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Smart grid: garanzia della qualità e della continuità dell’energia elettrica negli impianti industriali

Smart grid: garanzia della qualità e della continuità dell’energia elettrica negli impianti industriali tramite la tecnologia rotante con flywheels applicata alla cogenerazione

La qualità energetica è vitale nei processi produttivi. Migliorare la qualità elettrica è necessario dove una perturbazione della rete elettrica causi danni a macchinari/robot/automazione (sostituzioni/ricambi), costi di ripristino (ore uomo/strumenti/materiali), prodotto non conforme (rilavorazione/scarti) e mancata produzione (minor profitto/danni di immagine). La tecnologia rotante con flywheel può proteggere i carichi sensibili dalle anomalie di rete e operare in isola con la cogenerazion

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
mcTER Cogenerazione - Verona ottobre 2017 workshop

Pubblicato
da Benedetta Rampini
mcTER Cogenerazione - Verona 2017Segui aziendaSegui




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Estratto del testo
Veronafiere 18 ottobre 2017 Gli atti dei convegni e pi di 8.000 contenuti su www.verticale.net SMART GRID Garanzia della qualit e della continuit dell'energia elettrica negli
impianti industriali tramite la tecnologia rotante con flywheels
applicata alla cogenerazione
Ing. Lanfranco Pedrotti
Amministratore Delegato
Piller Italia srl Verona 18/10/2017 Agenda ' Chi siamo ' Perch preoccuparsi della Power Quality ' Cosa un UPS rotante con flywheel ' La tecnologia rotante applicata alla cogenerazione ' Dimensionamento UPS rotante per stabilizzare la rete in isola ' Case study ' Conclusioni Chi siamo ' Azienda tedesca fondata nel 1909 ' Due stabilimenti: Osterode / Bilshausen Germania ' >800 dipendenti nel mondo ' Supporto al cliente tramite filiali per ingegneria, vendita e service ' Unica azienda al mondo che progetta/produce UPS rotanti, statici e accumulatori di energia cinetica (flywheel) ' Nel 2016 Piller ha acquisito Active Power Inc ' Leader di mercato accumulatori cinetici 3 PRODOTTI ' Gruppi rotanti di continuit fino a 2500 kVA ogni singola unit ' Gruppi statici di continuit ' Commutatori statici ' Regolatori di tensione per le linee di distribuzione (RTL) ' Sistemi di alimentazione aeroportuali 50/400 Hz ' Convertitori di frequenza 50/60 Hz ' Sistemi di alimentazione per applicazioni militari Chi siamo SERVIZI ' Studi di fattibilit ' Supporto tecnico ' Posa in opera ' Commissioning/training operatore ' Prove di funzionamento ' Manutenzione e riparazione ' Diagnosi e ricerca guasti ' Diagnostica e supporti remoti ' Noleggio UPS rotanti e banchi di carico Chi siamo Perch preoccuparsi della Power Quality' Passato Presente Futuro Generazioneconcentrata Fontitradizionali programmabili Utenzapassiva Generazionedistribuita Fontirinnovabilinon programmabili Utenzasemi-passiva Generazionedistribuita Fontirinnovabilinonprogram. Utenzaattiva Accumuli,Emobility,Microreti Daunsistemasemplice''''''''''''''''''''''.adunocomplessooSmart! Norme e delibere Forma d'onda (Norma CEI EN 50160) Continuit del servizio (Delibera AEEGSI 646/15) Qualit Tensione Qualit Tecnica CAUSE anomalie Dipendenti dal distributore Dipendenti dal cliente Indipendenti EFFETTI anomalie Danno apparecchiature Costi di ripristino Prodotto/servizio non conforme Mancata produzione/ penali ritardata consegna 8 Utilizzazione Generazione: Rinnovabile Industry 4.0 POWER QUALITY Generazione Vs Utilizzazione Perch preoccuparsi della Power Quality' Dall'avviodelmercatoelettrico,nel2004,ilmixdelparcodigenerazione radicalmentecambiato.
