Smart Grid. Marco Sgroi So.Tel srl Universita Roma Tre, 23 Maggio 2012

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1 Smart Grid Marco Sgroi So.Tel srl Universita Roma Tre, 23 Maggio 2012

2 Definizione Source: Grid: sistema per la generazione, trasmissione, distribuzione e consumo di energia elettrica Smart Grid: rete elettrica integrata con piattaforma ICT per fornire energia agli utenti in modo piu efficiente, affidabile e sicuro

3 Paradigma Smart Grid ICT Platform Electrical Distribution Network

4 Previsioni consumi di energia energy consumption quadrillion Btu Non-OECD OECD w/o U.S. U.S % % % 20% 16% % Source: EIA, International Energy Outlook 2010

5 Domanda di Energia Industrial 30% Industrial (non-electric) 20% Electricity Industrial 10% Electricity Commercial 15% Electricity Residential 15% Transportation 29% Residential & Commercial (non-electric) 11% Residential & Commercial 41% Source: EIA Annual Energy Review 2009

6 Obiettivi EU Riduzione del 20%, rispetto ai livelli del 1990, delle emissioni di gas a effetto serra Raggiungimento della quota di fonti rinnovabili del 20% rispetto al consumo finale lordo Miglioramento dell'efficienza degli usi finali dell'energia del 20%

7 Consumi elettricita in California Source: Art Rosenfeld, California Energy Commission

8 Tecnologie abilitanti

9 Rete Elettrica tradizionale Progettata per trasmissione di energia da poche grandi centrali di generazione a tanti utilizzatori lontani Dimensionata per garantire servizio durante picchi di consumo senza poter limitare la domanda Lettura di contatori manuale Interazione con utenti limitata

10 Smart Grid Gestione della generazione distribuita e.g. fonti rinnovabili Comunicazione tra componenti della rete elettrica bidirezionale lettura dei contatori comunicazione in tempo reale delle tariffe agli utenti e trasmissione di messaggi per la regolazione di carichi Ottimizzazione in tempo reale delle risorse e adattabilita a guasti o eventi Riduzione picchi di consumo Controllo della domanda e bilanciamento con l offerta

11 Smart Grid Ottimizzazione dei consumi Efficienza energetica Affidabilita Monitoraggio del funzionamento dei componenti della rete (meters, cabine di trasformazione, linee, carichi...) e gestione tempestiva di allarmi Interazione con gli utenti Informazioni sui consumi Contributo alla riduzione di picchi Power Quality Qualita del servizio di fornitura di energia Sicurezza Privacy

12 Applicazioni Smart Grid Efficienza energetica di edifici attraverso reti di sensori e attuatori Lettura remota contatori e gestione dei dati sui consumi degli utenti Trasmissione di tariffe agli utenti in tempo reale Bilanciamento dinamico tra domanda e offerta di energia (Demand Response) Monitoraggio funzionamento della rete e gestione allarmi Ottimizzazione e controllo distribuito della rete

13 Architettura Smart Grid Application Layer Lettura Contatori Distributed Management Electric vehicle Demand Response Control SCADA Grid Optimization Energy Efficiency Service Layer Data Management Data Analytics Failure Management Communication Layer Electrical Layer

14 Piattaforma IT Immagazzinamento e gestione dei dati sui consumi degli utenti Monitoraggio e gestione della rete Accesso e visualizzazione dati da parte degli utenti

15 Architettura Rete di Comunicazione WAN NAN HAN Home Area Network (HAN): reti locali di sensori e attuatori all interno di edifici Neighborhood Area Network (NAN): reti di contatori con concentratore di quartiere Wide Area Network (WAN): reti che permettono la trasmissione dati tra i concentratori e le utility

16 Efficienza Energetica degli edifici Edifici incidono per 40% dei consumi di energia 36% delle emissioni di gas Residenziale Climatizzazione: 39% Riscaldamento acqua: 12% Commerciale Climatizzazione: 32% Illuminazione: 30% Source: Roadmap per Energy-efficient buildings 2010 Commissione EU

17 Opportunita di risparmio energetico Sprechi nell utilizzo degli impianti lasciati in funzione quando non necessario Assenza di informazioni sui consumi di singoli impianti o utenti Anomalie o malfunzionamento di impianti

18 Monitoraggio e Controllo Edifici Monitoraggio andamento dei consumi dei singoli carichi o aggregato (attraverso power meter, smart plug, etc.) Controllo manuale o automatico degli impianti che tiene conto di Misure di parametri ambientali (temperatura, umidita, luminosita..) Apertura di porte o finestre Presenza degli abitanti e loro preferenze Limitazioni dei carichi elettrici che possono essere attivi contemporaneamente

19 Reti Wireless di Sensori - WSN Sensori Applicazione Attuatori Range di comunicazione limitato (decine di metri) Bassa velocita di trasmissione (trasmissioni sporadiche di dati) Nodi di piccole dimensioni, basso costo e limitato consumo energetico (alimentazione a batterie) Sensori e Attuatori

20 Dispositivi rete domestica Contatore: misura dei consumi Display: visualizzazione dei consumi Termostato: regolazione della temperatura ambientale Impianto climatizzazione: termosifoni, condizionatori Impianto illuminazione: lampade, interruttori Elettrodomestici: lavatrice, frigorifero Prese: on-off, misura dei consumi per singolo carico Gateway

21 Data Rate HAN Wireless Standards PAN WLAN WAN WiFi/ Bluetooth GSM/UTMS/WiMax ZigBee/ Z-Wave Wireless M-Bus Range

22 ZigBee stack Layers Application Application Applications Profiles ZigBee Security Application Layer Layer ZigBee Network Layer IEEE MAC Layer MAC Layer Physical Layer

