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Smart Grids. Scheda informativa Stampa E-mail
Tecnologie
di Martina Glover   
 

 

Nelle vene delle società moderne, pulsa elettricità

 

Le moderne società industrializzate si “nutrono e vivono” di energia. In particolare di quella elettrica, che ne costituisce la forma di impiego più pregiata e globalmente diffusa.

 

Ed elemento fondamentale per lo sviluppo economico e sociale di ogni società è proprio la disponibilità di energia elettrica, in termini sia di quantità che qualità della fornitura.

A livello individuale, siamo ormai talmente assuefatti al suo facile utilizzo – basta premere un semplice interruttore per illuminare stanze ed abitazioni, far funzionare ascensori, elettrodomestici, computer, televisori e apparecchiature varie – che la sua presenza è ormai data per scontata e, come una metafora della vita, ci accorgiamo della sua vitale importanza solo quando essa viene a mancare.

Per una società moderna l’elettricità (intesa come generazione, distribuzione e fornitura di energia elettrica) riveste un ruolo strategico, poiché da essa dipendono tutte le funzioni essenziali: sicurezza nazionale, salute e benessere, comunicazioni, finanza, trasporti, riscaldamento, illuminazione, servizi tradizionali e avanzati. Se paragonassimo le società moderne ad un essere vivente, l’elettricità sarebbe il fluido vitale che scorre nelle sue vene, in tutte le direzioni, fino a raggiungerne ogni periferia e mantenendo in vita l’intero sistema.

Nonostante sia così importante per le società umane, fornire e garantire elettricità è però da sempre una sfida tecnicamente complessa. Non significa solo produrla, ma anche distribuirla a milioni di utenti finali, valutando, controllando e coordinando in tempo reale (letteralmente “istante per istante”) migliaia di impianti di generazione piccoli e grandi, e centinaia di migliaia di impianti di distribuzione e trasformazione.

Per comprendere la complessità di un tale sistema, bastano poche cifre relative all’Italia. Ove attualmente (2009) sono in servizio:

 

  • 1.161 impianti di generazione termoelettrica (tra cui un centinaio di “grandi impianti”)
  • decine di migliaia di impianti di generazione da fonti rinnovabili (e precisamente: 2.191 idroelettrici, 31 geotermoelettrici, 242 eolici, 325 da biomasse e il resto fotovoltaici, con circa 40.000 impianti al giugno 2009, che secondo le stime del GSE saranno già 70.000 a dicembre, per la massima parte di potenza inferiore ai 20 kW)
  • circa 652 km di elettrodotti di altissima tensione
  • circa 45.500 km di elettrodotti di alta tensione
  • oltre 368.000 km di elettrodotti di media tensione
  • circa 850.000 km di linee di bassa tensione
  • oltre 370 stazioni elettriche di trasformazione e 1.700 cabine primarie di distribuzione in alta tensione
  • centinaia di migliaia di cabine secondarie di trasformazione da media a bassa tensione (sono oltre 410 mila solo quelle gestite da Enel)

 

Va peraltro aggiunto che, almeno in questo contesto, i numeri non parlano da soli e l’imponenza delle cifre rende solo in parte la complessità del sistema. Non si tratta, infatti, soltanto di garantire la continuità delle forniture, ma anche di fare in modo che – pur considerando ogni possibile incidente o imprevisto - in tutta la rete la tensione di alimentazione resti costante o comunque con variazioni molto limitate (non oltre ± 10% della tensione nominale), che la frequenza non abbia variazioni superiori a ±1% rispetto ai 50 Hz previsti, che non vi siano “armoniche” di tensione eccetera. Tutte cose che, con quasi un milione e 300 mila km di linee elettriche e poco meno di un milione di impianti di trasformazione in gioco, sono tutt’altro che semplici.

Nei fatti, la gestione di un sistema elettrico è l’attività più complessa che esista in un Paese industrializzato.

