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.
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.
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.
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.
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:
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:
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:
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.
Per 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:
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
Le smart grid utilizzano sistemi di gestione di energia elettrica intelligenti, che utilizzano comunicazioni bidirezionali per incrementare efficienza, affidabilità e sicurezza della fornitura di energia. Varie tecnologie vengono utilizzate per rendere il funzionamento della rete ottimizzata e intelligente. Queste tecnologie chiave possono essere raggruppate in cinque aree tecnologiche chiave:
Comunicazioni integrate – Una piattaforma per le comunicazioni integrata, affidabile e ad alta velocità è considerata fondamentale per la realizzazione di smart grid. Il sistema di comunicazioni integrate consente il collegamento dei componenti a un’architettura aperta per informazioni in tempo reale, per il controllo e scambio di dati in modo da massimizzare l’efficienza ed ottimizzare l’affidabilità del sistema. Grazie alla comunicazione integrata, le informazioni possono essere trasferite più rapidamente tra le stazioni di trasmissione e il centro di controllo del sistema. Si può dire che la comunicazione integrata sia il componente che integra tutte le altre tecnologie insieme. Fibre ottiche, reti mesh wireless e controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA) sono tutte tecnologie che possono essere impiegate.
Sensori e misurazione – Le tecnologie avanzate di rilevamento e misurazione raccoglieranno dati, informazioni che verranno utilizzati per gestire al meglio i sistemi di gestione dell’energia. Esse sono utilizzate per il controllo e il monitoraggio dello stato dei dispositivi, la prevenzione per evitare perdite e sprechi di energia e il supporto delle strategie di controllo. Vengono anche impiegate per valutare la stabilità della rete e per supportare letture frequenti dei contatori.
Aiuteranno inoltre i consumatori a migliorare l’utilizzo dell’energia elettrica, fornendo loro informazioni sull’utilizzo e sulle produzioni in tempo reale e storici. Grazie alle tecnologie innovative per il rilevamento e la misurazione sarà possibile migliorare l’utilizzo dell’energia elettrica da parte dei consumatori. Alcune di queste tecnologie includono:
Un altro elemento fondamentale è l’infrastruttura per sistema di misurazione avanzata. È composta da sistemi che misurano, raccolgono dati e valutano l’energia utilizzata e comunicano con i dispositivi di misurazione. Questi sistemi sono costituiti da hardware, software, sistemi di comunicazione, software di gestione dei dati dei contatori, display e controlli dell’energia degli utenti consumatori. L’infrastruttura consente di applicare i concetti di di rete intelligente in quanto l’energia viene valutata in base alle necessità e al costo quasi in tempo reale. Queste informazioni vengono inviate a controllori domestici “intelligenti” o ai dispositivi stessi, come termostati, lavatrici e frigoriferi, che a loro volta li elaborano le anche in base alle abitudini, alle esigenze del consumatore per alimentarli di conseguenza.
Componenti avanzati – I componenti avanzati svolgono un importante ruolo per determinare il comportamento elettrico della rete. Questi componenti possono essere utilizzati per una singola applicazione o collegati tra loro per creare sistemi più complessi. Essi si basano sulla ricerca e sugli sviluppi di tecnologie avanzate come: corrente continua ad alta tensione, dispositivi di trasmissione a corrente alternata, cavi superconduttori, elettrodomestici “intelligenti” ed elettronica di potenza.
Metodi di controllo avanzato – Le tecnologie che permettono il controllo avanzato sono costituite da dispositivi e algoritmi che consentono una rapida diagnosi e analisi delle smart grid. Ogni volta che è necessario, vengono prese opportune misure correttive per ridurre le interruzioni di corrente e aumentare l’efficienza. Il controllo avanzato richiede un’infrastruttura di comunicazione integrata ad alta velocità e protocolli standard adeguati per elaborare una grande quantità di dati.
Interfacce e sistemi che supportano decisioni – Queste interfacce sono tecnologie fondamentali, composte da dispositivi che supportano il processo decisionale umano e trasformeranno gli operatori e i gestori della rete in esperti in grado di far funzionare la rete moderna. Queste tecnologie ridurranno la complessità, convertendo informazioni dei sistemi energetici in dati facilmente comprensibili. Sono necessari quattro componenti principali per l’implementazione e il funzionamento della smart grid:
Contatore intelligente – Il contatore intelligente è essenzialmente un dispositivo elettrico che riconosce dettagliatamente il consumo elettrico in intervalli di tempo e comunica tali informazioni su base giornaliera per il monitoraggio, il controllo e la fatturazione. Fornisce una comunicazione bidirezionale tra consumatori e servizi. Rispetto ai contatori tradizionali, gli smart meter hanno funzionalità aggiuntive per l’utilizzo di sensori in tempo reale, notifiche di interruzione dell’alimentazione e monitoraggio della qualità dell’alimentazione.
