“Una rete elettrica che può integrare intelligentemente le azioni di tutti gli utenti ad essa connessi – generatori, consumatori e prosumers – al fine di distribuire energia in modo efficiente, sostenibile, economicamente vantaggioso, e sicuro” questa la definizione di Smart Grid secondo la Smart Grid European Technology Platform ( ETP SmartGrids).
Nato nel 2005 con l’obiettivo di formulare e promuovere una visione per lo sviluppo delle reti elettriche europee guardando verso il 2020 e oltre, ETP SmartGrids è l’organismo europeo che definisce i percorsi di ricerca e sviluppo delle politiche per il settore delle reti intelligenti, così come il collegamento tra le diverse iniziative a livello di UE.
In genere, quando si parla di rete elettrica, si intende una rete di linee di trasmissione, sottostazioni e trasformatori in grado di fornire energia elettrica dalla centrale alle nostre case o aziende.
Le reti attuali sono state costruite nel XX secolo e via via estese e migliorate di pari passo con le tecnologie disponibili. Anche se la rete elettrica è considerato una meraviglia di ingegneria, per andare avanti abbiamo bisogno di un nuovo tipo di architettura, costruito dal basso verso l’alto, in grado di gestire e automatizzare la crescente complessità e le esigenze di energia elettrica del XXI secolo.
Che cosa rende una rete “intelligente”? La tecnologia digitale che permette la comunicazione bidirezionale tra il fornitore e i suoi clienti e consente il rilevamento lungo le linee di trasmissione è ciò che rende la rete intelligente. La Smart Grid è composta da controlli, computer, automazione e nuove tecnologie e attrezzature che lavorano insieme; queste tecnologie sono in grado di agire sulla rete elettrica per rispondere a una domanda di energia rapidamente variabile.
La Smart Grid rappresenta un’opportunità senza precedenti per il settore energetico in termini di affidabilità, disponibilità ed efficienza. Ora si tratta di effettuare test, migliorare la tecnologia, educare i consumatori, sviluppare norme e regolamenti e condividere le informazioni tra i progetti al fine di garantire che i benefici previsti dalla Smart Grid diventino realtà.

La capacità interattiva a due vie della Smart Grid permetterà il reindirizzamento automatico quando un dispositivo è guasto o si verificano interruzioni. Questo ridurrà al minimo le interruzioni e i loro effetti.
Inoltre, la Smart Grid trarrà maggior vantaggio dalla “generazione distribuita” da parte dei prosumer quando l’erogazione di energia non è disponibile da parte delle utility.
L’Italia è stata la prima nazione del mondo a dotarsi di smart grid su scala nazionale, nel 2006, nel quadro del Progetto Telegestore. A partire dal 2001, Enel ha sostituito i vecchi contatori elettromeccanici con quelli elettronici di nuova generazione. Lo smart meter, il contatore intelligente, consente la comunicazione bidirezionale tra il gestore e gli utenti finali, in questo modo la rete è in grado di monitorare anche i parametri di qualità della rete di distribuzione in bassa tensione. Gli utenti possono così acquisire maggiore consapevolezza dei loro consumi e del diverso costo energetico dei singoli elettrodomestici durante il loro utilizzo.
Il concetto di Smart Grids ha, ovviamente, un significato più ampio che va oltre il metering, comprendendo tutte le innovazioni tecniche e tecnologiche in grado di favorire la partecipazione attiva dei clienti finali, la generazione diffusa, l’espandersi delle fonti energetiche rinnovabili, l’uso razionale dell’energia, la riduzione dell’impatto ambientale dell’intero sistema energetico, la mobilità sostenibile con l’utilizzo dei veicoli elettrici, etc.
Con riferimento alla mobilità elettrica, l’integrazione tra le smart grid, lo sviluppo di tecnologie di accumulo innovative e più efficienti e di sistemi di ricarica intelligenti favoriranno la diffusione su larga scala dei veicoli elettrici. Le batterie dei veicoli elettrici parcheggiati potranno essere utilizzate come dispositivi di stoccaggio dell’energia elettrica; soluzione che consentirà di ridurre i disagi prodotti dalla generazione intermittente degli impianti da fonte energetica rinnovabile migliorandone l’utilizzo.

