Il ruolo dello storage nella gestione delle reti

1. Progetti Pilota Power Intensive: risultati
della sperimentazione in laboratorio
M. Musio
Milano, 27 Settembre

2. Milano, 27 settembre 2017 2
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
La strategia di studio e
validazione delle
tecnologie prevede due
diversi ambienti di test
Grid Scale
( ̴ 1MW)
Test in campo su
Unità di Accumulo
Module scale
( ̴ 100kW)
Test in Laboratorio
sui moduli batterie
• Test di Invecchiamento
• Test di Prestazione
• Test Termici e Climatici
• Test di Overcharge/discharge
• Test di Sovraccaricabilità
• Test di Corto circuito
• Regolazione di frequenza
• Regolazione di tensione
• Rendimento
• Curve di Rated/Overload Capability
• Black Start
• Asservimento al Sistema di Difesa
Test sul campo
TEST IN LABORATORIO
Obiettivi Servizi di Rete
Regolazione di frequenza primaria
Regolazione di frequenza secondaria
Incremento dei margini di sicurezza di
gestione delle reti AT delle Isole Sicilia e
Sardegna
Assessment tecnologico
Testing
Valutazione e comparazione prestazionale
delle diverse tecnologie di accumulo
elettrochimico a livello «utility scale»
Ottimizzazione esercizio e
massimizzazione valore
Sviluppo di un Sistema di Controllo Avanzato
per la gestione di piattaforme di Storage
multitecnologiche VSP (Virtual Storage Plant)
Approccio alla sperimentazione – Storage Lab

3. Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
Milano, 27 settembre 2017 3
Modello elettrico e
termico
Comportamento in
caso di guasti
Comportamento in
condizioni non
nominali
Modelli di
invecchiamento
• Test su cicli standard
• Test su ciclo di
regolazione di frequenza
• Test su ciclo a gradini di
corrente*
• Test termici
• Test di Overcharge
• Test di Overdischarge
• Test di Corto circuito
• Test di prestazione
• Test di prestazione a cicli
parziali
• Test di creazione del
circuito equivalente
1
2
3
4
Eseguiti solo su
tecnologie Litio
Eseguiti solo su
tecnologie Litio
I test in laboratorio
(*) Analisi disponibili dal report 2017

4. Milano, 27 settembre 2017 4
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
I test di invecchiamentoComparazione caratteristiche test di ciclaggio
1
Test invecchiamento su ciclo standard
Allo scopo di valutare l’invecchiamento,
viene definito un ciclo standard da
utilizzarsi per comparare in maniera
uniforme tutte le diverse tecnologie. Il
test è svolto presso le facilities dei
fornitori
Al fine di valutare l’invecchiamento
anche in riferimento al servizio di
regolazione di frequenza, viene
individuato un ciclo, della durata di 24h,
definito: «ciclo di regolazione di
frequenza». Il test è svolto presso i
laboratori italiani contrattualizzati
Test invecchiamento su ciclo di regolazione di frequenza
Confrontotraicicli
• POTENZA MEDIA
1. Ciclo Standard: Pn (*)
2. Ciclo di Regolazione: 0,4 Pn
• CICLI EQUIVALENTI (**)
1. Ciclo Standard : 5-12
2. Ciclo di Regolazione : ≈ 5
• INVERSIONI GIORNALIERE DI
POTENZA
1. Ciclo Standard : max 24
2. Ciclo di Regolazione: » 1000
(*) Pn: Potenza nominale
(**) I cicli equivalenti sono ottenuti dividendo l’energia scaricata giornalmente con l’energia nominale del modulo

5. Milano, 27 settembre 2017 5
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
Test di invecchiamento su ciclo standard
1
Il test ha lo scopo di verificare l’effettivo numero di cicli standard effettuabili da
ciascuna tecnologia approvvigionata
Procedura di Test
o Scarica alla Potenza nominale (P=1 p.u.), fino a
un SOC pari al 20%
o Carica complete alla Potenza nominale (P=-1 p.u.)
o Nessuna interposizione di fase di stand-by
[p.u]
[cicli]
1
0
-1
Potenza
Il test è effettuato dal fornitore di ciascuna tecnologia
presso le proprie facilities e supervisionato dai
laboratori incaricati da Terna
CICLO STANDARD PROPOSTO DA TERNA
La procedura è stata adeguata per ciascun fornitore, in modo tale da tener conto delle specifiche caratteristiche
tecniche e limitazioni ciascuna tecnologia