Phasor Measurement Unit – La smart grid utilizza sensori ad alta velocità chiamati PMU (Phasor Measurement Unit – Unità di misura Phasor) per: monitorare la qualità dell’alimentazione; ridurre la congestione; diminuire o addirittura eliminare i blackout.
Le smart grid miglioreranno diversi aspetti della gestione dell’energia elettrica, compresa la generazione, la trasmissione, la distribuzione e il consumo.
Trasferimento informazioni – La tecnologia di trasferimento delle informazioni è necessaria per estendere la funzionalità di comunicazione bidirezionale utilizzando protocolli come WIFI, ZigBee, Bluetooth e infrarossi.
Generazione distribuita – La generazione distribuita si riferisce all’uso di tecnologie di generazione di energia su piccola scala più vicine al consumatore, in grado di ridurre i costi, aumentare l’affidabilità, diminuire le emissioni e ampliare le opzioni energetiche. La generazione sarà più vicina al carico, riducendo il costo di costruzione della linea di trasmissione e le perdite di potenza della trasmissione, migliorando così l’efficienza.
A cura di: Alessandro Scaffidi
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.
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:
Il documento offre molti dati a proposito dello stato dell’arte dei progetti. Eccone alcuni:
Le reti elettriche del futuro prossimo passeranno dagli attuali sistemi gerarchici costituiti da grandi centrali e flussi di energia unidirezionali tra i produttori e gli utilizzatori, attraverso reti di trasmissione e di distribuzione, verso strutture intelligenti con la presenza di generazione distribuita e flussi di energia bidirezionali, gestite da sistemi di comunicazioni bidirezionali.
I sistemi ICT (Information and Communication Technology) permetteranno una gestione efficiente delle fluttuazioni non predicibili tipiche delle fonti rinnovabili e delle diverse variabilità dei carichi elettrici.
In questo orizzonte di evoluzione assumono una particolare importanza le norme tecniche che concorrono ad abilitare, con le misure regolatorie, l’integrazione dei vari componenti-sistemi dei differenti operatori del settore per definire le architetture delle smart grid che stanno emergendo a livello internazionale.
Anche le norme tecniche, in merito ai protocolli, ai modelli informativi, ai sistemi di sicurezza impiegati all’interno di queste architetture, giocheranno un ruolo chiave per l’evoluzione e la realizzazione delle reti intelligenti.
Enti normatori internazionali – Sono diversi gli enti normatori, gli istituti di ricerca riconosciuti che a livello internazionale si occupano in particolare dell’argomento. In particolare gli enti protagonisti nel settore elettrico sono a livello internazionale l’IEC (International Electrotechnical Commission) e, a livello Europeo, il CENELEC (Comité Européen de Normalisation en Electronique et en Électrotechnique), che influenzano direttamente le normative nazionali in Italia con il CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano).
A seguito delle azioni di coordinamento avviate dalla Commissione Europea è sorto lo Smart Grid Coordination Group (SGCG), definito anche come Coordination Group on Smart Energy Grids (CG-SEG), costituito da CEN, CENELEC ed ETSI (European Telecommunications Standards Institute) in risposta al mandato della Commissione Europea M/490, per promuovere lo sviluppo delle smart grid in Europa.
Lo scopo di questo mandato era promuovere una visione europea sulle smart grid, condivisa nei diversi Paesi UE e da tutti gli attori del sistema elettrico.
Il primo passo per lo sviluppo di una visione condivisa è la definizione di un linguaggio comune, che possa permettere funzionalità e un adeguato livello di sicurezza.
A questo scopo il Gruppo ha promosso l’interoperabilità per lo sviluppo e la convergenza di standard europei e nazionali, con l’obiettivo di elaborazione di normative internazionali comuni per le reti energetiche intelligenti.
