy price) to perform the optimisation following the Nash’s theory on games. It is important to notice that the MAS direct control considerably reduces the flow of data and information and can be better suited than centralized control systems for LV applications. It is important to remark that in the port area, regarding vehicle and boats connections to the microgrid, a multitude of charging infrastructures has to be managed, with unidirectional and bidirectional power flows. Hence, Agents
  13. 13. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi BENEFICI ATTESI  Uso più razionale ed efficiente dell’energia nelle aree portuali  Maggiore utilizzo di sistemi di propulsione elettrica a bordo delle imbarcazioni, con conseguente riduzione dei consumi di combustibili fossili e delle emissioni inquinanti, soprattutto nelle aree portuali e marine protette  Erogazione di servizi alla microrete portuale, secondo logiche V2G e B2G, con ulteriori benefici economici sia per il proprietario del veicolo/imbarcazione sia per il gestore della microrete  Ricadute occupazionali nel settore marittimo, con riferimento alla filiera della propulsione elettrica e alla gestione intelligente dell’energia in aree portuali
  14. 14. RESPECT S.r.l info@respectsrl.it NEPSY S.r.l. info@nepsy.it DIEE – UniCA pilo@diee.unica.it Grazie per l’attenzione
  15. 15. Progetto POSEIDON - Microreti intelligenti in aree portuali V2G - 24 Ottobre 2019 - Manifattura Tabacchi Ibrido serie Ibrido parallelo Elettrico Puro La connessione alla rete è necessaria nel caso di sistemi puramente elettrici per ricaricare i sistemi di accumulo adibiti alla propulsione dell’imbarcazione SISTEMI DI PROPULSIONE PER IMBARCAZIONI

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