Smart Grid: le reti elettriche di domani. Gabriele Comodi, Francesco Piazza Università Politecnica delle Marche

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Pio Ruggeri
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1 Smart Grid: le reti elettriche di domani Gabriele Comodi, Francesco Piazza Università Politecnica delle Marche

2 La rete elettrica attuale Caratterizzata da: 1. Grandi impianti di produzione centralizzati alimentati da fonti fossili (carbone, gas naturale, nucleare, ) o rinnovabile (grande idroelettrico) 2. Rete di trasmissione nazionale ad AT e AAT; 3. Rete di distribuzione locale (MT-BT): 4. Utenze finali (BT, MT, AT) 5. Pensata per un flusso di energia UNIDIREZIONALE dalla centrale di produzione all utente/consumatore finale (RUOLO PASSIVO)

3 GENERAZIONE DISTRIBUITA 3

4 La smart grid: ognuno ha la sua visione? 4

5 La smart grid: ognuno ha la sua visione? PUNTI IN COMUNE A TUTTI GLI APPROCCI: 1. Diffusione delle energie rinnovabili 2. Ruolo attivo dei consumatori 5

6 Le tecnologie coinvolte in tutta la filiera Smart Meters In-Home Devices Dynamic Rates Distribution Automation Distributed Generation Electric Vehicles Transmission Generation 6

7 SMART GRIDS: Prospettive per le rinnovabili Attualmente il PV è la tecnologia rinnovabile che sta avendo la maggiore crescita globale (+60%), seguita dall eolico (+27%) e dai biocombustibili (+18%) Questi tassi di crescita pongono seri problemi sulla futura stabilità delle reti e sulla futura affidabilità di produzione. Infatti, le attuali infrastrutture elettriche non sono pensate per elevati livelli di generazione da fonti rinnovabili NON PROGRAMMABILI che sono intermittenti e di natura variabile Anche la diffusione delle installazioni di piccola taglia potrebbe creare notevoli problemi se la loro penetrazione dovesse aumentare. L attuale rete elettrica, infatti, non è progettata per supportare un flusso di energia BIDIREZIONALE, cioè la reimmissioni in rete di piccole quantità di energia da parte di molteplici microproduttori E quindi molto importante garantire una producibilità certa e costante delle fonti rinnovabili (CAPACITY FIRMING), specialmente nei momenti di picco della domanda. Questo può essere fatto attraverso l accumulo dell energia rinnovabile (energy storage)

8 La smart grid: Capace di supportare una società ed una economia dinamica. Il ruolo dei consumatori Today There is limited interaction Enabling technologies to give customers new information Enabling services (joint utility & EEU) and prices Empowering Customers to make behavioral changes Customers make investments in more energy efficient and controllable appliances Customers become part of Smart Grid Passive Customer Informed Customer Part of the Energy System Awareness Acceptance Use Ongoing education and engagement is key to facilitating customer acceptance and participation. 8

9 La smart grid: Capace di supportare una società ed una economia dinamica. Il ruolo dei consumatori 9

10 Veicoli elettrici (EV) ed energia E necessario disporre di punti di ricarica (colonnine) (ricarica effettuata a diversi livelli di potenza, es. USA) Level 1 (tipico 2kW) Level 2 (tipico 3-20 kw) Level 3 (tipico 50 kw, es. CHAdeMO)

11 Il problema della ricarica degli EV Ricarica di un EV: presenza di carichi elettrici relativamente grandi per tempi relativamente lunghi (es. Level2 paragonabile ad una abitazione) Possibili effetti negativi: sovraccarichi delle linee e dei dispositivi (dovuti a profili di carico fortemente alterati); problemi di power quality delle reti elettriche (cadute di tensione, inquinamento armonico, etc.); stabilità della rete (l introduzione massiccia di EV può diminuire lo smorzamento del sistema); richieste di energia concentrate in aree o tempi ristretti;..