Con l’intento di consentire un quadro coerente, i gruppi di lavori delle smart grid (coperti dal Mandato M/490) sono coordinati con altre attività normative attualmente in corso, come quelle sui contatori intelligenti (smart meter) e sui veicoli elettrici (coperti rispettivamente dai mandati M/441 e M/468).
La partecipazione italiana allo SGCG è stata coordinata dal Gruppo di lavoro nazionale del CEI con il CT 313 (Smart Grid) ed E-Distribuzione, che hanno contribuito attivamente alle diverse commissioni di lavoro.
Le normative europee contribuiscono in due diversi ambiti:
Nell’ambito del proprio dominio di competenza gli enti europei e i gruppi di lavoro procederanno all’analisi e alla standardizzazione dei seguenti punti:
Rimangono da completare, dal punto di vista normativo, due ambiti significativi, che interagiscono direttamente con le reti intelligenti: gli smart metering, connessi anche alla rete domestica, e la ricarica delle auto elettriche.
Ricordiamo, poi, che a giugno del 2015 la Commissione Europea ha approvato il Programma Operativo Nazionale (PON) Imprese e Competitività.
In particolare, il Programma si rivolge alle Regioni italiane in ritardo di sviluppo (Basilicata, Calabria, Campania, Puglia, Sicilia) e alle Regioni in transizione (Abruzzo, Molise, Sardegna), attraverso una strategia di convergenza con le Regioni più sviluppate.
Al suo interno, nell’Asse IV “Efficienza energetica” – Azione 4.3.1, il Programma incentiva la realizzazione di reti Smart Grid e, attraverso Bandi, promuove misure volte a finanziare interventi di costruzione, adeguamento, potenziamento ed efficientamento di reti intelligenti per la distribuzione di energia elettrica generata da fonti rinnovabili. Nel periodo di programmazione 2014-2020, l’Autorità di gestione del Programma è il MISE – Ministero dello Sviluppo Economico.
In conclusione, la sfida dell’evoluzione delle reti elettriche verso le smart grid richiede l’impegno di tutti protagonisti presenti e la possibilità di realizzare questa transazione epocale dipenderà anche dalla capacità di fornire norme di riferimento adeguate.
A cura di: Alessandro Scaffidi
Il termine energy community fa riferimento a un insieme di utenze energetiche
“che decidono di effettuare scelte comuni dal punto di vista del soddisfacimento del proprio fabbisogno energetico, al fine di massimizzare i benefici derivanti da questo approccio condiviso, implementabile attraverso soluzioni di generazione distribuita e di gestione intelligente dei flussi energetici”.
Le comunità energetiche rappresentano uno dei principali elementi costitutivi delle smart grid, sia nelle applicazioni tipiche connesse alla rete pubblica, sia nei casi off grid, in assenza di distribuzione di energia elettrica.
Rispetto al sistema elettrico, infatti, le energy community (che riporteremo talvolta come EC – ndr) possono essere classificate come:
Per realizzare un’energy community risulta necessario l’utilizzo di tecnologie abilitanti, le quali possono essere contraddistinte, in base alle loro caratteristiche, in tre categorie:
Nella prima categoria sono compresi sia gli impianti di produzione di energia elettrica, da fonte rinnovabile come fotovoltaico, eolico, mini-idroelettrico oppure da fonte tradizionale come pompe di calore o cogenerazione, sia le utenze energetiche smart, che utilizzano in maniera efficiente l’energia o sono in grado di implementare logiche di funzionamento innovative.
Le tecnologie per la produzione e utilizzo dell’energia all’interno di un’energy community sono quelle che consentono di:
La seconda categoria comprende invece sistemi software di gestione per il controllo e il monitoraggio dei flussi energetici. Sono soluzioni per l’elaborazione predittiva di consumo di energia da parte delle utenze e di produzione da parte degli impianti alimentati da fonti rinnovabili non programmabili all’interno dell’energy community, in modo da pianificare il funzionamento ottimale, sia dal punto di vista tecnico che economico. La gestione e il monitoraggio dei flussi energetici ottimizzano il funzionamento della comunità energetica sulla base delle effettive condizioni di funzionamento. Inoltre, rappresentano l’interfaccia di questa verso il sistema ovvero nei confronti del gestore della rete di distribuzione tramite una diretta interazione con esso.
