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Sublimina.it è un viaggio personale nel mondo del pensiero umano. Per raggiungere ogni meta c'è una via ed ogni via ha un ingresso. Questa è la mia porta personale, l'ho appena aperta. Ognuno ha la sua porta, qualche volta si ha bisogno, però, di intravedere cosa c'è al di là della porta altrui per mirare l'altrove che sta dietro la propria.  Ispirato da: Franz Kafka, Il processo (1925)


Smart Grid:verso le reti energetiche di nuova generazione

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modello di una smart gridIn questo articolo ci si occupa dello studio di un nuovo sistema rivoluzionario per iniettare “intelligenza” nella rete di distribuzione dell’energia elettrica, tale sistema è conosciuto in letteratura come Smart Grid e riuscirà a limitare con le sue funzioni orrimizzatrici, le emissioni inquinanti e a contenere parte dei costi dell’energia. In linea di principio la Smart Grid consiste nell’integrare la rete di telecomunicazioni, ed in generale le tecnologie ICT, con la rete di distribuzione elettrica. L’integrazione è a tutti i livelli, fino ad arrivare all’utenza finale cercando, tramite opportuni metodi di modificarne il comportamento per renderlo virtuoso rispetto ai consumi ed agli sprechi. Questo epocale cambiamento di paradigma deriva non solo dalla volontà di ottimizzare la rete esistente, ma da stringenti considerazioni ambientali, inquinamento e conseguente riscaldamento del pianeta, che sono andate delineandosi nell’ultimo ventennio dopo gli accordi di Kyoto. Il tutto deve essere fatto rispettando normative quadro vigenti emanate dalla Comunità Europea e recepite dagli stati attraverso regolamentazioni adatte al sistema nazionale di produzione, stoccaggio, trasporto e distribuzione dell’energia. L’innovazione apportata dalle reti elettriche di nuova generazione deve essere consona alle regole di mercato totalmente libero qual è quello degli stati avanzati ad economia di mercato. La Smat Grid è una rete di nuova generazione indispensabile per le nuove forme di produzione dell’energia provenienti dalle energie rinnovabili, come ad esempio eolico o solare, quest’ultime considerate energie ad intermittenza essendo la loro disponibilità altamente dipendente dalle condizioni ambientali. Inoltre, se prendiamo nuovamente come esempio l’energia solare, si sa che la maggiore disponibilità è nelle ore di punta, ovvero nelle ore e nei mesi di massima insolazione; rispetto all’utenza casalinga vi è un disallineamento tra i picchi di consumo, spesso nelle ore serali e i picchi di produzione. Tale energia può essere immagazzinata in opportuni accumulatori, ma attraverso la Smart Grid può essere immessa in rete con possibili vantaggi economici dell’utente sulla bolletta. Bisogna quindi prevedere una infrastruttura che contenga gli sbalzi e assicuri potenza in range di sicurezza, essendo alcune utenze di fascia protetta(es. gli ospedali). La sicurezza deve essere presente, quindi, a tutti i livelli, si pensi all’importanza dei segmenti ad alta tensione (AT) che devono essere particolarmente preservati in quanto sorgenti per numerosi sottosegmenti elettrici che alimentano interi distretti, alcuni anche di grandi dimensioni. L’infrastruttura integrata ha bisogno innanzitutto di un sistema di comunicazione di tipo protocollare in quanto, i vari elementi del sistema devono essere messi in grado di dialogare rispettando parametri di sicurezza, (latency, probabilità di perdita, etc.) di consegna dei dati. Gli elementi del sistema devono essere “intelligenti”, secondo una nuova concezione, che nella teoria delle reti si è andata profilando, che è l’intelligenza distribuita, proveniente da una infrastruttura a gestione non centralizzata. Questo è importante poiché le nuove tecnologie in materia di sensoristica di rilevamento dati e di elaborazione ad alta velocità consentono l’immissione in rete di una grossa mole di informazione, parte della quale potrebbe interessare una data zona e non un'altra. I problemi di una gestione centralizzata sono ben noti, possiamo annoverare ad esempio, la debolezza rispetto ai guasti o ai malfunzionamenti. Una rete ad intelligenza distribuita potrebbe permettere di isolare la zona colpita e continuare il proprio servizio senza subire particolari danni o malfunzionamenti conseguenti. Il meccanismo di raccolta, dislocazione ed elaborazione dell’informazione riguardante la rete elettrica può essere utile non solo per scopi direttamente legati al funzionamento ottimale della rete dal punto di vista infrastrutturale, ma anche per consentire alle società di gestione della distribuzione nuove modalità di rendicontazione e quindi applicare tariffe differenziate (come le tariffe biorarie introdotte da Enel). Ciò, assieme ad altri elementi, dovrebbe consentire di dirigere le scelte dell’utente verso comportamenti virtuosi. Questo è possibile anche perché l’infrastruttura di telecomunicazioni e la tecnologia ICT non interessano solo produzione stoccaggio e distribuzione, quindi gli elementi strutturali della rete elettrica, ma anche dispositivi di utente capaci di scambiarsi informazioni utili all’ottimizzazione della fruizione dell’energia. Importante è la scelta del modello di comunicazione e dei protocolli da utilizzare, gli studi e le considerazioni recenti vedono i protocolli proprietari abbastanza sicuri ma limitativi, mentre nuove proposte e standard possono permettere un più veloce adeguamento di tutta la filiera energetica. Si è quindi del parere di indirizzarsi verso scelte ibride, scelte effettuabili solo dopo un attento e puntuale studio prima teorico e poi pratico. In definitiva il terreno è ancora fresco e permette di seminare idee per alimentare la ricerca in tal senso e la realizzazione dell’infrastruttura accennata.