6. Milano, 27 settembre 2017 6
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
Test di invecchiamento su
ciclo di regolazione di frequenza
1
Il test ha lo scopo di sottoporre i moduli batteria a cicli di carica/scarica rappresentativi delle
applicazioni cui i sistemi grid scale sono destinati: il ciclo è infatti definito in modo tale da simulare
un utilizzo continuativo dedicato al servizio di regolazione primaria di frequenza
Condizioni di Test
o Stato di carica iniziale: 100%
o Stato di carica massimo: 100%
o Stato di carica minimo: 0%
o Non sono previste fasi di overcharge e overdiscahrge
49,85
49,9
49,95
50
50,05
50,1
50,15
0 10000 30000 50000 70000 90000
[Hz]
[s]
Frequenza
Tempo
PROFILO DI FREQUENZA PER UN CICLO DI REGOLAZIONE
Il test è basato su un profilo di frequenza determinato
sulla base di misure reali e modificato per ottenere una
serie replicabile e rappresentativa di un periodo lungo.
Il ciclo di regolazione di frequenza ha la durata di 24
ore ed è composto da 86400 set-point di potenza

7. Milano, 27 settembre 2017 7
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
Comparazione dei risultati ottenuti*
1
80%
85%
90%
95%
100%
105%
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Capacitàenergeticaresidua[%]
Capacità energetica della batteria misurata dopo ogni ciclo di riferimento e rapportata in
percentuale all’energia nominale della batteria
Test di invecchiamento su ciclo standard
Il test è stato terminato al 31/12/2016 da tutti i fornitori, ad
eccezione del SdA 1 e del SdA 4.
Il SdA 7 ha effettuato il maggior numero di cicli rispetto
agli altri fornitori, mostrando un degrado minimo pari al
5% dopo 6000 cicli.
Il SdA 4 risulta prossimo al raggiungimento del valore
soglia di DOD pari all’80% dopo poco più di 2000 cicli.
Tra le tecnologie Zebra, il SdA 2 risulta caratterizzato da
un degrado della capacità energetica trascurabile per
effetto dell’esecuzione continuativa del ciclo standard.
SdA 1 SdA 2 SdA 3 SdA 4 SdA 5 SdA 6 SdA 7
(*) al 31/12/2016
Le diverse tecnologie di accumulo elettrochimico, sottoposte allo stesso ciclo di
regolazione, mostrano un invecchiamento sensibilmente differente le une dalle altre

8. Milano, 27 settembre 2017 8
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
1
80%
85%
90%
95%
100%
105%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Capacitàenergeticaresidua[%]
Comparazione dei risultati ottenuti*
SdA 1 SdA 2 SdA 3 SdA 4 SdA 5 SdA 6 SdA 7
(*) terminato da tutti i fornitori al 31/12/2016
Test di invecchiamento su
ciclo di regolazione di frequenza
Le tecnologie Litio meno affette dall’esecuzione
continua del ciclo sono il SdA 5 e il SdA 7
A parità di cicli considerati, il degrado maggiore si è
registrato per i sistemi SdA 6 e SdA 1, che soffrono in
maniera marcata l’esecuzione continuativa del ciclo di
regolazione di frequenza.
Per quanto riguarda le tecnologie Zebra (SdA 2 e SdA
3), non si registra un invecchiamento evidente in
termini di riduzione della capacità scaricabile rispetto a
quella nominale.
Le caratteristiche del ciclo di regolazione di frequenza in termini di scambio energetico
complessivo e numero di inversioni di potenza sono tali da determinare invecchiamenti
precoci in alcune tecnologie che si dimostrano quindi particolarmente sensibili a tali fattori
Capacità energetica della batteria misurata dopo ogni ciclo di riferimento e rapportata in
percentuale all’energia nominale della batteria