All’interno della seconda categoria sono presenti anche sistemi hardware di gestione, sempre per il controllo e il monitoraggio della totalità degli asset che, a livello centralizzato e decentralizzato, contribuiscono al controllo della energy community, assegnando le corrette modalità di funzionamento sulla base delle scelte effettuate dal software di gestione della community. Nei casi in cui è rilevante la power quality, sono necessari anche sistemi di protezione e automazione avanzati.
La terza categoria vede al suo interno le reti di distribuzione dell’energia elettrica e l’infrastruttura di comunicazione che abilita lo scambio informativo tra i vari nodi di una EC, al fine di abilitare il loro corretto funzionamento. Quest’ultima può essere caratterizzata su reti cablate, come fibra ottica, PLC, cavo coassiale o linea telefonica, o reti wireless, onde radio a diverse frequenze.
Dal punto di vista degli operatori di rete, una diffusione delle energy community produrrebbe diversi vantaggi, come:
Inoltre i gestori delle reti di distribuzione, nella prospettiva di riconfigurazione del sistema elettrico, potrebbero assumere ruoli differenti, con conseguenze positive sul loro business.
Il modello di energy community è caratterizzato da un approccio comune per la gestione dell’energia, dal momento che vede coinvolta una pluralità di utenze energetiche, superando l’approccio individuale della gestione dell’energia, oggi quella prevalente. Un approccio di questo tipo permette di conseguire una serie di benefici rispetto a quello individuale, di cui i principali fanno riferimento a benefici di scala e a benefici riguardanti le sinergie che si riescono a ottenere dall’unione di più utenze energetiche.
La realizzazione di una energy community comporta potenziali benefici anche per gli altri protagonisti.
Per gli utenti finali:
▪ Riduzione spesa per approvvigionamento energetico
▪ Ottimizzazione del profilo di prelievo di energia dalla rete
▪ Miglioramento qualità della fornitura
▪ Miglioramento affidabilità della fornitura
▪ Riduzione di emissioni di gas serra
Per il “sistema Paese”:
▪ Integrazione FER
▪ Riduzione perdite di rete
▪ Ottimizzazione profilo di carico complessivo
La realizzazione di una EC può essere costituita in diversi ambiti di applicazione, di seguito schematizzati.
Ambiti “puri”, caratterizzati dalle medesime esigenze in termini di profilo di consumo e di funzione di utilità:
Ambiti “misti”, caratterizzati da diverse esigenze in termini di profilo di consumo e/o di funzione di utilità:
Dalle simulazioni effettuate sui diversi scenari di diffusione delle energy community emergono benefici potenziali legati all’efficientamento dei consumi elettrici e alla riduzione dell’impatto del sistema energetico sull’ambiente, nonché effetti positivi sulla sostenibilità del sistema elettrico nazionale, in termini di andamento della domanda nel corso della giornata e di attenuazione dei relativi picchi. Allo stesso tempo, possono derivare importanti impatti economici aggregati dalla diffusione delle energy community, con un valore economico significativo per gli utenti finali soprattutto nei settori industriali e residenziale.
Manca tuttavia la definizione di un adeguato quadro regolatorio in materia, senza il quale è difficile immaginare un forte sviluppo delle energy community in Italia: ciò è reso ulteriormente complesso anche dall’esistenza di alcune barriere iniziali,di tipo economico, culturale e normativo.
Per i benefici ottenibili sia da gestori di rete, sia da utenti finali e dal paese nel suo complesso, appare quindi opportuno promuovere la realizzazione di energy community, all’interno dell’evoluzione delle reti tradizionali verso le smart grid.
A cura di: Alessandro Scaffidi
Il concetto delle smart grid introduce un importante paradigma della distribuzione elettrica, conseguente allo sviluppo della produzione decentralizzata dell’energia elettrica e della gestione intelligente dei flussi energetici, differente dalla produzione centralizzata. Nell’ambito dell’ingegneria elettrica, si tratta di una diversa tipologia di gestione dell’energia, non più basata solo su poche centrali elettriche sparse sul territorio, con estese reti di trasmissione e di distribuzione, bensì su diverse unità produttive, di piccole e medie dimensioni, distribuite in modo omogeneo sul territorio e collegate alle utenze tramite reti a basso voltaggio.
Uno dei maggiori vantaggi della generazione distribuita risiede nella lunghezza ridotta delle reti di trasmissione e distribuzione; infatti, le linee ad alta tensione dedicate al trasporto di energia elettrica hanno perdite dell’ordine del 7-8% e comportano costi di costruzione e manutenzione significativi, oltre ad avere rischi di possibili interruzioni o black-out.
