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Smart grid: cos’è e cosa significa

Smart grid: cos’è e cosa significa

Cos'è la Smart Grid

Smart grid è la rete intelligente, o meglio un insieme di reti elettriche e di tecnologie che, grazie allo scambio reciproco d’informazioni, permettono di gestire e monitorare la distribuzione di energia elettrica da tutte le fonti di produzione e soddisfare le diverse richieste di elettricità degli utenti collegati, produttori e consumatori in maniera più efficiente, razionale e sicura.

Sempre più spesso sentiremo parlare di smart grid e smart city, dato che le reti intelligenti saranno parti integranti di città altrettanto intelligenti, capaci di rispondere in maniera rapida, efficace e mirata alle esigenze, anche energetiche, dei cittadini.

Il concetto di smart grid nasce e si sviluppa in Europa nel 2006 dalla European Technology Platform (ETP) for the Electricity Networks of the Future (SmartGrids), ossia la Piattaforma tecnologica europea per le Smart Grid e riguarda una rete elettrica in grado di integrare in modo intelligente le azioni di tutti gli utenti collegati – in primis produttori e consumatori – per fornire in modo efficiente forniture elettriche sostenibili, economiche e sicure.

La prima definizione ufficiale di Smart Grid è stata fornita dall’Energy Independence and Security Act del 2007 (EISA-2007), approvato dal Congresso degli Stati Uniti nel gennaio 2007 e firmato nello stesso anno dall’allora presidente George W. Bush. Il titolo XIII di questo disegno di legge fornisce una descrizione, con dieci caratteristiche, che può essere considerata una definizione chiave per smart grid, che ha quale elemento comune alla maggior parte delle definizioni l’utilizzo e l’applicazione delle tecnologie digitali e di comunicazione alla rete elettrica, rendendo il flusso di dati e la gestione delle informazioni centrali per la rete intelligente.

A cosa serve la Smart Grid

Le smart grid nascono come evoluzione del sistema elettrico tradizionale per vari fattori: prendendo spunto da quanto promosso dallo Europe’s Strategic Energy Technology Plan (SET Plan), nella sfida energetica europea e nella conseguente transizione energetica, la strategia UE è fondata su cinque presupposti: sicurezza, solidarietà e fiducia; piena integrazione del mercato interno dell’energia; efficienza energetica; azione per il clima e decarbonizzazione dell’economia; ricerca, innovazione e competitività.

La transizione energetica dell’Europa è la chiave per raggiungere gli obiettivi europei e globali di ridurre le emissioni di gas serra e mantenere l’aumento della temperatura globale sotto i 2 ° C. Da qui l’introduzione sempre più spinta delle fonti rinnovabili nel sistema di produzione e la necessità di gestire le naturali fasi di calo e di eccesso di offerta.

Le smart grid aiuteranno lo sviluppo delle rinnovabili dato che grazie al loro apporto e presenza si potrà accogliere una quota maggiore della produzione da rinnovabili, garantendo una gestione affidabile della rete.

Inoltre, costituiscono una necessità determinata dallo sviluppo della produzione energetica su base periferica della rete. La produzione di energia elettrica, specialmente da impianti fotovoltaici, da piccoli produttori locali è già una realtà con uno sviluppo importante e la rete richiede un necessario aggiornamento, contemplando l’esigenza di gestire le situazioni in cui la produzione periferica è limitata o eccessiva rispetto ai consumi.

Le reti intelligenti sono nate proprio per gestire al meglio questa e altre sfide, tra le quali si affermerà una maggior centralità del ruolo dell’utente finale. Infatti, come detto, non sarà più solo consumatore, ma anche produttore: nasce così il prosumer.

I vantaggi della generazione distribuita di energia

L’adozione delle reti intelligenti consente diversi benefici: assicura l’integrazione della generazione distribuita e garantisce l’energia necessaria ai nuovi usi elettrici finali, come le pompe di calore, per esempio. Inoltre le smart grid contribuiscono a ridurre i tempi di interruzione elettrica, permettendo di migliorare la continuità del servizio. Tutto questo grazie alla tecnologia: le smart grid sono dotate di funzioni di riconfigurazione automatica e ottimale della rete e di protezioni che si adattano rapidamente alla topologia della stessa.