Lacapacittotaleinstallatadellerinnovabilinonprogrammabilinel2015aumentatadel33%vs.il2004. La produzione di energia prodotta dalle rinnovabili
cresciuta fino al 40% del totale.
Si ridotta sensibilmente anche la Potenza di Cto Cto della
Rete, da una parte causata dalla generazione tramite
inverter con il fotovoltaico/eolico e lo spegnimento di molte
centrali tradizionali, dall'altra a causa della riduzione del
carico di tipo industriale, ossia di una riserva rotante
garantita dai motori elettrici installati nei processi industriali. Buchi di tensione 10 L'origine dei buchi di tensione dovuta ai seguenti fenomeni:
' In Alta Tensione (AT) le cause sono associate alla meteorologia
(fulmini, vento, ghiaccio), all'esercizio, ad errori umani e altre
cause (incendi, piante, etc.). ' In Media Tensione (MT) dai buchi provenienti dall'AT e da
fenomeni associati alle sovracorrenti, come i corto circuiti, le
correnti di inserzione di trasformatori o condensatori, le
correnti di spunto dei motori e ai carichi non lineari. ' Statisticamente il numero dei buchi prodotti in AT circa il
30%, mentre quelli prodotti in MT circa il 70%. ' In aggiunta a quanto sopra la rete di trasmissione e di
distribuzione in Italia in questi ultimi anni 10 ha ridotto
sensibilmente la propria Potenza di Cto Cto, da una parte
causata dalla generazione tramite inverter con il fotovoltaico/eolico e lo spegnimento di molte centrali
tradizionali, dall'altra a causa della riduzione del carico di tipo
industriale, ossia di una riserva rotante garantita dai motori
elettrici installati nei processi industriali. Utilizzazione ITIC/CBEMASEMIF47 Utilizzazione InVERDE ibuchiditensionesopportabilidaapparecchiaturediclasse2e3
InROSSO ibuchiditensionesopportabilisolodaapparecchiaturediclasse3
(IEC61000-4-11e34) ClassificazionedeibuchiditensionesecondolaNormaEuropeaEN50160 http://queen.rse-web.it Monitoraggio delle anomalie di tensione 13 Costi dovuti alle microinterruzioni Nel 2006 l'Autorit ha commissionato al Dipartimento di Ingegnera Gestionale del
Politecnico di Milano un'indagine sui costi delle microinterruzioni per l'economia
italiana:
' costi diretti dei settori osservati 274 M' /anno ' costi indiretti 197 M' /anno ' settori non osservati (stima) 315 M'/anno Costo totale per il paese Italia: 786 M'/anno ll terminemicrointerruzioni individua:buchiditensione+interruzionitransitorie Quantificare i costi dovuti alle anomalie di rete significa valutare:
' danni alle apparecchiature(costi per sostituzione, pezzi di ricambio, etc.) ' costi di ripristino (ore uomo, strumenti, materiali, etc), ' prodotto/servizio non conforme (costi di rilavorazione, scarti, etc.) ' mancata produzione (minor profitto, danni di immagine, etc.) Cosa un UPS Modulo UPS Accumulo energia Statico: inverter alimenta il carico Rotante: macchina sincrona al carico Batteria stazionaria: energia chimica Volano: energia meccanica Filtra le anomalie e regola la tensione Supera le interruzioni e regola la frequenza 15 Rete Carico Cosa un UPS rotante con flywheel COMPONENTI PRINCIPALI :
' Moto-generatore UNIBLOCK regola la tensione (V = Q ' kVAr ) ' La reattanza disaccoppia la rete dal carico (filtro) ' Flywheel POWERBRIDGE ad asse verticale regola la frequenza (f = P - kW) Flywheel POWERBRIDGE' Moto-generatore UNIBLOCK' Reattanza Q P UNIBLOCK: moto-generatore sincrono Cuore del Sistema Cosa UNIBLOCK: Macchina sincrona trifase
con doppio avvolgimento