9. Milano, 27 settembre 2017 9
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
1
Comparazione dei risultati ottenuti per le tecnologie Litio Test di invecchiamento
In generale, il ciclo di regolazione di frequenza causa alle batterie un invecchiamento superiore
rispetto al ciclo standard. Il confronto tra le tecnologie permette di mostrare le sostanziali
differenze di invecchiamento che le caratterizzano e di avere una prima evidenza delle
applicazioni a cui ognuna risulta più adatta
CICLI STANDARD
Modulo
Numero di Cicli
1000 1500 2000 2500 3000 4000
SdA 1 94% 92% 90% 87% 85%* 80%*
SdA 4 93% 88% 83% 78%* 74%* 65%*
SdA 5 97% 96% 95% 94% 93% 90%
SdA 6 95% 94% 93% 92% 91% 89%*
SdA 7 100% 99% 98% 98% 97% 96%
CICLI DI REGOLAZIONE
Modulo
Numero di Cicli
1000
SdA 1 87%*
SdA 4 -
SdA 5 96%
SdA 6 89%
SdA 7 100%
LITIO
(*): valori ottenuti per estrapolazione
Alcune tecnologie non sono
influenzate dalla tipologia di ciclo e
dalle sue caratteristiche in termini
energetici e di potenza (in particolare,
SdA 5 e SdA 7)
La tecnologia SdA 4 si stima
raggiunga la soglia di fine vita a DOD
80% già a circa 2200 cicli standard
A parità di cicli, il SdA1 e SdA6
soffrono in modo molto più marcato
l’esecuzione continuativa del ciclo di
regolazione di frequenza rispetto a
quello standard

10. Milano, 27 settembre 2017 10
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
2
Test TermiciCARATTERISTICHE
(*) al 31/12/2016
Obiettivo
Il test ha lo scopo di valutare il comportamento termico dei
sistemi di accumulo, al variare della temperatura ambiente e
dell’interposizione o meno di fasi di stand-by tra carica e
scarica.
• Temperatura ambiente: +10°C, +40°C;
• SOC iniziale pari a 0%.
• C-rate: 0,5C – 1C – 1,5C
Applicabilità
Condizioni
di test
• Il test è eseguito esclusivamente per le
tecnologie Litio
Procedura
• Fase di carica CC fino al raggiungimento della tensione massima di carica
con corrente pari a 1C;
• Fase di carica CV fino al raggiungimento del SOC 100%;
• Fase di stand-by al fine di riportare la temperatura al valore di pre-carica;
• Fase di scarica CC a diversi C-rate;
• Il test viene quindi ripetuto eliminando la fase di stand-by
• Alla fine di ogni scarica, va atteso il raggiungimento della stabilità termica
RISULTATI
SdA 1
• Riscaldamento anomalo
su un modulo
• Risultati da approfondire
SdA 5
SdA 6
• Risultati non ancora
disponibili*
SdA 7
Focus nella prossima slide
SdA 4
• Nessun derating delle
performance al variare
della temperatura
• Nessun derating delle
performance al variare
della temperatura

11. Milano, 27 settembre 2017 11
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
2
Test Termici
TEST A 40°C CON FASE DI STAND-BY TEST A 40°C SENZA FASE DI STAND-BY
Il test mostra come la tecnologia litio oggetto di prova riesca ad eseguire una scarica completa a 1,5C
anche a partire da una temperatura ambiente di 40 °C senza mostrare derating delle prestazioni e del SOH*,
indipendentemente dalla presenza di fasi di stand-by tra ciclo di scarica e carica
(*) SOH: State of Health
Focus risultati per tecnologia Litio SdA 7

12. Milano, 27 settembre 2017 12
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
SdA 1
SdA 7
SdA 4
CARATTERISTICHE
(*) al 31/12/2016
Obiettivo
Il test ha lo scopo di valutare la capacità del modulo di
sopportare condizioni di funzionamento anomale di carica
e scarica oltre i valori di soglia nominali e contestualmente di
identificarne la variazione delle prestazioni.
• Temperatura ambiente: +25°C;
• SOC iniziale pari a 100%.
• C-rate: 1C
Applicabilità
Condizioni
di test
• Il test è eseguito esclusivamente per le
tecnologie Litio
Procedura Test di Overcharge
• Caricare la batteria fino al raggiungimento del 120% del valore di
tensione massimo corrispondente alla condizione di SOC 100%;
• Mantenere la batteria in questo stato per 8h;
• Fase di scarica completa a 1C (o alla corrente massima ammessa);
RISULTATI
• Risultati positivi
• Nessun degrado performance
• Nessuna situazione di pericolo
3
Test Overcharge/Overdischarge
Procedura Test di Overdischarge
• Scaricare la batteria fino al raggiungimento dell’80% del valore di
tensione minima di cut-off in scarica;
• Mantenere la batteria in questo stato per 8h;
• Fase di carica completa CC-CV a 1C (o alla corrente massima ammessa);
Overcharge
Overdischarge
Overcharge
Overdischarge
• Risultati positivi solo su test di sovrascarica
• Danneggiamento irreparabile del modulo a
seguito del test di overcharge
• Risultati non ancora disponibili*
SdA 5
SdA 6
Overcharge
Overdischarge
Focus nella prossima slide