Consentono anche di migliorare la sicurezza del sistema mediante una gestione più efficace e puntuale delle risorse connesse alla rete, permettendo l’aumento della quantità di generazione distribuita connessa alla rete senza compromettere la qualità della fornitura.

Permettono di offrire una risposta più rapida a eventualità impreviste e di svolgere ricerche di guasto molto evolute, rapide e in modo automatizzato, minimizzando i tempi di fuori servizio.

La miglior conoscenza della rete, possibile grazie alle smart grid, consente di svilupparla in modo ancor più attento alle esigenze degli utenti.

Grazie alla sua capacità di rilevare sovraccarichi l’energia elettrica viene reindirizzata in modo da prevenire o ridurre al minimo una potenziale interruzione e di lavorare autonomamente quando le condizioni richiedono una risoluzione rapida e sicura.

La sua flessibilità è un altro vantaggio: è in grado di… accettare energia praticamente da qualsiasi fonte, rinnovabile o non, anche se la nascita delle smart grid è legata all’introduzione delle rinnovabili nel sistema. Inoltre è in grado di integrare le migliori innovazioni tecnologiche.

C’è poi l’importanza data al consumatore, sempre più attivo, in qualità di prosumer, che è un aspetto sempre più evidente. Come segnalava Alessandro Marangoni, CEO di Althesys, in Italia, negli ultimi dieci anni siamo passati da qualcosa come settemila impianti di generazione elettrica a più di 700mila oggi. Questo totale comprende le grandi centrali a carbone da 1000 a 2000 MW ma anche il piccolo impianto fotovoltaico da 3 kW da residenziale.

Infine, le reti intelligenti sono in grado di favorire la nascita di nuovi soggetti di mercato, in modo da offrire ai gestori di rete nuovi servizi.

Caratteristiche tecnologiche della smart grid

Prima di addentrarci nelle caratteristiche delle reti intelligenti è bene illustrare, in sintesi, il funzionamento della trasmissione della rete elettrica tradizionale.

Questa costituisce il passaggio tra la centrale di produzione dell’elettricità e la sua distribuzione dai fornitori agli utenti finali, possibile grazie a una rete di trasmissione a grande distanza e ad alta tensione. La distribuzione, attraverso l’apposita rete, viene attuata dalle linee a media (MT) e bassa tensione (BT). L’interfaccia tra la rete elettrica di trasmissione e quella di distribuzione è costituita da cabine primarie di trasformazione da alta o altissima tensione a media.

In pratica, la rete elettrica di potenza, collegata a centrali elettriche che producono energia elettrica, la trasporta ad alta tensione, attraverso la rete di trasmissione, fino a cabine elettriche di trasformazione a MT EBT e da qui fino ai centri di domanda attraverso le linee di distribuzione che raggiungono i singoli clienti/utenti finali.

La rete intelligente, a differenza della rete tradizionale che segue un modello di generazione centralizzata di energia che dalle grandi centrali viene veicolata nelle reti di trasmissione, prevede la presenza di sistemi di generazione distribuita. Essi sono sistemi di produzione di elettricità da fonti rinnovabili, sotto forma di unità di piccola produzione, come possono essere gli impianti fotovoltaici residenziali o aziendali o piccole centrali a biomassa, allacciati direttamente alla rete elettrica di distribuzione.

Dato che le fonti rinnovabili non sono programmabili, gestire sistemi di generazione distribuita di energia richiede anche una “intelligenza” che si manifesta nella gestione del sistema elettrico complessivo così da consentirgli di gestire a livello locale eventuali surplus di energia redistribuendoli in aree vicine, prevenendo o riducendo al minimo un’interruzione potenziale.

Altra innovazione importante delle smart grid è la gestione bidirezionale dell’energia, potendo riceverla, ma anche immetterla nel sistema quando è in eccesso, redistribuendo il flusso in tempo reale e a seconda degli effettivi bisogni.