statorico UNIBLOCK: moto-generatore sincrono Generatore Motore Tecnologia standard fino agli anni '80 Unica macchina elettrica estremamente affidabile comprendente motore e generatore Raddrizzatore rotante Avvolgimento 'generatore' Avvolgimento 'motore' Motore di lancio Eccitatrice Ventola Macchina compatta mono-motore progettata da Anton Piller nel 1981 Cuscinetto di guida UNIBLOCK: moto-generatore sincrono Ventola Pony Motor Eccitazione Brushless Avvolgimenti motore e
generatore in un unico
statore Rotore comune con avvolgimento smorzatore Disposizione verticale
per un minore carico
sui cuscinetti Cuscinetto portante Curva capability P vs Q P(kW) Q(kVAR) A(kVA) Capacitivo Induttivo UNIBLOCK: moto-generatore sincrono Rete Carico UNIBLOCK VL VM Ingresso:
Livello di tensione:
+/- 10% permanente
- 20% per 10 minuti
- 50% fino a -100% per 200 ms Riduzione armoniche da rete: 99% Corrente di corto verso rete: 2 x In 50% 1% G M 7% L1 L2 Lg Lg = M = L1*L2 M CHOKE Uscita:
Livello di tensione:
- precisione: +/- 1% permanente - fattore di cresta: illimitato Riduzione armoniche da carico: 99%
Corrente di corto verso carico:
- 14 x In
- 3 x In fino a 5 s REATTANZA: magic-choke POWERBRIDGE: accumulatore cinetico Cuscinetto superiore Magnete di trazione Eccitazione brushless Macchina sincrona principale Volano Cuscinetto inferiore POWERBRIDGE: accumulatore cinetico Curve autonomia Vs carico UNIBLOCK' UBT+ con POWERBRIDGE' Powerbridge Uniblock Convertitore difrequenza Interruttorirete uscitaebypass Pannello comandi UNIBLOCK' UBT+ con POWERBRIDGE' 25 UNIBLOCK' UBT+ con POWERBRIDGE' 26 UNIBLOCK' UBT+ con POWERBRIDGE' 27 UNIBLOCK' UBT+ con POWERBRIDGE' 28 UNIBLOCK' UBT+ con POWERBRIDGE' MT 29 UNIBLOCK' UBT+ con POWERBRIDGE' MT 30 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Rete Eolico Carico Cogenerazione/Gruppi elettrogeni UNIBLOCKUBT+ TM Solare PROBLEMA
Negli impianti di cogenerazione, a causa della lenta dinamica dei motori a gas, si possono
verificare delle instabilit di frequenza e tensione, che portano al blocco dell'impianto,
durante le seguenti condizioni:
A) Perdita della rete: in caso di cessione di energia in rete B) Perdita della rete: in caso di assorbimento di energia dalla rete C) Funzionamento in isola: in caso di elevate variazioni di carico SOLUZIONE
Il sistema Piller UBT PCD (Power Conditioning Device), oltre a proteggere l'impianto,
ha la funzione di stabilizzare la frequenza negli impianti di cogenerazione durante il
funzionamneto in isola. Il gruppo rotante Piller UNIBLOCK UBT con accumulatore cinetico
POWERBRIDGE in grado di compensare variazioni di potenza positive o negative (ad
es. esportazioni o importazioni di energia dalla rete o gradini di carico), svolgendo la
funzione di polmone elettrico Protezione e stabilizzazione delle reti in isola CASO A) PERDITA DELLA RETE CON CESSIONE DI ENERGIA VERSO RETE Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Carico Rete G COG (Pcog) (Pc) V, f fissati dalla rete COG regola P e Q (cosfi) (Ptr) V f Pcog = Pc + Ptr Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Rete G (Ptr) V f (') V f (Pc) Carico COG (Pcog) Pcog = Pc + Ptr Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog Pc Ptr t (s) V f Rete Isola P (kW) Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Rete G COG (Pcog) (Ptr) Pcog = Pc + Ptr V , f = OK V, f (Pc) Polmone
Elettrico
(PCD)