 

Il sistema del futuro: la generazione elettrica distribuita

 

Il sistema di generazione e distribuzione dell’energia elettrica, come noi lo conosciamo, potrebbe sembrare un sistema altamente tecnologico. In realtà, la sua nascita risale addirittura alla fine dell’800, e si è poi via via evoluto parallelamente al progresso tecnologico del XX secolo.

Evoluzione che oggi è più che mai in atto. Sia da un punto di vista tecnologico (pensiamo all’avvento delle nuove tecnologie dell’informazione e della comunicazione di massa, di generazione elettrica, etc.), sia da quello culturale e sociale (una maggiore sensibilità ambientale, la consapevolezza dei rischi globali e della crescente minaccia alla sicurezza energetica mondiale, l’entrata nel mercato di Paesi in via di sviluppo con miliardi di abitanti, etc.).

Tutto ciò non può non riflettersi anche in un’inevitabilmente e progressiva trasformazione della struttura energetica e delle politiche di governance ad essa associate. Cosa che si sta soprattutto concretizzando in un crescente peso della generazione distribuita rispetto a quella tradizionale centralizzata.

Con “generazione distribuita” si intende un nuovo modello di produzione e distribuzione di energia elettrica, dove centinaia di migliaia di piccoli impianti dislocati sul territorio si integrano poi in rete.

Ed è solo grazie allo sviluppo di questo modello di generazione che è divenuto possibile sfruttare appieno le nuove fonti rinnovabili, caratterizzate da potenze unitarie anche molto basse. Inoltre, poiché i piccoli impianti sono di regola localizzati in prossimità degli utenti finali, la generazione distribuita contribuisce ad accrescere l’efficienza della rete elettrica.

Ma c’è un problema. Per ottimizzare l’uso di decine o centinaia di migliaia di piccoli impianti, occorre collegarli alla rete. E poiché si tratta di impianti molto diffusi sul territorio, spesso situati in luoghi sperduti, la rete più vicina a cui collegarli è quasi sempre quella di distribuzione. Una rete che oggi non è però tecnicamente in grado di assorbire la produzione di una grande quantità di piccoli impianti diffusi.

Le attuali reti di distribuzione sono state infatti concepite per un servizio di tipo passivo, con il solo scopo cioè di trasportare l’elettricità in modo unidirezionale dalle grandi centrali verso gli utenti finali. In questo tipo di reti, la connessione di qualche unità di generazione dispersa crea problemi facilmente sormontabili. Ma al crescere del numero degli impianti, i flussi di potenza (progettati per seguire il percorso: centrale, rete di trasmissione, rete di distribuzione, utenze finali) possono invertirsi e diventare bidirezionali. Il che, appunto, non è compatibile con le attuali reti.

Perciò, se si vorrà (o piuttosto, si dovrà) proseguire sulla strada delle rinnovabili, occorerà cambiare le modalità di uso e di progettazione delle reti elettriche. Che da passive si dovranno fare sempre più attive e “intelligenti” (Smart Grids), sfruttando le nuove funzioni di controllo permesse da innovative tecnologie informatiche e di comunicazione.

 



Quando le reti si fanno “Smart Grids”

 

Il profondo rinnovamento delle reti elettriche, che sta portando allo sviluppo delle Smart Grids, scaturisce soprattutto da due esigenze.

La prima è legata agli scenari di evoluzione sostenibile del settore energetico, che prevedono il triplice obiettivo di ridurre l'impatto ambientale e climatico, di aumentare l’autosufficienza e la sicurezza, di ridurre i costi e accrescere la competitività.

Per raggiungere questi obiettivi è necessario – tra le molte cose – un forte incremento della generazione elettrica da impianti a fonti rinnovabili (eolici, fotovoltaici, da biomassa, mini-idraulici eccetera), prevalentemente installati nel luogo di utilizzo e quindi estremamente dispersi sul territorio potenze modeste e caratterizzati da una produzione aleatoria ed intermittente.

Ed è proprio questo a porre seri problemi di connessione alla odierna rete elettrica, la quale, essendo stata progettata per distribuire energia e non per prelevarla, non è in grado di assorbire la produzione di una grande quantità di piccoli impianti diffusi.