La generazione distribuita invece riduce o annulla questi problemi in quanto la generazione avviene in diversi punti e sono presenti quindi diverse centrali di produzione che permettono di raggiungere una maggiore affidabilità. Inoltre, compensa la discontinuità tipica degli impianti a fonti rinnovabili, che per loro natura erogano energia elettrica con modalità discontinua, dato che sono dipendenti da fattori meteorologici non prevedibili.
Con questa nuova modalità di generazione distribuita si hanno modifiche sostanziali dei ruoli e delle funzioni, la diffusione di piccoli impianti generatori a fonti rinnovabili, come il fotovoltaico e l’eolico, tende a far coincidere sempre di più i luoghi di utilizzo con quelli di produzione. Le reti tendono pertanto a divenire “attive” e “intelligenti” nel senso che saranno in grado di gestire in maniera ottimale i flussi discontinui e bidirezionali di energia elettrica. La produzione di energia elettrica avviene attraverso unità di autoproduzione di più ridotte dimensioni, suddivisi in vari punti del territorio, ma tutte allacciate direttamente alla rete elettrica di distribuzione, intelligente ed attiva.
L’altro vantaggio della generazione distribuita consiste nelle economie di scala basate sulla standardizzazione e permettono di non concentrare il potere e il controllo della sicurezza degli approvvigionamenti energetici nelle mani di pochi soggetti.
Anche per quanto riguarda l’inquinamento, a parità di fonte di produzione, in generale un piccolo impianto ha un impatto minore, rispetto a un grosso impianto, e la diffusione di una quantità di impianti più piccoli inciderebbe in maniera ridotta su questo aspetto. Non è detto che le fonti di produzione debbano necessariamente essere di tipo rinnovabile, ma la diffusione di impianti fotovoltaici si prestano ottimamente per la generazione distribuita.
Infatti, il suo utilizzo evidenzia anche un incremento dell’autoconsumo, grazie alla maggior diffusione di sistemi semplici di produzione e consumo, caratterizzati dalla presenza di impianti fotovoltaici e di cogenerazione.
Nello scenario della generazione distribuita il consumatore può utilizzare e vendere energia essendo allo stesso tempo un consumatore e un produttore di energia, spesso assume la definizione di prosumer, derivante dalla fusione dei due termini producer e consumer, ovvero il destinatario di beni e servizi che non si limita al ruolo passivo di consumatore, ma partecipa attivamente alle diverse fasi del processo produttivo.
Nella generazione distribuita generalmente le fonti di produzione sono di piccole o medie dimensione, ma è possibile effettuare una classificazione in base alla potenza, pertanto si parla di:
Con l’introduzione della generazione distribuita sarà possibile bilanciare anche gli effetti dell’incertezza della domanda, ma maggiormente renderà tutto il sistema di trasmissione e distribuzione più efficiente, gestito in modo più intelligente, tenendo non solo conto delle necessità di richiesta di energia elettrica, ma anche per compensare la discontinuità della produzione da fonti rinnovabili come il fotovoltaico, in modo da integrarle ottimamente all’interno delle smart grid.
A cura di: Alessandro Scaffidi
L’integrazione dell’Internet of Things nelle smart grid è una tematica molto affascinante, il cuore della funzionalità delle reti intelligenti che permette la realizzazione di funzionalità interessanti, la gestione ottimizzante dell’energia e di tutti i dispositivi elettrici, l’analisi predittiva della produzione e dell’utilizzo di energia elettrica, con l’inclusione di fonti rinnovabili, della emobility e la realizzazione di smart city.
Infatti uno degli aspetti peculiari che caratterizzano le smart grid è la comunicazione dei dati e delle informazioni, per una grande quantità di dispositivi che devono essere tracciati, monitorati, analizzati e controllati, attraverso una rete digitale bidirezionale. Quindi, è richiesta un’automazione distribuita per tali dispositivi o “things”, realizzata attraverso la tecnologia Internet of things.
L’IoT è definita come una rete che permette la connessione di qualsiasi oggetto, basata su protocollo per lo scambio di informazioni e la comunicazione dei dispositivi intelligenti, con lo scopo di implementare monitoraggio, tracciatura, gestione e localizzazione dei vari oggetti. Questi ultimi sono equipaggiati con tecnologia dedicata, un’intelligenza che permette l’interazione con l’ambiente esterno e con altri dispositivi.
