Smart Grid Energy Efficiency

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1 Smart Grid Energy Efficiency Marco Sgroi So.Tel srl Universita Roma Tre, 17 aprile 2013

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

3 Paradigma Smart Grid ICT Platform Electrical Distribution Network

4 Consumo 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 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

9 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

10 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 Dati accessibili solo dagli utenti

11 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

12 Architettura IT 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

13 Reti di Comunicazione WAN NAN HAN Home Area Network (HAN): reti locali di sensori e attuatori all interno di edifici Neighborhood Area Network (NAN): rete di contatori connessi a un concentratore di quartiere Wide Area Network (WAN): reti di concentratori connessi con la centrale operativa dell ente distributore

14 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

15 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

16 Tecnologie

17 Ottimizzazione consumi domestici Regolazione degli impianti e di eletrodomestici in base a Misure in tempo reale di parametri ambientali (temperatura, umidita, luminosita..) Apertura di porte o finestre Presenza degli abitanti e loro preferenze Costo dell energia Limitazioni dei carichi elettrici che possono essere attivi contemporaneamente

18 Picchi di consumo Source: Jim Detmers, CAISO

19 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

20 Demand Response Source: Art Rosenfeld, California Energy Commission

21 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

22 Sistemi Illuminazione Pubblica Sostituzione lampade obsolete con lampade a LED Monitoraggio dei singoli punti luce con segnalazione di anomalie nel funzionamento al centro di controllo Controllo dell accensione e dello spegnimento di lampade da remoto Regolazione del livello di illuminazione

23 Efficienza Energetica nei Data Center 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%

24 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

25 Data Rate Wireless Standards PAN WLAN WAN WiFi/ Bluetooth GSM/UTMS/WiMax ZigBee/ Range

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

27 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

28 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

29 Piattaforma So.Tel Back-End Front-End Sensori Internet/LAN Gateway Attuatori

30 Piattaforma So.Tel Nodi con sensori/attuatori Gateway di interfaccia tra rete ZigBee e rete Internet/LAN Software applicativo per la visualizzazione dei dati e la gestione della rete

31 Contatti Marco Sgroi