La seconda esigenza è data dal fatto che, nel mercato liberalizzato, tutti gli utenti elettrici hanno la possibilità di essere contemporaneamente consumatori e produttori di energia. Cosa peraltro realizzabile non solo con impianti a fonti rinnovabili, ma anche con piccoli ed efficienti impianti convenzionali.

È da questi due punti parte la necessità di ripensare le modalità di gestione delle reti elettriche, che oltre a garantire la massima efficienza, sicurezza e qualità del servizio, devono anche soddisfare delle nuove esigenze, tra le quali:

  • gestire flussi di energia multi-direzionali, che devono poter essere non solo distribuiti, ma anche prelevati in ogni punto della rete
  • fornire informazioni ai consumatori/produttori sull’andamento del mercato, in modo che possano decidere da un lato se, quanto e quando produrre, dall’altro come gestire la propria domanda
  • fornire informazioni in tempo reale alle società di distribuzione su ogni aspetto tecnico di gestione della rete

 

Questi sono i pilastri fondamentali del concetto di Smart Grids: applicare alle reti elettriche gli stessi principi su cui si fondano le rete Internet, dove qualsiasi dispositivo connesso può inviare e ricevere contenuti in modo flessibile e distribuito. Allo stesso modo, nelle Smart Grids i flussi energetici devono poter viaggiare in senso bidirezionale, consentendo ai produttori locali (dai titolari di utenze domestiche alle piccole e medie imprese, fino alle aziende di maggiori dimensioni) di disporre di informazioni in base alle quali possono decidere se attingere energia dalla rete principale oppure di immettervene, ricoprendo così il ruolo di rivendere all'ente erogatore.

 

Identikit di una Smart Grid:

 

► Capacità di integrare in rete generazione elettrica tanto centralizzata, quanto diffusa

► Immissione in rete, a pari condizioni, di generazione sia costante, sia variabile che

intermittente

► Interconnessione dei servizi e dei flussi di potenza con le altre reti (anche paneuropea)

► Capacità di autoanalisi, in modo da evitare congestioni e garantire maggiore affidabilità, sicurezza e qualità del servizio, ma anche ottimizzare i costi per manutenzione e operatività

► Disponibilità di informazioni in tempo reale sia per i produttori, sia per i clienti finali

► Possibilità per i clienti finali di effettuare scelte che interagiscano con il sistema

► Capacità di quantificare e ricompensare i comportamenti e le scelte virtuose dei clienti

► Architettura di connessione globale (simile a Internet) di “intelligenza distribuita” e flussi di potenza

 

È evidente come per queste future reti elettriche evolute l’arma vincente sia la capacità di connessione e di visione sistemica, dove sono le tecnologie informatiche e di comunicazione a svolgere un ruolo fondamentale tanto per la gestione dei flussi di energia locali quanto per l’interazione con il mercato.

 



Cosa si intende con “intelligenza” di una rete elettrica?

 

Per fortuna, donare il “cervello” ad una rete elettrica non richiede la sostituzione delle attuali reti con altre da realizzare ex novo, né di cambiare cavi, linee, cabine e trasformatori. La struttura sul territorio e le linee delle reti resteranno quelle che sono.

L’ingrediente segreto per realizzare una Smart Grids consiste nella gestione della rete: il software, la filosofia del controllo e le logiche di protezione.

Il modo per farlo? Adattare e adoperare strumenti di Information and Communication Technology (ICT), in gran parte già esistenti, ma finora non ancora applicate a sistemi di distribuzione elettrica.

L’intelligenza delle nuove reti è dunque data dall’integrazione delle tradizionali tecnologie elettro-meccaniche con innovative soluzioni digitali di ICT.

In altri termini, la rete è “intelligente” quando, abilitata dalle tecnologie ICT, è in grado – ad esempio -  di riconoscere un potenziale problema (la possibilità di un malfunzionamento a breve) e di comunicarlo a un computer, che si attiva autonomamente per correggerlo.