La tecnologia IoT permette pertanto lo sviluppo delle smart grid, con il supporto di varie funzioni di rete: dalla produzione all’immagazzinamento, dalla trasmissione e distribuzione, alla gestione del consumo di energia elettrica, grazie all’impiego di dispositivi IoT, come sensori, attuatori e contatori intelligenti (smart meter). Le reti intelligenti possono quindi essere considerate una delle più ampie applicazioni della tecnologia IoT.
Tutti i dispositivi o i sistemi che usano l’energia elettrica possono essere connessi a Internet, per essere comandati da remoto nei momenti di minor richiesta di energia, per esempio, o per fornire le informazioni necessarie per la gestione ottimale dei flussi di energia attraverso la rete.
L’Internet delle Cose può essere impiegato e integrato ottimamente nei quattro principali sottosistemi dell’energia elettrica, ovvero:
Nell’ambito della produzione di energia elettrica trova un potenziale impiego per il controllo e il monitoraggio del consumo di energia, delle unità e dei dispositivi impiegati per la produzione, l’immagazzinamento di energia, i collegamenti di potenza come anche la gestione di impianti FER (Fonti energetiche rinnovabili), come eolico, fotovoltaico, biomassa. Nella previsione del rapporto fra energia prodotta ed energia utilizzata l’IoT gioca un ruolo chiave e determinante.
Nell’area della trasmissione e distribuzione di energia elettrica l’impiego dell’Internet of Things è importante per il controllo e il monitoraggio di linee di trasmissione e delle sottostazioni, come anche dei dispositivi di protezione e di sezionamento. Esso, quindi, permette un’automazione della distribuzione, la gestione ottimizzata delle operazioni di distribuzione, il controllo ed il monitoraggio del flusso energetico per poter coordinare in maniera corretta il trasporto dell’energia elettrica.
Per quanto riguarda l’utilizzo dell’energia elettrica, l’IoT riveste un ruolo fondamentale in quanto permette l’automazione della misura di energia consumata, attraverso gli smart meter, e consente tutta una serie di servizi ai clienti finali, basate su applicazioni smart home e quindi che consentiranno l’implementazione di smart city. Infatti, attraverso l’Internet delle Cose le smart grid consentiranno per esempio il controllo dei carichi di potenza, la massimizzazione dell’efficienza energetica, la gestione locale e globale di carica e scarica di veicoli elettrici.
Le smart grid, attraverso la tecnologia IoT giocano un ruolo chiave nella realizzazione di applicazioni smart home, con l’impiego di sensori intelligenti, che effettuano un monitoraggio puntuale, e attuatori, per la realizzazione del controllo remoto, consentendo così un’interazione in tempo reale tra gli utenti e la rete, per migliorare la qualità dei servizi, compresa la fornitura di energia nel modo più efficiente possibile.
A cura di: Alessandro Scaffidi
Blockchain, la tecnologia su cui sono basati i bitcoin e in grado di certificare in modo sicuro le transazioni su un insieme di blocchi digitali secondo un meccanismo di consenso distribuito, inizia a essere presente anche nel settore dell’energia, dove la digitalizzazione assume sempre più un ruolo significativo, non solo nelle dinamiche di produzione e consumo dell’energia, ma anche fra i consumatori.
Per questa ragione la piattaforma blockchain può diventare la struttura di supporto per consentire interscambi di energia alla pari (peer-to-peer, P2P) tra produttori di energia distribuita, che risultano essere anche i consumatori di energia elettrica.
Infatti, attraverso le tecnologie blockchain è possibile realizzare applicazioni di gestione delle reti energetiche, per esempio con la tracciatura degli scambi di energia tra fornitori, ma anche tra privati.
L’approccio decentralizzato, secondo una logica la logica P2P, tipica della blockchain, permette di configurare la gestione di una rete energetica delocalizzata e dinamica delle smart grid, con la complessità di reti di distribuzione, dato che ogni consumatore diventa anche produttore, e con un numero rilevante di “utenze” – per esempio, i veicoli elettrici.
Blockchain riduce questa complessità usando archivi o registri distribuiti (distribuited ledger) in cui inserire le transazioni, incontestabili per l’affidabilità dei protocolli blockchain, legate ai singoli scambi di energia.