Per riuscire in questo le smart grid contano su dispositivi intelligenti, tali da permettere uno scambio continuo di informazioni tra tutti i nodi. In tal modo, oltre a ovviare a “buchi”, permette di ridurre gli sprechi. Da qui il suo valore di rete efficiente. Gli smart device che fanno parte della rete intelligente sono sensori, smart meter, computer e altri apparati tecnologici.

Smart grid e differenze con la rete tradizionale

Le smart grid rappresentano quindi l’evoluzione della rete elettrica attuale con l’integrazione intelligente della gestione del flusso di energia elettrica dei produttori, degli utilizzatori e di entrambi.

Le caratteristiche tecnologiche innovative delle smart grid riguardano la gestione della generazione distribuita, permettendo anche l’ottimizzazione delle fonti rinnovabili, e si distinguono rispetto a una rete elettrica tradizionale principalmente per i due aspetti peculiari già accennati:

  • funzionamento bidirezionale
  • abbinamento a dispositivi “intelligenti” (ICT).

L’evoluzione della rete elettrica scaturisce anche per la presenza di nuovi elementi dalla parte della produzione e dalla parte dell’utilizzo di energia elettrica. Infatti si hanno:

  • Fonti rinnovabili non programmabili (fotovoltaico, eolico)
  • Generazione distribuita
  • Nuove tipologie di utenti: prosumer; veicoli elettrici

La rete elettrica tradizionale è di tipo unidirezionale, sia per quanto riguarda il flusso di energia, sia per le informazioni.

L’energia elettrica viene solitamente generata da poche grandi centrali elettriche, dotate di generatori elettromeccanici alimentati da energia meccanica proveniente principalmente da grossi masse d’acqua (idroelettrica) o dalla combustione di fonti fossili (termoelettrica).

Queste centrali di produzione elettrica sono poste in genere lontano dai centri abitati o dagli utilizzatori finali con il risultato che occorre predisporre il trasporto dell’energia elettrica tramite:

  • Rete di trasmissione in Alta ed Altissima tensione (AT e AAT), costituita generalmente da linee elettriche aeree, che collegano zone molto distanti tra di loro, con tensioni elevate per ridurre le perdite;
  • Rete di distribuzione in Media tensione (MT) e in Bassa Tensione (BT), per consegnare l’energia elettrica direttamente agli utenti finali, composta da linee aeree o interrate.

Nella rete tradizionale esistono già collegamenti dati a livello di generazione ma soprattutto di trasmissione dell’energia elettrica in Alta e Media Tensione, utilizzati per il controllo e il monitoraggio della rete.

Essi però fanno uso di diversi mezzi e, soprattutto, utilizzano diversi protocolli molto spesso non interoperabili fra di loro.

L’evoluzione consiste appunto nel rendere questi sistemi intercomunicanti e interagibili fra di loro.

smart grid e reti tradizionaliPer motivi tecnici ed economici invece, la rete di distribuzione è quasi completamente sprovvista di tecnologie di telecomunicazione.

Le reti intelligenti invece prevedono un flusso bibirezionale dell’energia elettrica e uno scambio bidirezionale di informazioni e dati.

Questo significa che l’energia elettrica può anche essere “immessa” nella griglia dagli utenti stessi, sia attraverso generatori di energia come impianti fotovoltaici, sia da sistemi di accumulo di energia elettrica come i veicoli elettrici.

Con le smart grid diventa centrale la figura del prosumer, ovvero un produttore/consumatore che produce e consuma la propria energia, utilizza sistemi intelligenti per incrementare l’efficienza energetica della propria utenza, in modo da ottimizzare i consumi e poter rendere disponibile in maniera efficiente l’energia che produce ad altri utilizzatori.

Nascono così nuovi concetti di gestione di energia elettrica, volti ad effettuare un bilanciamento efficiente dell’energia in modo da progettare la rete elettrica per soddisfare non i picchi di richiesta di energia ma la sua media, questo anche grazie a dispositivi intelligenti per la gestione dei carichi stessi.

