Dalla fine del XIX secolo, le reti di distribuzione dell’energia elettrica sono state concepite per produrre elettricità e distribuirla alle utenze industriali e civili come edifici, residenze private e infrastrutture di pubblica utilità. Tuttavia, con l’aumento esponenziale della domanda, si è delineata le necessità di ottimizzare la produzione energetica e di rendere maggiormente efficiente la distribuzione all’utenza, integrando in maniera dinamica l’energia prodotta anche da fonti rinnovabili, applicando le più recenti tecnologie nell’ambito dell’Internet of Things, Machine Learning, Big Data Analysis e Intelligenza Artificiale.

COSA È LA “SMART GRID”

Una Smart Grid, come definito dalla IEA (International Energy Agency), è un sistema di reti elettriche che utilizza la tecnologia digitale per monitorare e gestire il trasporto di elettricità da tutte le fonti di generazione per soddisfare le diverse richieste di energia elettrica degli utenti finali. In pratica, vengono messi in costante contatto i consumatori passivi e attivi (es. abitazioni con impianti fotovoltaici) con i provider energetici, in modo che il sistema di distribuzione ottimizzi dinamicamente l’erogazione, tenendo conto dei costi e degli impatti ambientali, rafforzando in tal modo la resilienza della rete.

In diverse nazioni sono in corso complessi piani implementativi per convertire le reti di distribuzione obsolete in “reti intelligenti”, implementando data center, controller e sistemi di rilevazione remota. In tale ambito, i segnali di controllo e attuazione inviati ai dispositivi fisici della rete non saranno più gestiti in maniera centralizzata ed unidirezionale, ma saranno il prodotto di logiche di gestione avanzate che controllano i flussi di erogazione e consumo in tempo reale, stabilendo i valori ottimizzati di risorse e carichi distribuiti sul territorio.

TECNOLOGIE IMPIEGATE

Una rete energetica intelligente integra molte tecnologie e reti di comunicazione per ottimizzare la produzione, la trasmissione e la distribuzione di energia, fornendo agli utenti l’esperienza di controllo in tempo reale. Le principali tecnologie abilitanti delle SMART GRID sono:

• Advanced Demand Forecasting

La previsione avanzata della domanda utilizza approcci di analisi dei dati e apprendimento automatico (ML[1]) per sviluppare report di previsione, che includono la media mobile integrata auto regressiva (ARIMA[2]) e altri metodi statistici per stimare il consumo annuale di elettricità e relativi  costi orari. In tale ambito, vengono applicate inoltre misure di sicurezza atte a riconoscere intrusioni informatiche sui contatori intelligenti[3], allo scopo di impedire alterazioni delle informazioni rilevate di consumo residenziale e non residenziale.

• Advanced Metering Infrastructure (AMI)

L’infrastruttura di misurazione avanzata (AMI) è un sistema integrato di reti di comunicazione, sistemi di gestione dei dati e contatori intelligenti che migliora l’erogazione del servizio reso verso gli utenti ottimizzandone i costi.

L’AMI consente la comunicazione bidirezionale tra utenti e provider di servizi, offrendo una serie di vantaggi, tra cui la previsione dei consumi, riscossione efficace dei pagamenti, rilevamento di guasti e interruzioni, monitoraggio delle perdite e tariffazione basata sul tempo.

• Big Data

I dati gestiti dalla SMART GRID presentano tre caratteristiche principali: rapida variabilità, grande volume e ampia varietà. Gestire un grande volume di dati, quantificabile nell’ordine dei petabyte in tempo reale, è un problema significativo per la conduzione di una Smart Grid. La Big Data Analisys è di certo la tecnologia che può fare la differenza nel raccogliere e analizzare i dati non strutturati provenienti dai vari endpoint della rete, per migliorare l’utilizzo delle risorse, l’efficienza, l’affidabilità del sistema e la soddisfazione dei clienti.

• Distributed Energy Resources (DERs)

I sistemi di risorse energetiche distribuite (DER) sono tecnologie di generazione di energia elettrica su piccola scala, quali pannelli solari o motori eolici, che offrono un’alternativa o potenziano l’energia elettrica tradizionale. Pertanto migliorano l’affidabilità locale, la stabilità della rete e l’ottimizzazione delle risorse fossili e rinnovabili. Rientrano in tale configurazione anche i veicoli elettrici, pannelli solari, piccoli generatori alimentati a gas naturale e carichi controllati come scaldabagni elettrici e sistemi HVAC[4].