13. Milano, 27 settembre 2017 13
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
30
30,5
31
31,5
32
32,5
33
33,5
0
20
40
60
80
100
120
0 600 1200 1800
Tensione[V]
Temperatura[°C]
Temperatura [°C] Tensione [V]
Tempo [min]
3
Test Overcharge
TEST DI OVERCHARGE
Non tutte le tecnologie Litio testate sono state in grado di sostenere la condizione di
sovraccarico. In questo caso si è assistito ad un fenomeno degenerativo interno di deriva termica
che ha provocato danni irreparabili al modulo
0
10
20
30
40
50
60
0 126 252 378 504 630 756 882 1008 1134
Temperatura [°C] Corrente [A] Tensione [V]
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Tempo [min]
10 20 30
INTERRUZIONEDELLAPROVA
Focus risultati per tecnologia Litio SdA 4
Fenomeno di
Thermal Runaway

14. Milano, 27 settembre 2017 14
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
CARATTERISTICHE
(*) al 31/12/2016
Obiettivo
Il test ha l’obiettivo di stabilire gli effetti indotti su un
modulo i cui terminali siano sottoposti ad una condizione
di corto-circuito
• Temperatura ambiente: +25°C;
• SOC iniziale pari a 100%.
Applicabilità Condizioni
di test
• Il test è eseguito esclusivamente per le
tecnologie Litio
Procedura
• Cortocircuitare la batteria con una resistenza esterna pari a quella
interna di modulo (devono essere considerate anche le resistenze di
connessione);
• Mantenere la batteria in questo stato per 1h.
RISULTATI
SdA 1
SdA 4
SdA 7
• Nessuna situazione di pericolo (né fiamme nè perdite di elettrolita)
• Confermata capacità del modulo di limitare gli effetti del corto-circuito per mezzo
di elementi sacrificabili
• Risultati non ancora disponibili*
SdA 5
SdA 6
Test di corto-circuito
3

15. Milano, 27 settembre 2017 15
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
CARATTERISTICHE
(*) al 31/12/2016
Obiettivo
Il test ha come scopo l’identificazione dell’andamento di
alcuni parametri prestazionali al variare della corrente di
scarica e all’interposizione o meno di fasi di stand-by
• Temperatura ambiente: +25°C;
• SOC iniziale pari a 0%.
Applicabilità
Condizioni
di test
• Il test è eseguito sia sulle tecnologie Litio che sulle
Zebra ma prevede due procedure distinte
Procedura per tecnologie Litio
• Fase di carica completa CC-CV a 1C
• Fase di stand-by per riportare la temperatura al valore di pre-carica
• Fase di scarica completa a differenti C-rate: 0,5C – 1C – 1,5C
Procedura per tecnologie Zebra
• Fase di carica completa alla corrente massima ammessa
• Fase di stand-by per riportare la temperatura al valore di pre-carica
• Fase di scarica completa alla corrente massima ammessa
KEY FINDINGS*
Test di prestazione
4
In alcune tecnologie Litio la fase di scarica produce un incremento della temperatura media assolutamente predominante
rispetto alla fase di carica anche a parità di intensità di corrente e indipendentemente dalla presenza della fase di stand-by
Altre hanno mostrato una forte dipendenza dalla interposizione della fase di stand-by tra ciclo di carica e di scarica, la cui
assenza influisce notevolmente sulla temperatura media finale raggiunta
Le tecnologie Litio hanno mostrato un comportamento termico differente tra di loro