Produzione e distribuzione di energia

Il sistema mondiale dell’energia elettrica sta attraversando un periodo di profondi cambiamenti. Secondo il rapporto REN21 di quest’anno, il 2015 è stato un anno straordinario per gli impianti alimentati a energie rinnovabili, con il massimo incremento della capacità di generazione su scala mondiale mai registrato, pari a oltre 147 GW di nuove istallazioni.
Diversi fattori hanno favorito questi risultati: in primo luogo in molti mercati le fonti rinnovabili sono ormai economicamente competitive, inoltre un numero sempre maggiore di paesi è pronto a considerare seriamente la componente ecosostenibile nelle proprie politiche di crescita e, non da ultimo, l’opinione pubblica contribuisce a promuovere la transizione energetica globale nella direzione del “100% rinnovabile”.

In Italia e nel resto d’Europa, la maggior parte dei sistemi di generazione di energia è stata costruita a metà del secolo scorso, si basava sulla generazione centralizzata e la distribuzione passiva. Questa solida infrastruttura ha retto bene anche le prime ondate di generazione di energia distribuita, ma ora l’esigenza di affrancarsi dai combustibili fossili e focalizzare l’approvvigionamento con fonti rinnovabili richiede un cambiamento radicale nel modo idi gestire le reti.
La generazione distribuita ha rivoluzionato in pochi anni il mondo della produzione, si è passati da poche grandi centrali in alta tensione a tante piccole produzioni diffuse nelle reti a media e bassa tensione; da centrali che prevedono un programma di produzione prestabilito, a unità di generazione con produzione a carattere discontinuo; da impianti di generazione che forniscono un’ampia serie di servizi di regolazione e controllo della rete a produzioni con servizi limitati.
In Italia l’ energia non fluisce più in modo unidirezionale da grandi centrali a clienti finali.
Secondo i dati di Enel Distribuzione, nella seconda metà del 2015 erano 618mila gli impianti connessi alla sua rete per una potenza erogata di circa 26,6 GW, mentre dal 2010 e al 2015 il numero di trasformatori AT/MT con inversione dei flussi di energia ha registrato un incremento del 322%.

Questi cambiamenti stanno portando avanti nuove sfide per il sistema elettrico, in particolare nei settori connessi al bilanciamento, all’affidabilità, alla flessibilità, alla resilienza o ai vincoli ambientali che richiedono ri-ottimizzazione delle reti di trasmissione e distribuzione.

Le reti di trasporto e trasmissione vengono gestite da un operatore nazionale denominato TSO (Trasmission System Operator), la cui funzione per l’Italia è svolta da Terna S.p.A..
Alla rete di distribuzione nazionale spetta lo smistamento di circa il 65% dell’energia elettrica consumata, e viene gestita con concessione zonale dal DSO (Distribution system operator). In Italia Enel Distribuzione è il principale DSO con oltre 30 milioni di clienti connessi alla rete di distribuzione. Sono dunque necessarie nuove modalità di coordinamento tra TSO e DSO. La soluzione a cui si sta lavorando a livello europeo è la creazione di una piattaforma comune con l’obiettivo di una corretta gestione dei dati e di uno scambio di informazioni attivo tra i due gruppi di regolatori.
Occorre andare verso reti sempre più flessibili e superare il concetto di reti di distribuzione “passiva” per passare a reti “intelligenti”, che consentano alle Fonti Rinnovabili Non Programmabili (FRNP), il cui contributo è intermittente, di essere più facilmente compensate dalle forme di energia tradizionali.