• Non-intrusive Load Monitoring (NILM)

Il monitoraggio non invasivo del carico (NILM) o il monitoraggio non invasivo del carico degli appliances (NIALM) è un processo volto ad analizzare i cambiamenti nella tensione e nella corrente che entrano in un edificio, rilevando quali dispositivi vengono alimentati nell’edificio e il loro rispettivo consumo. I contatori elettrici con tecnologia NILM vengono utilizzati dalle società di servizi pubblici per rilevare gli usi specifici dell’energia elettrica nelle diverse abitazioni.

Suddividere il consumo energetico totale (degli apparecchi attivi) in componenti e fornire   informazioni diagnostiche può aiutare a individuare apparecchi correttamente alimentati o che non funzionano correttamente.

Con tale monitoraggio, i consumatori possono stabilire il momento più conveniente per utilizzare apparecchi ad alto consumo energetico, nonché monitorare e gestire le bollette energetiche in base alla fascia oraria con tariffazione maggiormente conveniente.

• Vehicle-to-Grid (V2G)

La tecnologia Vehicle-to-grid (V2G), nota anche come Vehicle-Grid Integration (VGI), consente di trasferire l’elettricità inutilizzata da un veicolo alla rete intelligente. La batteria di un veicolo elettrico (EV) è una fonte di accumulo di energia a basso costo.

V2G aiuta a gestire i picchi di consumo di elettricità e riduce il sovraccarico della rete durante le ore di punta. V2G, ad esempio, può reimmettere l’energia (capacità inutilizzata della batteria) dalla batteria di un’auto elettrica nella rete elettrica, migliorando la stabilità della rete e massimizzando i benefici dell’energia rinnovabile.

Tipologie di reti di comunicazioni implementate nelle Smart Grid

• HAN

I contatori intelligenti utilizzano tecnologie HAN (Home Area Network) come Bluetooth, Wireless Ethernet e Zigbee per alimentare i dispositivi domestici. HAN collega le apparecchiature domestiche a un contatore intelligente, che rileva il consumo energetico e comunica le informazioni a un server per la successiva fatturazione dell’energia consumata.

• NAN

Una rete di quartiere (Neighborhood Area Network) è una rete di accesso esterna che collega dispositivi automatici della distribuzione e contatori intelligenti ad un gateway di rete geografica (Wide Area Network). La NAN raccoglie i dati dai client e facilita la connettività verso la WAN del sistema di gestione.

• WAN

Una rete geografica (Wide Area Network) collega un contatore intelligente, i fornitori e il server del provider tramite fibra ottica, 3G/LTE (Long Term Evolution) e 5G, GSM (Global System for Mobile Communication) o WiMAX. Un contatore intelligente (smart meter) utilizza la WAN per inoltrare ai fornitori le notifiche ricevute (tramite HAN) dai dispositivi.

• LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) è un protocollo di livello MAC (Medium Access Control) che impiega la tecnologia IoT (Internet of Things)  denominata LoRa (Long Range), una piattaforma wireless a  lungo raggio e a basso consumo, adatta per un’ampia gamma di applicazioni, tra cui la gestione energetica, l’efficienza delle infrastrutture e la prevenzione delle calamità naturali

Le soluzioni intelligenti di misurazione dell’elettricità e le reti intelligenti basate sul protocollo di rete LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) possono aiutare ad analizzare meglio la domanda di energia, rilevare interruzioni di corrente, migliorare la connettività e identificare le risorse con prestazioni inferiori.

RETE ELETTRICA TRADIZIONALE VS SMART GRID

Nel corso del tempo, la generazione centralizzata di elettricità da centrali elettriche si è costantemente evoluta in una risorsa energetica distribuita in grado di adattarsi a un settore energetico dinamico e di migliorare l’esperienza energetica per i consumatori.

La necessità di trasformare la rete elettrica tradizionale in una rete intelligente è nata da numerose ragioni, tra cui:

• Migliore efficienza di trasmissione dell’elettricità
• Ripristino più rapido durante le interruzioni di corrente
• Spese operative e di gestione inferiori per i servizi di pubblica utilità, con conseguente riduzione dei prezzi dell’energia per i consumatori
• Minori picchi di domanda, con conseguente riduzione delle tariffe elettriche.
• Migliore integrazione dei sistemi di energia rinnovabile su larga scala.
• Migliore integrazione dei sistemi di generazione di energia di proprietà dei clienti, compresi i sistemi di energia rinnovabile.
• Maggiore sicurezza.
• Crescita delle auto elettriche
• Aumento della microgenerazione e delle microreti isolate
• L’ascesa del prosumer (una persona che genera, consuma, condivide e vende energia).