La correzione può dar luogo ad un intervento automatico in remoto, oppure far partire una richiesta di intervento di una squadra di lavoro in loco sul tratto di rete coinvolto.

Per ricapitolare, ecco la ricetta alla base di una rete intelligente:

 

Ingredienti per una Smart Grids

► automazione, che consenta il monitoraggio in remoto della rete attraverso sensori e apparecchiature elettroniche intelligenti

► trasmissione di dati in tempo reale, attraverso reti di comunicazione di varia natura (fibre ottiche, reti wireless o di telefonia pubblica, trasmissione sugli stessi cavi elettrici...)

► un sistema decisionale in tempo reale, che includa modelli, simulazioni, visualizzazioni e capacità analitiche

► la possibilità di intervenire sulla rete e di operare in remoto, interagendo con i carichi attivi ed attuando eventuali misure di demand side management

 

Reti intelligenti per un servizio di qualità

 

Nella pratica, le reti intelligenti modificano il modus operandi della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica, estendendo le capacità di controllo e di misura in tempo reale su di un maggior numero di componenti dell'intera rete: dagli impianti primari, ai nodi secondari, fino ai contatori dei singoli utenti.

Ma disporre di maggiori informazioni sullo stato operativo della rete consente anche di introdurre nuove funzionalità di analisi e di supporto alle decisioni degli operatori, e di poter automatizzare una parte di esse. Il che, in concreto, significa ridurre sia il rischio di potenziali errori umani, sia i tempi di reazione al manifestarsi di qualsiasi evento negativo.

Inoltre - in un mercato che inevitabilmente vede crescere la generazione distribuita – le reti intelligenti permettono di gestire in modo rapido ed efficiente gli sbilanciamenti dovuti ai carichi intermittenti del gran numero di impianti a fonti rinnovabili.

Infine, la liberalizzazione dei mercati crea opportunità per nuovi servizi che necessitano anch’essi di maggiori funzionalità da parte della rete.

Da questo punto di vista, il potere di esercitare un efficace controllo anche sulla domanda permesso dall’intelligenza delle nuove reti, consente alle società di distribuzione di ideare nuove offerte di consumo vantaggiose e flessibili, con positive ripercussioni sia sulla distribuzione dei carichi chesull’intera qualità del servizio elettrico.

 

Nuovi sistemi, nuovi problemi

 

Non è però tutto oro quel che luccica. Non sono poche, infatti, le problematiche che andranno affrontate in futuro per consentire un’ampia diffusione delle smart grids.

Come prima cosa bisognerà innanzi tutto considerare che le reti elettriche hanno infrastrutture di dimensioni enormi. Solo in Italia, ad esempio, le linee di media e bassa tensione si sviluppano per circa 1,2 milioni di km, risultato di investimenti iniziati nei passati decenni che continuano ancora oggi. L’Agenzia Internazionale dell’Energia stima che, nei prossimi anni, solo in Europa siano necessari circa 500 miliardi di euro per interventi di adeguamento e sviluppo della rete attuale, cioè senza parlare di Smart Grids.

Inoltre anche la ricerca è attiva per perfezionare e rendere più efficienti i componenti e la gestione delle reti di distribuzione, che oggi, in effetti, svolgono ancora egregiamente il loro ruolo. Il che lascia ipotizzare che sarebbe possibile allungarne ulteriormente il ciclo di vita, che di per sé è già piuttosto lungo (40 anni e oltre).

Tutto ciò è importante, perché anche il rinnovamento della rete in un’ottica di Smart Grids richiede investimenti imponenti. Ma difficilmente questi nuovi investimenti saranno ben visti dagli stessi operatori cui, nel frattempo, la riduzione dell'orizzonte temporale delle reti esistenti mette a rischio la redditività degli investimenti già fatti o che si apprestano a fare.

