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Definizione e validazione di una procedura di prova per batterie al litio per applicazioni stazionarie. Installazione e sperimentazione nella test facility di GD di un filtro attivo con supercapacitori

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Definizione e validazione di una procedura di prova per batterie al litio per applicazioni stazionarie. Installazione e sperimentazione nella test facility di GD di un filtro attivo con supercapacitori

Recently updated on Aprile 7th, 2021 at 12:14 pm

Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Ricerche su Reti Attive, Generazione Distribuita e Sistemi di Accumulo – Generazione distribuita e sistemi di accumulo” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. Il sistema elettrico da tempo è in evoluzione da una struttura centralizzata, che vede una netta separazione tra la rete passiva dell’utente e quella attiva dell’utility verso una struttura mista, che vede la presenza di generazione distribuita e sistemi di generazione a fonte rinnovabile e aleatoria a livelli intermedi e in prossimità dell’utenza. In questo scenario i sistemi di accumulo si trovano ad essere impiegati in nuove applicazioni, in accoppiamento ai generatori a fonte rinnovabile che hanno una produzione aleatoria per ridurre le fluttuazioni della potenza generata e garantire la continuità della fornitura, o in applicazioni di peak shaving e load levelling per migliorare lo sfruttamento delle risorse energetiche e ridurre le perdite. Svolgono inoltre un ruolo fondamentale per la gestione delle microreti di generazione distribuita durante il funzionamento in isola essendo gli unici componenti di rete in grado di compensare la differenza tra la generazione e il carico con tempi di risposta sufficientemente rapidi. Sistemi di accumulo con buone prestazioni in potenza, in grado di erogare forti potenze con tempi di risposta veloci, sono impiegati inoltre in applicazioni di power quality, andando ad esempio a compensare microinterruzioni, buchi di tensione e deformazioni armoniche della tensione di rete. Una delle tecnologie di accumulo elettrochimico più promettente è rappresentata dalla batteria litio-ioni, che ha avuto negli ultimi anni uno sviluppo molto rapido spinto in parte dalla possibilità di impiego per l’alimentazione dei veicoli elettrici e che ora trova le prime applicazioni anche nello stazionario. Nel documento sono presentati i risultati di una serie di prove che hanno avuto come oggetto una batteria litio-ioni con elettrolita liquido e una batteria litio-ioni con elettrolita polimerico, realizzate con celle di grande capacità, attorno ai 100 Ah. Lo scopo delle prove è stato la caratterizzazione e il confronto delle prestazioni delle batterie al litio, analizzandone il comportamento in condizioni di lavoro diverse. L’obiettivo delle prove su celle al litio è quello di caratterizzare e confrontare celle di grossa taglia per dimensionare un sistema di accumulo da inserire nella rete di generazione distribuita. Sono stati calcolati tramite l’analisi dei dati di prova alcuni parametri caratteristici dei sistemi di accumulo che permettono di quantificarne le prestazioni, quali la capacità, il rendimento energetico, il rendimento amperorametrico, la densità di energia e l’energia specifica, al variare del regime di scarica e della temperatura ambiente. Le prove hanno evidenziato come le batterie al litio siano una tecnologia molto promettente per ogni tipo di applicazione. Le batterie al litio hanno infatti valori di energia specifica molto elevati (da 100 a 150 Wh/kg a seconda della tecnologia), prestazioni poco dipendenti dalle condizioni di lavoro, un rendimento amperorametrico unitario e un rendimento energetico molto elevato. Un altro aspetto importante è la potenza specifica che in alcune tipologie di celle al litio può arrivare a 2000 W/kg, con valori molto più elevati rispetto a quelli delle batterie tradizionali e quasi paragonabili a quelli dei supercondensatori, che le rendono adatte anche ad applicazioni di power quality. La seconda parte del documento descrive l’installazione nella test facility di generazione distribuita di ERSE e la sperimentazione di un filtro attivo o Active power Quality Conditioner-APQC, realizzato integrando un convertitore elettronico e un sistema di accumulo costituito da una batteria di supercapacitori (40 moduli da 15 V – 58 F collegati in serie, per un totale di 600 V di tensione massima). Il sistema di controllo, realizzato con moduli compactRIO della National Instruments, è costituito da un processore Real Time e da circuiti hardware programmabili inclusi in un componente FPGA e implementa algoritmi di controllo sviluppati in ambiente LabVIEW. Il sistema è dimensionato in modo da alimentare un carico da 10 kW proteggendolo da interruzioni della tensione di alimentazione che possono andare dalla decina di ms di un buco di tensione fino ai 10 s di un’interruzione breve e filtrando le armoniche di tensione.

L’APQC inoltre ha la funzione di proteggere la rete dai disturbi indotti da un carico squilibrato, correggendo il fattore di potenza fino a renderlo unitario, filtrando il reattivo e le armoniche di corrente e svolgendo funzioni di peak-shaving.

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