Smart grid e Big Data
Quando si parla di Big Data ci si concentra sui volumi di informazioni piuttosto che sulla gestione delle informazioni.
Il volume dei dati sta crescendo ogni anno in tutto il mondo ad un tasso minimo del 59%. Sebbene il volume sia una sfida importante nella gestione di dati di grandi dimensioni, è necessario ragionare anche sulla varietà e velocità della trasmissione delle informazioni.
Nelle reti intelligenti, il processo decisionale dipende in gran parte dalla misurazione tempestiva e affidabile dei dati.
Big data nella smart grid sono generati da varie fonti, ad esempio:
• dati di consumo di energia misurati dai contatori intelligenti;
• abitudini di utilizzo di energia degli utenti;
• dati relativi alla gestione, al controllo e alla manutenzione dei dispositivi e delle apparecchiature di produzione generazione, trasmissione e distribuzione di energia acquisiti da dispositivi elettronici intelligenti ;
• dati relativi ai prezzi del mercato dell’energia;
• dati operativi per l’esecuzione di programmi di utilità e di tariffazione;

e altri grandi insiemi di dati, che non hanno origine direttamente dalla rete, ma influiscono nel processo decisionale, come ad esempio i dati meteorologici e le informazioni geografiche.

L’applicazione di big data nelle reti elettriche è all’inizio. Entro il 2020, il numero di contatori intelligenti installati in Europa raggiungerà i 240 milioni mentre il Nord America avrà 150 milioni di contatori intelligenti in uso. La Cina prevede di installare circa 400 milioni di contatori intelligenti entro tale data. Saranno 60 milioni in Giappone e la Corea del Sud ha intenzione di distribuire tra 500.000 e 1,5 milioni di contatori intelligenti per anno prima del 2020.
Un tale schieramento di contatori intelligenti porterà ad aumentare di diversi terabyte al giorno la mole di dati nei data center dei gestori, che non sono ancora pienamente consapevoli del valore di questi big data.

Nel corso degli ultimi anni grandi aziende, tra cui colossi IT come Oracle e IBM, giganti industriali come General Electric, Siemens, ABB e Schneider Electric oltre a start-up come AutoGrid, Opower, e C3all hanno dato il via ai loro progetti su big data e stanno sviluppando strumenti informatici in gran parte nuovi per l’industria delle utilities.
I big data hanno bisogno di potenti tecniche per elaborare in modo efficiente un grande volume di dati in un tempo limitato. Tali tecniche coinvolgono una serie di discipline: statistica, algoritmi di clustering, data mining, apprendimento automatico, elaborazione del segnale, ottimizzazione nel riconoscimento di pattern, metodi di visualizzazione.
Altre tecnologie emergenti che sono strettamente legate ai grandi dati includono il cloud computing, Internet delle cose (IoT), granular computing e computer quantistici.
IoT rappresenta una quantità enorme di messa in rete di sensori che raccolgono vari tipi di dati ambientali, geografici, di funzionamento oltre ai dati dei clienti afferenti alle centrali elettriche. Si prevede che nel 2030, i dati IoT costituiranno la parte più consistente dei big data.

La quantità di dati sta aumentando a ritmi esponenziali, ma l’evoluzione dei metodi di elaborazione delle informazioni non va di pari passo. Ad esempio, in molte importanti applicazioni di big data, lo stato dell’arte della tecnologia non è in grado di affrontare l’analisi in tempo reale.
Così come restano aperte questioni significative legate alla sicurezza della rete, alla protezione dei dati, alla tutela della proprietà intellettuale e della privacy personale, ai segreti commerciali e alla protezione delle informazioni finanziarie.

Per quanto riguarda l’Europa, l’Italia e i paesi scandinavi hanno ampiamente completato il passaggio ai contatori intelligenti mentre Regno Unito, Francia e Germania hanno appena iniziato. Le utility europee sono concentrate sull’integrazione delle energie rinnovabili su larga scala e la generazione distribuita, e sulla gestione dei carichi dinamici come i veicoli elettrici.

Le compagnie elettriche stanno cooperando con le aziende IT per sviluppare sia gli strumenti di analisi per big data specifici per le applicazioni smart grid sia per realizzare la rete a larga banda necessaria a sostenere lo scambio di dati.

Nuovi progetti dimostrativi sono necessari per acquisire esperienza pratica e valutare vantaggi, standardizzare le procedure di progettazione e di implementazione, migliorare le prestazioni, ridurre al minimo i rischi e definire nuove normative.

Ing. Floriana Beretta
Referente ICT – Ordine Ingegneri della provincia di Como

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