Se poi a questo si aggiungono le pressioni dell'opinione pubblica sul contenimento dei costi, e il fatto che si tratta prevalentemente di un business regolamentato, non è poi così scontato che gli operatori privati possano ritenere remunerativi gli investimenti per una diffusa intelligenza delle reti, se non in modo molto graduale e dilazionato nel tempo.

In secondo luogo va considerato che le reti intelligenti sono anche tecnicamente un obiettivo ancora da raggiungere. L’evoluzione verso di esse non è in forse. Non è in discussione il “se”, ma è ancora in discussione il “come” e, quindi, il “quando”.

È in corso uno sforzo rilevante di ricerca a livello nazionale e sovranazionale, ma da un punto di vista realizzativo molte iniziative sono ancora allo studio o in fase pilota, con la conseguente necessità di completare i test prima di poter passare alla loro eventuale applicazione su larga scala. Per molti componenti e logiche di sistema si prospettano anzi alternative diverse.

In sostanza, poiché la ricerca non è ancora in grado di dire come evolverà il settore nei prossimi 20 anni, anche il rischio di investire nella tecnologia "sbagliata" alimenta timori e resistenze all'innovazione.

Infine, se da un lato è vero che le necessarie tecnologie digitali sono in gran parte già disponibili, d’altro canto è anche vero che si tratta di tecnologie in velocissima evoluzione, sulle quali ancora mancano standard condivisi.

Conciliare tecnologie elettromagnetiche (che hanno cicli di vita di 20-40 anni) con tecnologie digitali che hanno tempi di obsolescenza di pochi anni (vedi il caso dei chip, che però sono l’elemento fondante dei sistemi digitali) è un problema tutt’altro che banale.

 

Smart Grids e ricerca

 

Molti sono attualmente i progetti dedicati alle Smart Grids e le ricerche innovative su tecnologie di monitoraggio e controllo delle reti.

In ambito europeo non mancano esempi di eccellenza. Come la Smart Grids European Technology Platform, una piattaforma tecnologica nata nel 2005 con l’obiettivo di creare una visione condivisa delle reti europee del 2020 e oltre, a cui partecipano i principali rappresentanti del mondo dell’industria, del settore della trasmissione e distribuzione di energia, della ricerca e del regolatorio.

Uno dei più importanti progetti sulle Smart grids oggi attivo in Europa è invece ADDRESS (Active Distribution network with full integration of Demand and distributed energy RESourceS), co-finanziato dall’Unione Europea e diretto dall’italiana Enel e con la partecipazione di 25 partners europei. L’obiettivo di ADDRESS sarà quello di favorire la partecipazione attiva dei piccoli e medi consumatori al mercato dell’energia, sviluppando le necessarie soluzioni tecnologiche e commerciali, senza trascurare le implicazioni socio-culturali.In particolare il progetto si propone di sviluppare ed installare presso i clienti apparati per la gestione dei carichi e dei sistemi di generazione in modo tale che, aggregandone un certo numero, sia possibile offrire servizi al mercato in funzione delle necessità della rete (per esempio: modulazione del carico in risposta ad eventi di congestione o di sovraccarico della rete). Tutto ciò grazie all’interazione in tempo reale tra i vari soggetti, che possono scambiarsi informazioni tecniche o economiche sulla base delle quali valutare l’offerta di servizi.

Infine va citato il progetto Grid4EU (GRID for EU), che riunisce un consorzio di 27 partner provenienti da 12 Paesi dell’Unione Europea con l’obiettivo di trovare ed applicare, su larga scala, soluzioni avanzate di Smart Grids per l’Europa. Il progetto mira così a rimuovere le barriere che ostacolano le reti di distribuzione nell’accogliere la generazione distribuita, supportare l’efficienza energetica, abilitare e integrare l’active demand ed i nuovi utilizzi dell’energia elettrica.

 

I commenti dei visitatori

Gianluca:
ARTICOLO MENZOGNERO.
Come tu...

Ass. Intercomunale Lucania:
Il solare termodinamico, molto spes...
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Entro il 2020, come è riportato ne...
 


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