12 Punti di ricarica degli EV L utente può (vuole) ricaricare il proprio EV: presso una stazione di ricarica nel proprio garage

13 Ricaricare EV nella propria casa La casa sta diventando smart anche dal punto di vista dell energia; La SmartHome è inserita nel contesto generale delle SmartCity; Il sistema elettrico della casa diventerà parte integrante della SmartGrid; La ricarica domestica di un EV deve essere inserita nel contesto SmartHome

14 SmartHome e SmartGrid SmartHome gestione intelligente dell energia elettrica ridurre complessivamente i consumi (es.: gestione illuminazione, dispositivi a basso consumo); ridurre il costo economico (es. spostare i consumi nelle fasce a minor costo); coordinare i consumi con lo stato della SmartGrid: (DSM Demand Side Management) ridurre i picchi di potenza (es. ridurre contemporaneità); utilizzare localmente l eventuale energia rinnovabile; modulare i consumi sullo stato della rete (es. accensione dei carichi ad orari particolari). 2 strategie sperimentate negli USA

15 Gestire l energia nella SmartHome Direct Load Control (DLC) controllo diretto dei carichi: l utente accetta di far spegnere alcuni carichi elettrici non vitali (es. HVAC) per brevi periodi (15-30 min), a fronte di un risparmio in bolletta

16 Gestire l energia nella SmartHome Real Time Pricing (RTP) controllo indiretto dei carichi: il prezzo dell energia varia continuamente, l Home Energy Manager (HEM) ne tiene conto per ridurre i consumi nei periodi di maggior costo in Italia già esistono le fasce orarie

17 Scenario SmartHome Energia collegamento a rete pubblica (acquisto, vendita) generazione locale di energia rinnovabile (consumo, vendita) accumulo locale di energia, es. pacco batterie (carica, scarica, neutro) veicolo EV (carica, scarica, neutro) collegamento di carichi elettrici (consumo, neutro)

18 Energia Rinnovabile esempio impianto PV con SSP in Vallesina Febbraio 2012 sbilanciamento Aprile 2012 stagionale Luglio 2012 Ottobre 2012

19 Energia Rinnovabile esempio impianto PV con SSP in Vallesina 19 Feb Ago 2012 scambio consumo generazione sbilanciamento notte-giorno

20 Utilizzare efficientemente l energia problema di gestione complesso Algoritmi di gestione nel Home Energy Manager (acquisto, vendita, accumulo, uso) Soluzioni innovative anche da campi scientifici diversi: Computational Intelligence Algoritmi adattativi lineari e non lineari; Reti Neurali Artificiali e loro derivati (es. ADP); Algoritmi di ottimizzazione non convenzionali (es. genetic, PSO, Ant Colony, etc.); Algoritmi di predizione;.. migliore algoritmo == maggior risparmio ambientale/economico

21 Problemi di gestione dell energia Energy scheduling/management gestione ottimale dei flussi di energia (dispositivi, tempo, vincoli) Energy & Task scheduling/management gestione ottimale dei flussi di energia e dei carichi elettrici gestibili (es. lavatrice) Obiettivi: minimizzare il consumo; minimizzare il costo; massimizzare il consumo di energia rinnovabile; minimizzare la potenza richiesta alla rete;..

22 Un Esempio Gestione dell energia e dei task di un abitazione (algoritmo MILP): task gestibili e non gestibili; gestione batteria; gestione energia rinnovabile; gestione SSP con prezzi variabili; gestione HVAC per confort termico; IEEE TRANSACTION ON INDUSTRIAL INFORMATICS - SPECIAL SECTION ON SMART GRID 8 gestione di tutti i vincoli. TABLE VIII FIRST SCHEDULING ID P r i or i t y L i n k P T s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 Task Task af t er I D Task af t er I D Task Task Task af t er I D Hea t pu m p Ch Dh SL R tas k R st o r e R sel l R hea t p u m p R tot En cos t I en Load miglioramenti consistenti (>20%) rispetto alla gestione euristica TABLE IX SCHEDULING AFTER THE FIRST INTERRUPT

23 Conclusioni SmartGrid SmartHome Mobilità Sostenibile parti della stessa soluzione al problema ambientale molti problemi aperti: gestione energie rinnovabili su base stagionale; interoperabilità dei dispositivi (es. marche diverse, protocolli diversi); algoritmi di gestione; convenienza economica (es. costo di installazione elevato); accesso al credito e alle agevolazioni; quadro normativo; volontà/interesse (anche politico);.

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