Le smart grid si basano molto sul concetto di generazione distribuita, non più centralizzata, e questo conduce a diversi vantaggi, riassumibili nei seguenti:

  • possibilità di introduzione di fonti rinnovabili
  • MaggiorE affidabilità per la presenza di molti generatori distribuiti, rispetto a pochi grossi generatori
  • Riduzione delle distanze tra i generatori e i carichi elettrici

Una differenza fondamentale delle smart grid rispetto alle reti elettriche tradizionale è quindi l’importanza di una sistema di comunicazione e di informazioni, composto da dispositivi intelligenti, composti da sistemi di contatori di energia, sistemi di misura e sensori, tutti interconnessi tra di loro.

Questa interconnessione e l’impiego di algoritmi evoluti permette quindi la gestione intelligente dei flussi di energia, integrando i vari sistemi di generazione con le esigenze degli utilizzatori e dei diversi protagonisti che subentrano nella rete energetica.

Le differenze principali che si possono riscontrare tra i due differenti paradigmi, reti tradizionali e smart grid, risiedono pertanto nell’introduzione di tecnologie avanzate e nella necessità di un coordinamento (management) di quantità di informazioni tramite sistemi di gestione interattivi.

 

Reti tradizionali SMART GRID
Elettromeccaniche digitali
Comunicazioni unidirezionali Comunicazioni bi-direzionali
Generazione centralizzata Generazione distribuita
Pochi sensori Sensori interconnessi
Monitoraggio manuale Monitoraggio automatizzato
Ripristino manuale o semiautomatico Ripristino automatico
Possibilità di guasti e blackout Capacità di adattarsi e isolare i guasti
Controllo limitato Controllo pervasivo
Poche scelte per i clienti Molte scelte per i clienti

Tab. 1 – Differenze tra Reti tradizionali e Smart Grid

A cura di: Alessandro Scaffidi

Smart grid e micro grid

Quali sono le differenze tra smart grid e micro grid? Per comprenderle occorre tornare alla rete elettrica tradizionale, che comprende generazione, trasmissione e distribuzione, in maniera univoca (produttore verso consumatore). Le smart grid sono un modo di intendere la produzione e il consumo in maniera più ampia, che comprende inoltre tecnologie di comunicazione e computer progettati per “rivoluzionare” la rete elettrica. In pratica, affianca sistemi d’informazione alla rete di distribuzione per gestirla in modo intelligente, ottimizzandola ed evitando sprechi.

Le micro grid sono una parte di un sistema più ampio in grado di consentire alla rete intelligente di diventare realtà. O, più precisamente, costituiscono un sistema di distribuzione locale formato da generatori e sistemi di accumulo, in grado di operare sia in modo autonomo (“a isola”) oppure in connessione con il sistema elettrico nazionale. Opera come un singolo sistema controllabile in modo da fornire elettricità e calore all’area locale, sfruttando l’energia da fonti rinnovabili, immagazzinandola e rendendola disponibile alle utenze interne.

Come espresso dal Berkeley Lab, le micro grid sono state proposte come una nuova architettura di rete di distribuzione all’interno del concetto di smart grid, in grado di sfruttare appieno i vantaggi derivanti dall’integrazione di un gran numero di risorse energetiche distribuite su piccola scala in sistemi di distribuzione di elettricità a bassa tensione.

Grazie alle micro reti si ottengono un aumento dell’efficienza economica e l’ottimizzazione dell’uso delle risorse. Inoltre, dato che il consumo avviene dove si produce, si può contare su una riduzione dei costi di trasporto dell’energia e su un miglioramento del controllo e della gestione dei generatori e dei carichi a vantaggio di una migliore qualità e continuità di servizio.

Progetti di ricerca europei sulla smart grid

In Europa si contano 950 progetti di reti intelligenti, lanciati dal 2002 a oggi, per un totale investimenti di circa 5 miliardi di euro. Lo segnala il rapporto “Smart grid projects outlook 2017” realizzato dal JRC Science Hub della Commissione Europea. Si tratta della banca dati più completa di progetti smart grid avviati dagli Stati membri UE a oggi (La nuova versione del report è prevista per il 2020).