M G M Carico Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog Pc Ptr transitorio Energia accumulata dal PCD V f Rete Isola P (kW) t (s) Protezione e stabilizzazione delle reti in isola CASO B) PERDITA DELLA RETE CON ASSORBIMENTO DI ENERGIA DALLA RETE Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Rete G COG (Pcog) Pc = Pcog + Ptr (Pc) V, f fissati dalla rete COG regola P e Q (cosfi) Carico (Ptr) V f Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Rete G COG (Pcog) Pc > Pcog V f (') V f (Pc) Carico (Ptr) = 0 Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog Pc2 Ptr t (s) V f Rete Isola Stacco carichi Pc1 transitorio P (kW) Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Rete G COG (Pcog) (Ptr) Pc = Pcoge + Ptr V , f = OK V, f (Pc) Polmone
Elettrico
(PCD)
M G M Carico Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog Pc Ptr t (s) V f Rete Isola Stacco carichi Pc Energia ceduta dal PCD transitorio P (kW) Protezione e stabilizzazione delle reti in isola CASO C) FUNZIONAMENTO IN ISOLA CON ELEVATE VARIAZIONI DEL CARICO Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Carico G COG (Pcog) (Ptr) Pcog = Pc + Ptr V , f = OK V, f (Pc) Polmone
Elettrico
(PCD)
M G M Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Pcog Pc3 t (s) V f Isola Pc2 Pc1 Energia in/out dal PCD Pcog P (kW) Protezione e stabilizzazione delle reti in isola Dimensionamento del sistema PCD DATI PRINCIPALI ' Potenza del carico (kW) ' Potenza della cogenerazione (kW) ' Max gradino di potenza trasmessa in rete/ricevuta dalla rete (Pgap) ' Max gradino di potenza del carico in funzionamento in isola (Pgap) ' Gradiente minimo di salita/discesa della cogenerazione (kW/s) Pcog Pc Pgap t (s) Energia accumulata
dal PCD
kW Gradiente Coge kW/s Dimensionamento del sistema PCD COGENERATORE: curva di capability in isola Dimensionamento del sistema PCD COGENERATORE: classi con riferimento alla frequenza (senza PCD) ISO 8528-1 Dimensionamento del sistema PCD COGENERATORE: classe con riferimento alla tensione (senza PCD) ISO 8528-1 Dimensionamento del sistema PCD Dall'esperienza: gradiente kW/s = 0,6% 1,2 % x Pn COGE COGENERATORE: gradiente (kW/s) Pgap (kW) Uniblock MJ = Pgap(kW)2 (2 x kW/s cog x 1000) Powerbridge Dimensionamento del sistema PCD POLMONE ELETTRICO PCD Dimensionamento del sistema PCD PERFORMANCE UBT PCD + COGENERATORE Variazione di frequenza in isola: +/- 1% Hz Variazione di tensione in isola: +/- 1% +/- 10% Vn Rete Carico Cogenerazione UNIBLOCKUBT+ TM Dimensionamento del sistema INTERFACCIA TRA POLMONE ELETTRICO UBT PCD E COGENERAZIONE Durante il funzionamento in isola, la regolazione di frequenza effettuata dal UBT PCD
e invia un segnale 4..20 mA, proporzionale alla potenza immessa in rete dall'UBT, al PLC di
impianto, che ha il compito di azzerare tale potenza, pilotando la cogenerazione per far
raggiungere l'equilibrio tra potenza generata e quella consumata. UBTPCD PLC IMPIANTO Cogenerazione CARICO ' Pg Pc 4 . . 20 Case study CASE STUDY AMD Dresda SINCROTRONE Trieste GAI Ceresole d'Alba Case study 1)AMD:industria produzione disemiconduttori ' Processo: produzione microprocessori ' Applicazione: generazione locale con connessione alla rete ' Generazione: cogenerazione a gas naturale in MT ' Problema: trasferimento dei disturbi dalla rete ai carichi critici;
instabilit di frequenza e tensione dei motori a gas
durante il transitorio rete-isola e l'esercizio in isola ' Soluzione : 4 x UBT 1670 kVA in MT con PowerBridge da 16MJ Case study AMD una multinazionale statunitense produttrice di semiconduttori. leader mondiali nella produzione di
