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Le sfide green delle “smart grid”: nuove frontiere tecnologiche

L’informazione è sempre più un elemento abilitante di nuovi servizi nelle reti, incluse quelle elettriche. Il radicale cambiamento di modello di queste reti, con la generazione diffusa di impianti solari ed eolici, richiede soluzioni tecnologiche in grado di fornire capacità di controllo e gestione fortemente innovative

16 Nov 2015
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L’evoluzione della rete elettrica rappresenta uno dei più significativi esempi di come l’introduzione e l’utilizzo intelligente di informazione in una rete stia cambiando in modo radicale interi ecosistemi, che nel caso specifico della filiera energetica vanno dalla generazione alla distribuzione ed utilizzo di energia. La novità sta proprio nell’utilizzo esteso e determinante dell’informazione in processi che tradizionalmente ne apparivano poco impattati. Per molti anni, il livello d’informazione associato alla rete elettrica è stato prevalentemente legato alla segnalazione di difformità, disservizi e misurazioni di pochi parametri essenziali. Oggi diviene invece l’elemento abilitante di nuovi servizi, della survivability della rete stessa e, cosa ancor più importante, uno degli elementi essenziali per la gestione ottimizzata dell’energia a favore di una migliore sostenibilità ambientale.

Il “back stage” delle fonti rinnovabili

Una prima area d’intervento è la generazione elettrica. L’attenzione del grande pubblico in questi anni si è prevalentemente, se non quasi esclusivamente, concentrata su aspetti come il costo per chilowattora prodotto e i rendimenti, insomma gli aspetti di generazione in senso stretto. La realtà, tuttavia, impone uno sguardo diverso a quello che potremmo definire il “backstage” e che svolge sicuramente un ruolo vitale. Il sistema tradizionale di generazione elettrica si basa principalmente su macchine ad energie costanti e prevedibili, come quelle del termoelettrico e dell’idroelettrico. La formula prevalente di questo modello è quella di pochi impianti di grandi dimensioni, con una distribuzione “stellare” e flussi unidirezionali: poche potenti centrali che distribuiscono l’energia a molti utenti. Particolare da non trascurare è che l’accensione di questi impianti, soprattutto nelle grandi centrali termoelettriche, richiede anche diverse ore per arrivare a regime.

Il quadro è radicalmente cambiato con l’ingresso delle fonti rinnovabili, in particolare l’eolico e il solare, che hanno portato ad un “sistema” costituito da molti punti di produzione – in Italia sono centinaia di migliaia – con flussi bidirezionali, in particolare negli impianti di microgenerazione in cui lo stesso soggetto può essere consumatore e produttore allo stesso tempo (il cosiddetto “prosumer”). Val la pena osservare che i regimi tariffari incentivanti inducono spesso scenari in cui l’utente è portato a vendere, e quindi conferire l’energia prodotta senza utilizzarla direttamente, acquistando invece energia a prezzo più basso di quello di cessione quando necessario. Una caratteristica non marginale di questo scenario è imprevedibilità dei flussi, per effetto combinato della dipendenza dalle condizioni meteo e degli autoconsumi.

Poiché la condizione primaria di un sistema elettrico è l’equilibrio di funzionamento, il quadro che ne risulta è di particolare complessità e proprio per questo richiede l’utilizzo di algoritmi intelligenti basati sull’utilizzo e l’elaborazione delle informazioni in rete. Il tutto in un ambito nel quale la distribuzione degli impianti riflette più le condizioni meteo e geofisiche che la vicinanza ai luoghi di consumo e, quindi, l’esigenza di trasporto a distanza dell’energia disponibile. Il sistema è quindi molto più complesso quanto a numero di equazioni (il numero di punti di generazione), variabili (tra cui il funzionamento condizionato dal meteo) e parametri (bidirezionalità, distanza), oltre a dover essere in grado di reagire ai diversi stati praticamente in tempo reale.

Il quadro futuro sarà reso ancor più “intrigante” dall’apparire di un ulteriore elemento, i sistemi di stoccaggio. Lo stoccaggio è un’altra di quelle variabili che sono proprie di un sistema con un rilevante contributo delle energie rinnovabili. Infatti, a differenza dei sistemi tradizionali (termico o idro), l’energia viene prodotta solo in certi momenti e in base a certe condizioni, anche in quantità superiori al necessario, per cui diventa importante poter stoccare l’energia in eccesso. Le soluzioni di stoccaggio sono già da qualche tempo oggetto di studio e sperimentazione ed è previsto siano uno dei principali investimenti dei prossimi anni poiché permetteranno di eliminare gli sprechi di energia e, di conseguenza, raggiungere gli obiettivi di sostenibilità ambientale.