 

Il progetto di ricerca è interessante, spero di riuscire ad in indirizzarmi verso uno studio sistemistico, che consenta di avere la giusta astrazione per utilizzare i modelli teorici riguardanti l’intelligenza computazionale, appresi fin’ora.

 

D'appresso si illustra, mettendone in evidenza i punti essenziali, il concetto di Smart Grid.

 

Scenari, Il concetto di “Smart Grid”

 

Smart Grid [1]

  1. reti di distribuzione dell’energia elettrica intelligenti formate da elementi che necessitano di comunicare, attraverso una rete di telecomunicazione, per:
    1. Monitoraggio telemisura e telecontrollo
    2. Nuova generazione della filiera dell’energia elettrica con incremento dell’ “intelligenza” basata su tecnologie ICT consolidate ed in sviluppo in scenari in cui l’utente assume una funzione attiva centrale nel ruolo di consumatore e/o generatore
    3. La trasformazione dell’infrastruttura interessano l’intero ecosistema energetico e va nella direzione dell’integrazione tra rete elettrica e infrastruttura ICT perseguendo i molteplici obiettivi degli stakeholder:
      1. Aumento dell’efficienza nella gestione e uso dell’energia
      2. Passaggio da una produzione basata su pochi centri verso molti carichi ad una rete attiva basata su produzione e consumo diffuso in condizioni di mercato con relative problematiche:
        1. i.     Tolleranze delle frequenze di rete
        2. ii.     Controllo e protezione
        3. iii.     Soluzione di problemi di interconnessione, instradamento
        4. iv.     Contabilizzazione dell’uso e pricing
        5. v.     Efficienza rispetto alla domanda e all’offerta di energia 8es. incentivazione dell’utenza all’utilizzo lontano dalle ore di picco

 

