Descrizione del dimostratore

Nell’ambito dell’attività dottorale, in particolare per gli aspetti concernenti il progetto di ricerca Domus Energia - Sistemi Domotici per il Servizio di Brokeraggio Energetico Cooperativo, oltre all’implementazione dei modelli previsionali del carico elettrico e della produzione da fonti rinnovabili non programmabili, sono state portate avanti attività riguardanti l’implementazione di modelli di gestione ottimale dei sistemi di accumulo, nonché le attività riguardanti la realizzazione del dimostratore dello stesso progetto, che ne rappresenta uno degli obiettivi.

Il progetto nasce con l’obiettivo di gestire i diversi utenti ottimizzando i flussi di energia, riuscendo ad ottenere sia un risparmio economico che la massimizzazione dell’utilizzo di energia da fonti rinnovabili. Il

153 progetto interessa sia la gestione dei flussi di potenza elettrica che quelli termici. Per quanto concerne la gestione della potenza elettrica, nell’ambito del progetto sopracitato, è stato realizzato un dimostratore attraverso il quale si effettua la gestione dei flussi energetici.

Fulcro principale di tale dimostratore è rappresentato da un dispositivo denominato nanogrid for home application (nGfHA). Una nGfHA è una microgrid di piccola potenza per applicazioni in civili abitazioni; essa è realizzata attraverso un bus in continua (DC-bus) al quale si possono interconnettere diverse fonti di generazione, sia programmabili che non programmabili, un inverter per l’alimentazione dei carichi non interrompibili e un sistema di accumulo che risulta fondamentale per poter garantire determinati servizi, come ad esempio la continuità assoluta dell’alimentazione. Tale sistema è connesso alla rete elettrica attraverso un inverter bidirezionale, capace quindi di erogare o assorbire potenza in base alle esigenze.

Ogni nanogrid viene controllata grazie ad una logica DBS (DC-Bus-Signal), attraverso cui, in funzione della tensione misurata sul DC-bus, vengono stabilite le funzioni che la stessa deve effettuare. Inoltre ogni nanogrid può ricevere un segnale dall’esterno per richiedere se erogare o assorbire una determinata potenza.

In tal modo si riescono a gestire i flussi di potenza secondo le logiche descritte in precedenza, utilizzando i risultati dei modelli di ottimizzazione implementati.

Il dimostratore implementato è così costituito: a partire dalla rete, subito dopo il contatore, si diramano diverse linee che alimentano generalmente carichi non privilegiati, attraverso una di queste linee si ha il collegamento ad un impianto PV tradizionale (attraverso un inverter classico), mentre un’altra di queste linee collega una nanogrid, denominata Nanogrid1 in Figura 102. Tale nanogrid, per la configurazione adottata, gestisce anche il collegamento con un impianto fotovoltaico. Essa è connessa ad altre due nanogrid attraverso un bus comune in DC: una nanogrid, denominata Nanogrid 2, controlla un sistema di accumulo e l’inverter che alimenta i carichi privilegiati; l’altra nanogrid, denominata invece Nanogrid 3, può gestire un ulteriore sistema di accumulo (attualmente non connesso), un inverter per carichi critici, insieme ad un generatore stirling (combustione esterna).

Le tre nanogrid lavorano indipendentemente l’una dall’altra, gestendo opportunamente i convertitori interfaccianti le diverse fonti nonché i carichi elettrici. Per poter lavorare indipendentemente l’una dall’altra, senza un’effettiva comunicazione tra i diversi sottosistemi, ci si basa sulla logica DBS, secondo la quale la regolazione dei flussi di potenza avviene misurando la tensione sul DC bus. Ogni nanogrid in funzione delle potenze generate o richieste da eventuali carichi, in base alla disponibilità di sistemi di accumulo (in funzione dello stato di carica) o alla presenza della connessione con la rete elettrica, regola la tensione sul DC-bus ad un opportuno valore; inoltre in funzione del valore di tensione misurato sul DC-bus, ogni nanogrid agisce opportunamente, essendo la tensione del DC-bus rappresentativa dello stato del sistema.

154 Figura 102 Schema semplificativo dimostratore

L’insieme delle tre nanogrid opera cercando di minimizzare la quantità di energia assorbita dalla rete, massimizzando l’utilizzo dell’energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili. La Nanogrid-1, che è interfacciata sia con l’impianto PV che con la rete elettrica, controlla la potenza prodotta dall’impianto PV cercando di massimizzarla; la potenza prodotta viene riversata in rete oppure ceduta al DC bus, dove sono interfacciate le altre nanogrid. La Nanogrid 2 consente di scambiare potenze con il DC-bus, scaricando o caricando il sistema di accumulo e alimentando eventuali carichi critici. Infine l’ultima nanogrid consente di alimentare il generatore stirling, prelevando la potenza prodotta dallo stesso, riversandola sul DC-bus nella disponibilità delle altre nanogrid oppure alimentando carichi locali.

Vi sono diverse possibilità di funzionamento dell’intero sistema che dipendono dallo stato dei vari componenti, nonché dallo stato delle diverse connessioni. Se ad esempio non vi è la connessione con la rete elettrica per qualche motivo, non può essere riversato in rete eventuale surplus di potenza o assorbito eventuale deficit, inoltre in funzione dello stato di carica del sistema di accumulo vi sarà la possibilità di erogare o assorbire una determinata potenza, il sistema di accumulo potrà risultare limitato nelle sue prestazioni.

Supponendo ad esempio il sistema di accumulo sia saturo e non vi sia connessione con la rete elettrica, inoltre la produzione di potenza da PV sia maggiore di quella assorbita dai carichi, non vi sarebbe equilibrio della potenza. Per tale ragione, attraverso il controllo della tensione sul DC-bus, viene comunicato al convertitore che gestisce l’impianto PV che vi è un surplus di potenza, per cui viene modulata la potenza prodotta da tale impianto, riducendola fino a ritornare nel punto di equilibrio con la potenza assorbita dai carichi.

155 La Nanogrid-2 ha la peculiarità di riuscire ad alimentare i carichi privilegiati anche in assenza di connessione con la rete elettrica; essa, in assenza anche della potenza fornita dall’impianto PV, alimenta i carichi critici attraverso un sistema di accumulo di tipo Li-Po, costituito da due cluster di capacità pari a 53 Ah e tensione pari a 222 V, collegati in parallelo, raggiungendo quindi una capacità complessiva di 106 Ah. Tale nanogrid alimenta quei carichi che hanno bisogno di continuità assoluta, per cui non si può avere una eventuale disconnessione, anche temporanea; per tale ragione assume un ruolo chiave il sistema di accumulo impiegato.

Il sistema di accumulo utilizzato è stato infatti oggetto di studio, sia per consentire un corretto funzionamento dell’insieme delle diverse nanogrid sia per poter utilizzare le caratteristiche dello stesso nell’implementazione dei modelli di gestione ottimale dei flussi energetici. Per tale ragione, di seguito viene riportata l’analisi di tale sistema di accumulo, con alcuni dettagli operativi e prove effettuate sullo stesso.