Al lavoro scritto si affianca anche quello che permette di visualizzare, in un database online, i vari progetti e centri di ricerca, permettendo così di seguire i progressi realizzati, oltre che in UE anche nel Regno Unito, Svizzera e in Norvegia.

Dall’analisi emergono forti differenze tra gli Stati membri per quanto riguarda il numero di progetti e il livello globale e il ritmo degli investimenti. Gli investimenti privati sono la principale fonte di finanziamento, ma i finanziamenti europei e nazionali svolgono un ruolo importante nell’incentivare i finanziamenti privati e incentivare gli investimenti.

Il report evidenzia come siano i gestori dei sistemi di distribuzione gli attori più importanti o, almeno, quelli con i maggiori investimenti stanziati. Tuttavia, non mancano istituzioni pubbliche e altri stakeholder emergenti, stanno aumentando costantemente i loro investimenti nel settore. I settori con i maggiori investimenti sono la Smart Network Management, la gestione della domanda e l’integrazione della generazione distribuita e dello storage, che insieme rappresentano circa l’80% dell’investimento totale. Molti progetti, tuttavia, affrontano contemporaneamente diversi settori per studiare e testare l’integrazione sistemica di diverse soluzioni.

Un altro aspetto in evidenzia riguarda la riduzione del numero dei progetti dopo il 2012: esso sembra essere parziale ascrivibile alla prudenza degli investitori privati nel finanziare progetti di sviluppo, testando soluzioni più avanzate.

Anche se alcune applicazioni si stanno avvicinando al raggiungimento della maturità commerciale, chi è interessato alle smart grid vede ancora opportunità nell’investire nei filoni della ricerca e sviluppo più avanzati, su soluzioni integrate e interoperabili.

Altre indicazioni emergono dallo studio. La prima riguarda la natura dei progetti: quelli riguardanti ricerca e sviluppo sono più numerosi di quelli dimostrativi (57% contro 43%), ma rappresentano una quota minore dell’investimento totale (32% contro 68%).

Secondo gli analisti, l’elevato numero di iniziative di R&D (541) suggerisce che anche se alcune soluzioni di rete intelligente stanno avvicinandosi alla fase di commercializzazione, gli sforzi in termini di ricerca sono ancora necessari in molti ambiti, proprio per studiare nuove opzioni e funzionalità, nonché la loro integrazione e interoperabilità all’interno della rete.

Il budget più ampio dedicato ai progetti dimostrativi (411 in totale), rispetto a quelli di ricerca, si spiega con il fatto che, per esempio, la loro attuazione richieda investimenti maggiori, in termini di costi per testare la fattibilità tecnica, spesso svolti sul campo: per i primi si stanziano mediamente 9 milioni, quasi tre volte in più rispetto ai secondi (3,3 milioni di euro).

D’altronde, quelli dimostrativi richiedono ingenti investimenti, necessari per dimostrare la fattibilità tecnica e di mercato di nuove soluzioni in ambienti di vita reale, spesso comprendenti numerosi test sul campo con diversi gruppi di utenti. Inoltre, richiedono molte volte il coinvolgimento di una varietà di attori e spesso incorrono in costi di gestione elevati.

La maggior parte (66%) sono sviluppati a livello nazionale. La Germania è il primo Paese per numero (330) di programmi sviluppati sia a livello nazionale sia partecipato, seguita da Regno Unito (197), Danimarca (181), Spagna (178), Francia (159); l’Italia (148) è sesta.

I primi tre Paesi spiccano per il favorevole ambiente nazionale o regolamentare creato per lo sviluppo di smart grid. Adottare una politica e un quadro normativo incentivante rafforza il potenziale di esportazione nazionale e rende il Paese attrattivo per gli investimenti esteri in smart grid. In particolare, l’adozione di roadmap dedicate è un chiaro segnale del fatto che le reti intelligenti sono in cima all’agenda nazionale, attirando così gli investitori stranieri a cercare partnership con le parti interessate locali per entrare nel mercato nazionale. Sono pochi, finora, gli Stati membri che hanno adottato tabelle di marcia per il rapido sviluppo delle reti intelligenti.