  1. Accrescimento della sicurezza e qualità:
    1. i.     Resilenza rispetto al black out
    2. ii.     Regolarità dell’energia disponibile
  2. Riduzione dell’emissioni di CO2
  3. I cambiamenti interessano ciascun ambito della filiera energetica:
    1. Generazione
      1. i.     Integrazione e generazione diffusa permettono la riduzione il dimensionamento dei picchi e di introdurre la Virtual Power Plant o centrale elettrica virtuale con relativa salvaguardia del sistema elettrico sottoposto alle sollecitazioni dei generatori diffusi
  4. Trasporto
    1. i.     Pianificazione e coordinamento di tutte le reti di trasporto interconnesse con smussamento dei picchi di fabbisogno di energia (peak shaving) e protezione del sistema di trasporto
  5. Distribuzione
    1. i.     Automazione sistemica delle reti di Media Tensione (MT) con funzioni di protezione automatica
    2. ii.     Controllo e monitoraggio automatico di reti di Bassa Tensione (BT) con conseguente miglioramento della qualità del servizio
  6. Stoccaggio (diffuso, centralizzato)
    1. i.     Accumulazione di energia nei picchi di sovrapproduzione e disponibilità per applicazioni emergenti (es. trasporti)
    2. ii.     Va controllato nella fasi di carico e scarico
  7. Commercializzazione
    1. i.     Marketplace dell’energia con negoziazione e fatturazione diretta dal venditore all’acquirente
    2. ii.     Pricing dinamico (es: per fasce orarie, classi di qualità)
  8. Consumo
    1. i.     Gestione attiva domanda
    2. ii.     Utilizzo di veicoli elettrici come erogatori di energia immagazzinata
    3. iii.     Smart home o casa “intelligente” dove i consumi sono controllati e i carichi sono programmati da remoto

 

Ruolo centrale delle telecomunicazioni

 

  1. Importante è lo studio dei requisiti, non generico ma puntuale, della rete di telecomunicazioni a supporto dell’efficienza della rete energetica che richiede uno studio attivo e multi-disciplinare
    1. requisiti di comunicazione
    2. requisiti di sicurezza
    3. lo scambi di informazioni tra i punti dell’ecosistema energetico ha funzioni eterogenee:
      1. la comunicazione è essenziale per assicurare il livello di qualità delle forniture e migliorare le decisioni nella rete ospitante fonti energetiche di tipo diffuso
      2. La comunicazione consente scelte di sostenibilità, migliorando la gestione dei flussi energetici e coinvolgendo l’utente al fine di stimolare comportamenti virtuosi
      3. Le esigenze sono variegate ed eterogenee a seconda dei requisiti richiesti dai vari punti dell’ecosistema anch’essi altamente differenziati nelle funzioni espeltate
      4. L’inserimento delle infrastrutture ICT al fianco delle infrastrutture energetiche classiche causa l’emergenza di problematiche di sicurezza informatica

 

Smart Grid: Generazioni

Fase 1: Early Smart Grid

  1. L’Italia la filiera energetica è in uno stato avanzato per quanto riguarda l’intelligenza della rete.
  2. L’operatore di trasmissione ad alta tensione Terna opera su una rete multi-direzionale automatizzata nella gestione dei guasti e nel dispaccio delle energie provenienti da fonti rinnovabili (considerate  intermittenti e non pianificabili)
  3. La rete a media tensione e bassa tensione sono automatizzate nei meccanismi di protezione locali o di segmento di  rete utilizzando protocolli appartenenti alla famiglia IP
    1. Telecontrollo e telelettura dei contatori permettono il contenimento dei costi operativi
    2. L’inserimento delle tariffe biorarie obbligatorie stimola l’utente orientandone il comportamento al fine di sagomarne il comportamento

 

Fase 2: Smart Griddi seconda generazione

  1. L’introduzione, in linea con l’agenda politico-governativa, anche grazie a incentivi, delle tecnologie rinnovabili ha aumentato la presenza delle energie a produzione diffusa spingendo verso una maggiore “intelligenza2 nella rete
    1. Miglioramento del dispaccio delle energie intermittenti attraverso reti di sensori che rilevano dati in tempo reale sullo stato dei generatori e dispositivi che implementano modelli di previsione sofisticati
    2. Controllo delle sollecitazioni causate dall’inserimento in rete delle energie diffuse

Fase 3

  1. La gestione attiva della domanda e l’uso dei sistemi di alimentazione dei veicoli elettrici permettono l’introduzione di una nuova generazione di Smart Grid(Fase 3) con associati nuovi modelli di buiseness e opportunità per nuovi soggetti commerciali come intermediatori o aggregatori per la produzione diffusa (Virtual Power Plant),  soggetti che gestiscono “porzioni autonome” della rete (micro grid), operatori per lo stoccaggio di massa e operatori per la gestione territoriale degli impianti di rifornimento per veicoli elettrici

 

 

 


[1] Green ICT, mercato elettrico e telecomunicazioni, Fondazione UGO BORDONI, Gennaio 2011, Roma

Hanno detto..

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