Gli elementi che contribuiscono all’esecuzione dei ledger distribuiti sono proprio gli elementi della rete di distribuzione elettrica ovvero le postazioni di ricarica dei veicoli, i sistemi fotovoltaici e di storage di energia.
Sono pertanto i nodi ad attivare direttamente scambi di energia quando necessario e a scegliere autonomamente con chi comunicare, secondo smart contract (“contratti intelligenti”) integrati nella piattaforma blockchain.
All’interno di una rete intelligente un blockchain è perciò un registro o archivio decentralizzato e distribuito di transazione, che è posseduto, mantenuto e aggiornato da ciascun utente produttore e utilizzatore di energia elettrica, che trasporta uno scambio di energia alla pari su una stessa microgrid, senza un controllo centralizzato, basato su smart contract. Essi possono contenere informazioni sulle preferenze dell’utente, il profilo di consumo, la curva di produzione energetica e dato che una città contiene parecchie microgrid, ciascuna con la propria “catena di blocchi”, chi necessita energia effettua una transazione validata dalla blockchain stessa.
Utilizzando una struttura blockchain ogni utente potrebbe scegliere se scambiare la propria energia con i vicini, consumare solo energia rinnovabile, ricevere denaro o compensare quella immessa, oltre a tutta una serie di servizi di microgrid, grazie alla presenza dei contatori intelligenti.
A cura di: Alessandro Scaffidi
Le smart grid sono ampiamente considerate nella proposta di Piano nazionale per l’energia e il clima (Pniec) che fissa i principali obiettivi su energia e clima dell’UE e dell’Italia al 2020 e al 2030.
Le reti intelligenti vengono menzionate, in particolare, tra le soluzioni utili a centrare gli obiettivi posti a livello ambientale e a livello di ricerca e innovazione.
Per quanto riguarda l’impegno ambientale, nel documento sviluppato dal ministero dello Sviluppo economico, dell’Ambiente e delle Infrastrutture e trasporti si ricorda l’obiettivo a livello europeo fissato per il 2030 di ridurre di almeno il 40% rispetto ai livelli del 1990 le emissioni climalteranti. Per questo la Strategia Nazionale di Adattamento ai Cambiamenti climatici, adottata con Decreto Direttoriale 85/2015, ha delineato un quadro nazionale degli impatti dei cambiamenti climatici sulle risorse e processi ambientali e sui sistemi socio-economici del territorio italiano e ha elaborato una visione nazionale dei percorsi da intraprendere per farvi fronte.
In attuazione della Strategia è stato elaborato il Piano nazionale di adattamento ai cambiamenti climatici (Pnacc), che ha analizzato i diversi tipi di impatti climatici sul sistema energetico, suddiviso per vulnerabilità fisica, operativa e impatti sulla domanda. Di conseguenza, per costruire un sistema energetico resiliente e affidabile attraverso gli scenari climatici di breve e medio termine, e in grado di evolvere rispetto agli scenari di lungo termine, è necessario considerare tali impatti anche attraverso la promozione dello sviluppo di micro grid e smart grid “per favorire l’autoproduzione ad alta efficienza di comunità urbane e distretti industriali, nel rispetto della sicurezza del sistema”.
Nell’ambito della ricerca, dell’innovazione e della competitività le reti intelligenti vengono trattate diffusamente. Innanzitutto si ricorda il ruolo di co-leadership a livello internazionale assunto dall’Italia insieme a India e Cina, sullo sviluppo delle smart grid, che ha portato alla costituzione dell’iniziativa ISGAN (Implementing Agreement for a Co-operative Programme on smart grids) a livello di Agenzia Internazionale dell’Energia.
Nella proposta di Piano nazionale energia e clima si sottolinea come nel nostro Paese lo sviluppo delle reti intelligenti sarà un tema dominante per i prossimi decenni, che:
“agevolerà non solo i piccoli produttori, ma anche le grandi aziende, in quanto la disponibilità di una rete in cui tutti i dispositivi comunicano tra di loro fornirà a software dotati di intelligenza artificiale una quantità di informazioni adeguate a predire adeguatamente la domanda di energia”.
In un momento come quello attuale, caratterizzato da uno stop forzato di tutte le attività lavorative, il monitoraggio e l’analisi dei consumi energetici di aziende, industrie ed edifici possono essere gestiti in modo puntuale anche da remoto.