Conclusioni

La misurazione e la gestione del consumo di energia nei sistemi energetici stanno cambiando a seguito dell’utilizzo dell’Information Technology da parte del settore energetico. Stabilire connessioni efficienti tra reti elettriche, impianti di produzione di energia e utenti è reso più semplice dalle reti intelligenti.

I provider di servizi energetici stanno beneficiando della partecipazione attiva degli utenti al monitoraggio del consumo di elettricità da parte dei contatori intelligenti, che offre ai clienti un maggiore controllo sul proprio consumo di energia, in modo così efficace che i progetti di efficienza energetica vengono promossi globalmente a livello governativo.

Le applicazioni di rete intelligente possono integrare o sostituire le applicazioni di rete tradizionali, offrendo un sistema elettrico più affidabile, efficiente, sicuro e adattabile con un impatto ambientale ridotto. Pertanto i sistemi e i dispositivi SMART GRID si stanno dimostrando fondamentali per soddisfare la domanda di fornitura energetica di clienti commerciali, industriali e residenziali da qui ai prossimi anni.

Parimenti ad altre nazioni, in Italia è in pieno svolgimento il processo di rafforzamento delle Smart Grids, nell’ambito del PNNR, mediante l’investimento denominato “M2C2.2” che mira ad adeguare le infrastrutture di distribuzione di energia sul territorio nazionale, le quali rappresentano un fattore abilitante per la transizione energetica, perché dovranno gestire un sistema di generazione variegato avente sorgenti energetiche distribuite da più impianti.

Per raggiungere gli ambiziosi obiettivi di decarbonizzazione, è necessaria una rete di distribuzione elettrica completamente affidabile, digitale e flessibile. Ciò garantirà una gestione ottimizzata della produzione di energia rinnovabile e consentirà la transizione dei consumi verso il vettore elettrico.

Pertanto, l’obiettivo dell’intervento del PNRR è aumentare l’affidabilità, la sicurezza e la flessibilità del sistema energetico nazionale attraverso l’aumento della quantità di energia prodotta immessa nella rete di distribuzione e la promozione di una maggiore elettrificazione dei consumi.

A tale proposito, sono stati individuati due campi di azione:

• Il primo obiettivo è aumentare la capacità della rete di supportare una generazione distribuita da fonti rinnovabili per 4.000 MW attraverso l’implementazione di interventi di rete intelligente su 115 sottostazioni primarie e la loro rete asservita.
• La seconda è l’aumento della capacità e della potenza a disposizione delle utenze per promuovere l’elettrificazione dei consumi energetici, con un impatto su circa 1.850.000 utenti, che avranno quindi una maggiore capacità di connessione alla sorgente elettrica, concentrate in aree ad alta densità abitativa come le grandi città metropolitane.

Come riportato dal Ministero per l’ambiente e per la sicurezza energetica (MASE), è previsto entro fine anno 2024 un complessivo investimento di 3,6 miliardi di euro del PNNR per le SMART GRID.

I progetti approvati consentiranno alle reti di distribuzione di accogliere ulteriori 9,8 GW (a fronte di un obiettivo di almeno 5GW) e di aumentare la potenza disponibile per circa 8,5 milioni di abitanti, offrendo pertanto nuove opportunità al tessuto produttivo nazionale.

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[1] Machine Learning

[2] modello ARIMA (acronimo di AutoRegressive Integrated Moving Average) si intende una particolare tipologia di modelli atti ad indagare serie storiche che presentano caratteristiche particolari. (fonte Wikipedia.org)

[3] contatori intelligenti (Smart Meter) sono dispositivi digitali che misurano e registrano il consumo di elettricità, gas o acqua in tempo reale e trasmettono le informazioni alle società di servizi pubblici. (fonte IBM.com)

[4] HVAC è l’acronimo di “Heating, Ventilation and Air Conditioning” (Riscaldamento, Ventilazione e Condizionamento dell’Aria). Si riferisce a un sistema o a una tecnologia utilizzata per fornire comfort termico e di qualità dell’aria negli edifici residenziali, commerciali e industriali. (fonte ENEA)