23 Caratteristiche stack ZigBee Banda: 2.4 Ghz Max data rate: 250Kbps Range di Trasmissione: fino a 100m outdoor Security: 128bit AES encryption Tipi di nodi Nodi End Devices con sensori/attuatori Gateway che interfaccia rete ZigBee con reti WAN e svolge ruolo di Coordinatore della rete Zigbee Router per comunicazione multi-hop tra End Device e Coordinatore - Coordinatore (sempre alimentato) - Router (sempre alimentato) - End Devices (batterie)

24 Topologie Stella Albero Mesh Pan Coordinator Full Function Device Reduced Function Device

25 ZigBee Profiles Definiscono insiemi di dispositivi e protocolli per un dominio applicativo Profilo specifica Dispositivi Cluster Parametri Permettono interoperabilita tra produttori di dispositivi Programmi di certificazione Profili pubblici e privati

26 HAN Wireless Standards Banda 2.4 Ghz ZigBee WiFi/ IP-based stack 6LowPAN: adaptation layer tra IPv6 e IEEE Specifica dei layer superiori in via di definizione Banda 868 Mhz Wireless M-Bus Utilizzo applicazioni Smart Metering e Contabilizzazione del calore Z-Wave Home Automation

27 Controllo Illuminazione In California l illuminazione di edifici commerciali responsabile del 30% dei consumi Progetti pilota hanno mostrato riduzione del consumo di energia per illuminazione fino al 50-70% Sensori: luminosita, presenza, movimento Controllo accensione e dimming Regolazione basata sul rilevamento della presenza di utenti

28 Contabilizzazione e Regolazione Calore Contabilizzazione calore in impianti condominiali Misura la quantità di calore prelevato da ogni utente Impianti a distribuzione verticale richiedono uso di ripartitori di calore con sensore di temperatura posto su termosifone Es. Siemens Siemeca Termoregolazione Valvola termostatica regola la portata dell acqua in un radiatore Es. Honeywell Evohome Protocollo Wireless M-Bus

29 Efficienza Energetica nei Data Center Nei Data Center la temperatura deve essere mantenuta in un range opportuno per evitare danni ai server Utilizzo di sistemi di raffreddamento spesso superiore al necessario per mancanza di dati accurati sulla temperatura in prossimita dei server Soluzioni basate su reti wireless di sensori permettono di monitorare parametri ambientali e regolare ottimamente impianti di condizionamento Parametri: Temperatura, Umidita, Airflow, Consumo singoli apparati Risparmio di energia fino al 20-30%

30 So.Tel Energy Management System Sistema di gestione dell energia per edifici basato su reti wireless di sensori Applicazioni Monitoraggio e gestione del consumo di energia a livello di singolo dispositivo o apparato Monitoraggio di parametri ambientali Definizione di tempi e modi ottimali di utilizzo di impianti (e.g. illuminazione e climatizzazione) in base alle condizioni ambientali misurate in tempo reale Identificazione di eventuali anomalie nei consumi

31 Piattaforma Monitoraggio So.Tel Internet/LAN Gateway Nodi sensori/attuatori Gateway di interfaccia tra reti di sensori e rete Internet/LAN Database per la gestione dei dati Software applicativo per visualizzazione dati e gestione della rete Wireless standard: ZigBee

32 Metering Smart Meters: contatori elettrici che misurano il consumo di energia elettrica in intervalli di circa un ora e comunicano l informazione alla Utility almeno una volta al giorno Automated Meter Reading - AMR Lettura unidirezionale contatori Advanced Metering Infrastructure - AMI Smart Meters Comunicazione bidirezionale tra contatori e utility Vantaggi per utenti Monitoraggio dei consumi Vantaggi per Utility Gestione dei flussi di energia Comunicazione prezzi in tempo reale

33 Source: CAISO Demand Response

34 Demand Response Permette la riduzione della domanda di energia a seguito della risposta dell utente alle variazioni nel tempo dei prezzi dell energia Riduzione del carico quando si verificano Eventi che modificano la supply-demand balance Condizioni di mercato che portano all incremento dei costi di fornitura Esempi Picchi di consumo durante I piu caldi giorni estivi dovuti all accensione di condizionatori Riduzione di supply causata da blackouts

35 Demand Response Source: Art Rosenfeld, California Energy Commission

36 Tariffe Tempo reale Orari di picco Fasce orarie Flat Minore flessibilita Maggiore flessibilita Fasce orarie (invariato per tutto l anno) Orari di picco (giorni e orari di picco notificati in anticipo) Tempo reale (tiene conto del clima o dei guasti della rete e viene comunicata ogni ora)

37 Contributo utenti Confort Risparmio Decidono quando utilizzare gli impianti non solo in base al confort ma anche in base al prezzo dell energia che varia nel tempo Impostano preferenze che definiscono la programmazione di funzionamento degli apparati

38 Reti NAN WAN NAN HAN Requisiti QoS per trasmissione di allarmi Affidabilita e sicurezza Tecnologie Wireless Broadband (es. GPRS) Wireless Mesh (es. WiMax, WiFi, ZigBee, 868 Mhz etc.) Powerline communications

39 Alcune questioni aperte Chi saranno principali fornitori di servizi di gestione consumi: utilities, operatori telecom o altri? Quali protocolli saranno piu utilizzati per HAN e NAN? Quale sara il livello di partecipazione e l utilizzo dei servizi delle Smart Grid da parte degli utenti?

40 Marco Sgroi So.Tel srl Contatti