microprocessori per il mercato consumer, workstation e server. L'impianto di Dresda, ora ceduto a
Global Foundries, produce circa 50.000 wafer al mese Case study ' Potenza richiesta dal carico 30 MW @ 20kV ' Utilizzazione di 9 motori a gas da 4 MW a gas naturale; ' Possibilit di scambiare potenza con la rete fino a 5 MW in entrambi le direzioni Case study 2)SINCROTRONE:centro diricerca internazionale ' Processo: studio della luce ' Applicazione: generazione locale con connessione alla rete ' Generazione: trigenerazione a gas naturale in BT ' Problema: trasferimento dei disturbi dalla rete ai carichi critici;
instabilit di frequenza e tensione dei motori a gas
durante il transitorio rete-isola e l'esercizio in isola ' Soluzione : 1 x UBT 1100 kVA in BT con PowerBridge da 16MJ Case study: Sincrotrone Elettra Sincrotrone Trieste un centro
di ricerca internazionale specializzato
nello studio della luce. La sua missione di promuovere la
crescita culturale, sociale ed economica tramite la ricerca di base e
applicata, il trasferimento tecnologico e
della conoscenza, l'alta formazione tecnica, scientifica e gestionale, la
creazione e il coordinamento di reti
scientifiche nazionali e internazionali. Case study: Sincrotrone Carico UBT PCD Rete ' La potenza del carico di 1 MW ' Utilizzazione di 3 cogeneratori da 580 kW a gas naturale ' Il caldo/freddo prodotto utilizzato dai laboratori ' Energia in eccesso va in rete Case study Prove incampo
Evento: mancanza rete 3xCOG (75%): 1305kW Carico: 600kW Export: 705kW Impianto Hz PB Hz Case study 3)GAI:industria manifatturiera 4.0 ' Processo: produzione di macchine imbottigliatrici ' Applicazione: stabilit della frequenza e della tensione con la presenza di due cogeneratori e di un impianto FV ' Problema: garantire la continuit all'intero stabilimento e il
funzionamento in isola autoproducendo l'energia
tramite impianto fotovoltaico, cogenerazione, gruppo
elettrogeno di emergenza; ' Soluzione : 1 x UBT+ 1500kW con 2 Powerbridge da 21 MJ Case study La GAI nasce nel 1946. E' leader nella produzione di
macchine imbottigliatrici. Esporta in tutto il mondo e ha
sede a Ceresola d'Alba (CN) Il 93% dell'energia viene autoprodotta, di cui il 50% con il
fotovoltaico e il 43% con cogenerazione Case study Carico: 1200 kW UPS Piller: 1500 kW con 2xPB21MJ Motore a gas Viessmann : 2 x 538 kW Motore a gas Viessmann: 1 x 236 kW Impianto FV: 2000 kW Genset Cummins: 1500 kW Impianto elettrico Powerbridge Uniblock Convertitore difrequenza CARATTERISTICHEMACCHINAGAI ' 1.670kVA/1500kW ' POWERBRIDGE:2X21MJ=42MJ Case study Case study Durante il funzionamento in isola, la regolazione di frequenza effettuata dal UBT PCD e il
PLC ALBASYSTEM ha il compito di far raggiungere l'equilibrio tra potenza generata e
quella consumata. UBT+1500 2xPB21 PLC ALBASYSTEM Case study Viessmann Cummins Fotovoltaico CARICO GAI MJ Pg Pc Case study I vantaggi degli UPS rotanti Piller sono: ' continuit elettrica di qualit, affidabile e robusta; ' funzionamento in isola con vari tipi di generazione tramite i flywheels ' assenza delle batterie ' sovraccaricabilit del 150% per 2 minuti; ' elevata corrente di corto circuito per garantire la selettivit ' minimi costi di manutenzione Conclusioni Grazie per la Vostra attenzione Piller Italia Srl V.le Colleoni 25 -20864 Agrate Brianza (MB) Tel. 039 6892735; Fax. 039 6899594 www.piller.com - italia@piller.com


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