Una maggiore elasticità della rete

Agli impianti convenzionali viene chiesto dai responsabili della rete elettrica (in Italia Terna) un margine, normalmente piccolo, di “riserva di potenza”, per poter compensare o contribuire a compensare, tanto i picchi di domanda quanto la flessione delle fonti eoliche e fotovoltaiche dovuta alla loro dipendenza meteo. Gli impianti rinnovabili possono trovarsi nella curiosa ma inevitabile condizione tanto di eccedenza quanto di carenza di “assorbimento” da parte della rete considerando anche che, soprattutto il termoelettrico, non può essere sottoposto a regimi di start-stop. La visione non infrequente di impianti eolici con le pale ferme anche in presenza di vento è oggi il simbolo di questa condizione. Non a caso, impianti di stoccaggio stanno nascendo proprio in corrispondenza di impianti a energie rinnovabili.

In conclusione, l’esigenza di armonizzazione di un sistema ad alta complessità e stress soprattutto a livello di rete a media tensione e degli stessi impianti di generazione, richiede un monitoraggio costante che, in particolare per la rete italiana, si estende anche agli operatori della rete di trasmissione.

I consumi smart

La rapidità con cui evolve la tecnologia permette di disporre di sistemi sempre più intelligenti che contribuiscono, e sempre più lo faranno in futuro, da un lato a rendere gli utenti autonomi nella gestione delle proprie appliance e dei propri consumi, dall’altro le amministrazioni capaci di rendere le città “smart” e a misura di benessere del cittadino. Ad esempio, l’elettrodomestico intelligente è già una realtà. Alcuni produttori già oggi consentono di comunicare via app con la lavatrice da remoto oppure in casa via wi-fi, tenendo sotto controllo i diversi parametri. Tecnologie di questo tipo, oppure delle semplici “smart plug” collegate al router di casa, consentono di programmare o automatizzare il funzionamento dei singoli apparecchi compatibilmente con la potenza installata, che a sua volta potrà essere modificata anche temporalmente attraverso nuove generazioni di contatori altrettanto smart.

La posta in palio diviene tuttavia ancor più rilevante quando si tratta di governare e ottimizzare impianti di grandi dimensioni. L’impianto che Selta sta realizzando per la gestione da parte di A2A della rete di illuminazione milanese è un esempio che riguarda le “smart city” e che va in questa direzione. Le medesime tecnologie che possono essere impiegate per governare gli impianti a media tensione (per esempio, in uscita da una centrale eolica o solare) possono essere utilizzate anche per governare l’impianto di illuminazione di un quartiere o di un gruppo di strade. Sistemi di questo genere, che integrano l’intelligenza di un controllore programmabile possono, non solo rispondere a logiche temporali anche avanzate, come per esempio aumentare il numero dei punti luce accesi in certe ore e giorni della settimana, ma integrare il loro funzionamento con fotosensori, trasferire dati istantanei dei consumi e ridurre l’inquinamento luminoso di cui, tra l’altro, la valle Padana rappresenta un record negativo in Europa.

L’illuminazione stradale rappresenta uno primi elementi del “puzzle” della smart city, che può comprendere sensori di inquinamento, misuratori di traffico, telecamere di sorveglianza, idrometri e misuratori di portata d’acqua, sistemi semaforici evoluti, display stradali che possono anche giungere a indirizzare i flussi automobilistici in funzione degli orari giornalieri o di necessità particolari (incidenti, manifestazioni, eventi sportivi ecc.). A tutto questo si aggiungono inoltre le funzionalità di smart metering, per il collegamento dei contatori di pubbliche utenze.

In ambito smart city, la rete elettrica rimane una delle infrastrutture abilitanti, poiché può essere “carrier” di nuovi servizi, utilizzando tecnologie PLC, che permettono di trasportare segnali digitali, accanto a sistemi di automazione e Scada per portare intelligenza nella gestione della rete, e sistemi di networking, con adeguato rapporto costo/prestazioni, ottimizzati per supportare i diversi tipi di traffico. Selta fornisce soluzioni su tutti e tre questi ambiti sempre più sinergici, ad esempio il mini-controllore Selta STCE-R (adottato tra l’altro proprio nelle rete di illuminazione smart milanese) o la piattaforma di comunicazione multi-servizi SONHIA in grado di interconnettere reti basate su tecnologie diverse (fibra ottica, doppino in rame, wireless) previste nell’architettura smart city (progetto RoMA) per il comune di Roma e altre città italiane.

In sostanza si sta profilando un’architettura caratterizzata da soluzioni in cui la convergenza, non solo a livello infrastrutturale ma anche applicativo, tra flussi di energia e flussi di informazioni richiede la disponibilità di nuove risposte. La veloce introduzione di queste tendenze anche in ambito consumer è un potente segnale di questa trasformazione.

La rete elettrica sarà una delle aree primarie di applicazione del modello di IoT, l’Internet delle Cose e se in futuro anche le nostre abitazioni, gli stessi condomini delle nostre città, diverranno delle centrali intelligenti di produzione, consumo e stoccaggio dell’energia, a maggior ragione questo sarà possibile solo portando più capacità di comunicazione ed intelligenza nel sistema “locale” e in quello “diffuso”.

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