In misura minore, la creazione di piattaforme di smart grid nazionali e regionali, sviluppate in vari Paesi membri, può anche promuovere lo sviluppo di progetti dedicati. Tali piattaforme sono reti di diverse parti interessate che si riuniscono per favorire la transizione verso le smart grid, per promuovere lo sviluppo di iniziative congiunte e per diffondere le migliori pratiche e le lezioni apprese.

Infine, un fattore che avrà un’importanza crescente per la promozione di smart grid nei prossimi anni è l’adozione di strategie nazionali e regionali dedicate.

Tornando ai 950 progetti totali, essi contano sulla presenza di vari enti o aziende partecipanti: ognuno annovera tra i 6  e i 76 attori coinvolti. Tali organizzazioni rientrano in 15 differenti categorie: produttori di energia elettrica, gestori di rete di trasmissione, gestori di rete di distribuzione, utility, venditori o rivenditori di elettricità ai clienti finali, aziende ICT e TLC, technology manufacturer (attivi nella progettazione e produzione di soluzioni di smart grid, in particolare soluzioni hardware), associazioni industriali, fornitori di servizi di ingegneria (come la progettazione e realizzazione di edifici a basso consumo energetico), università, centri di ricerca pubblici e privati, società di consulenza, istituzioni pubbliche, enti vari. In totale si contano 2900 organizzazioni.

Per quanto riguarda invece i principali settori coperti dai progetti di smart grid, sono stati individuati cinque comparti:

  1. Smart Network Management, cui appartengono quelli mirati all’aumento della flessibilità operativa della rete elettrica attraverso funzionalità avanzate di monitoraggio e controllo della rete. Questo richiede abitualmente l’installazione di apparecchiature di controllo e monitoraggio della rete e comunicazioni dati rapide e in tempo reale;
  2. gestione della domanda, che raggruppa progetti finalizzati a modificare modi ed entità dei consumi elettrici da parte degli utenti finali, in modo da ottimizzare la curva di carico. In particolare, tale sistema di gestione promuove l’efficienza energetica e stimola la scelta migliore delle fonti di approvvigionamento da parte del consumatore;
  3. integrazione della generazione distribuita e accumulo: i progetti di quest’ambito sono incentrati su schemi di controllo avanzati e nuove soluzioni di telecomunicazion per integrare la generazione distribuita e l’accumulo di energia nella rete di distribuzione, garantendo affidabilità e sicurezza del sistema;
  4. E-mobility: riguardano soluzioni focalizzate sull’integrazione intelligente di veicoli elettrici o ibridi plug-in nella rete elettrica;
  5. integrazione delle fonti rinnovabili: vi rientrano i progetti pensati per integrare le fonti energetiche rinnovabili nella rete di trasmissione o di distribuzione ad alta tensione. Altre iniziative sono legate alla regolamentazione del mercato o alla cybersecurity.

Il documento offre molti dati a proposito dello stato dell’arte dei progetti. Eccone alcuni:

  • 950 avviati in totale in 50 Paesi
  • 626 quelli nazionali, di cui 370 hanno più di un partner
  • 324 internazionali, con una media di 14 Paesi coinvolti per progetto
  • 30 mesi di durata media
  • 4,97 miliardi di euro, gli investimenti stanziati (spesa media, 5,7 milioni €)
  • 3,36 miliardi € stanziati per progetti dimostrativi e 1,61 per quelli R&D;
  • 642 progetti completati per una spesa di 2.82 miliardi €
  • 2 900 organizzazioni
  • 5 900 partecipazioni
  • 700 organizzazioni coinvolte in più di un progetto
  • 67 è il numero massimo di progetti in cui è coinvolta una singola azienda
Scritto da
Andrea Ballocchi