16. Milano, 27 settembre 2017 16
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
CARATTERISTICHE
(*) al 31/12/2016
Obiettivo
Il test ha come scopo l’identificazione dell’andamento di
alcuni parametri prestazionali quando sottoposti a cicli di
carca/scarica parziali con diversi valori di SOC iniziale
• Temperatura ambiente: +25°C;
• SOC iniziale: più prove a diversi valori di SOC iniziale
Applicabilità
Condizioni
di test
• Il test è eseguito sia sulle tecnologie Litio che sulle
Zebra ma prevede due procedure distinte
Procedura per tecnologie Litio
• Fase di scarica CC a 1C per 3 minuti
• Fase di carica CC a 1C fino al ripristino del SOC inziale
• Fase di stand-by per riportare la temperatura al valore di pre-carica
• SOC iniziale: 10%-90% con step di 10 punti percentuali
Procedura per tecnologie Zebra
• Predisposizione al valore di SOC iniziale previsto
• Iniezione di correnti sinusoidali aventi valore medio nullo con
periodo: 1, 10, 100 e 250 secondi (solo per SdA2)
• SOC iniziale: 20%-80% con step di 10 punti percentuali (SdA 2)
10%, 20%, 50%, 70%, 80% (SdA 3)
KEY FINDINGS*
Test di prestazione a cicli parziali
4
In alcune tecnologie Litio il rendimento energetico rimane costante ed in linea rispetto al valore misurato durante i cicli
completi di carica /scarica. Dalle prime analisi, si evidenzia un aumento del rendimento all’aumentare del SOC iniziale
I test sulle batterie ZEBRA hanno invece permesso di osservare che, durante i transitori con rapidi passaggi dalla fase di
carica a quella di scarica o viceversa, il comportamento della batteria sembra essere funzione dei valori di corrente che
questa ha erogato/assorbito precedentemente
In generale, per alcune tecnologie il rendimento energetico e in generale le prestazioni non mostrano variazioni al variare
del SOC di riferimento

17. Milano, 27 settembre 2017 17
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
Lo scopo del test è la determinazione dei parametri elettrici dei
moduli e delle tecnologie oggetto della sperimentazione per lo
sviluppo di circuiti equivalenti rappresentativi dei modelli di
funzionamento elettrico e termico dei moduli batterie.
Applicabilità • Il test è eseguito sia sulle tecnologie Litio
che sulle Zebra
Creazione del circuito equivalente
4
• La procedura di test prevede l’analisi di più transitori con differenti
condizioni iniziali, in termini di SOC, temperatura e corrente.
• Viene registrata la risposta in tensione del modulo ad un gradino di
corrente sia in carica che in scarica a 0,25C e 1C
icarica
iscarica
t
Gradino di corrente in carica
Gradino di corrente in scarica
Transitori di tensione
da misurare
v
OBIETTIVO PROCEDURA

18. Milano, 27 settembre 2017 18
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
Conclusioni e Sviluppi futuri
Sperimentazione:
esecuzione test
in laboratorio
Individuazione
parametri
caratteristici e
limiti tecnologici
Sviluppo
modelli
tecnologici
 Test di invecchiamento
 Test termici
 Test di overcharge/overdiscarge
 Test di prestazione
 …
 Numeri di cicli vita
 Sovraccaricabilità
 Comportamento termico
 …
 Invecchiamento
 Elettrico
 Termico
• Acquisizione maggiore know-how sulle
diverse tecnologie di accumulo
• Comparazione tecnologica
• Integrazione funzionalità di ottimizzazione
del Virtual Storage Plant
• Gestione ottimizzata e integrata delle
tecnologie di accumulo

19. Grazie
www.terna.it

20. Milano, 27 settembre 2017 20
Il ruolo dello Storage nella gestione delle reti
3
Test Overcharge/Overdischarge
TEST DI OVERCHARGE TEST DI OVERDISCHARGE
Il test ha mostrato la capacità della tecnologia di sopportare condizioni anomale senza che
insorgano situazioni di pericolo e senza alcun degrado delle prestazioni, valutate a seguito del test
in termini di rendimento e capacità
Focus risultati per tecnologia Litio SdA 7
Fase di Overcharge
Fase di Overdischarge