Smart Grid. Le reti elettriche di domani

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2 Smart Grid. Le reti elettriche di domani Dalle rinnovabili ai veicoli elettrici il futuro passa per le reti intelligenti Realizzato in collaborazione con gli Esperti Soci della Fondazione EnergyLab a cura di Maurizio Delfanti e Andrea Silvestri con una Premessa di Luca Lo Schiavo Gieedizioni

3 GieEdizioni, Roma 2011 Fondazione EnergyLab, Milano 2011 Gestione del progetto Silvio Bosetti Editing Alessandro Seregni Segreteria di redazione Donato Lombardi Coordinamento editoriale Mauro Bozzola e Alessia Guadalupi Grafica copertina e interni Alessandro Tonet Stampa Grafica Metelliana - Cava dei Tirreni (SA) Fondazione EnergyLab Piazza Trento, Milano Tel Fax info@energylabfoundation.org GieEdizioni è un marchio Gruppo Italia Energia Via Piave, Roma Tel Fax info@gruppoitaliaenergia.it ISBN Nessuna parte di questo libro può essere riprodotta in qualsiasi forma e con qualsiasi mezzo elettronico, meccanico o altro, senza l autorizzazione scritta dei proprietari dei diritti e dell editore.

4 Curatori Maurizio Delfanti Andrea Silvestri Docente di Smart Grids and Regulation for Renewable Energy Sources Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Docente di Sistemi Elettrici per l Energia Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Autori Giuseppe Buglione Massimo Bogarelli Antonio Capone Michele De Nigris Davide Falabretti Massimo Gallanti Luca Lo Schiavo Marco Merlo Valeria Olivieri Clara Poletti Mauro Pozzi Assegnista IEFE Università Commerciale Luigi Bocconi Assegnista Dipartimento di Elettronica e Informazione Politecnico di Milano Docente di Reti Wireless Dipartimento di Elettronica e Informazione Politecnico di Milano Dipartimento Sviluppo Sistema Elettrico Ricerca Sistema Elettrico, RSE PhD student Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Direttore del Dipartimento Sviluppo Sistema Elettrico Ricerca Sistema Elettrico, RSE Direzione Generale Autorità per l Energia Elettrica e il Gas Ricercatore Dipartimento di Energia Politecnico di Milano PhD student Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Direttore IEFE IEFE Università Commerciale Luigi Bocconi Assegnista Dipartimento di Energia Politecnico di Milano

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6 Le competenze: gli Esperti Soci di EnergyLab Università Commerciale Luigi Bocconi Università Cattolica del Sacro Cuore Politecnico di Milano Università degli Studi di Milano-Bicocca Università degli Studi di Milano Ricerca Sistema Energetico, RSE

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8 INDICE PREMESSA di Luca Lo Schiavo 11 INTRODUZIONE di Maurizio Delfanti e Andrea Silvestri 17 CAPITOLO 1. Definizioni e obiettivi delle Smart Grid I driver politici delle Smart Grid I fattori abilitanti delle Smart Grid La rete odierna La rete di distribuzione verso le Smart Grid Il ruolo del cliente finale nelle Smart Grid Reti di trasmissione Coordinamento tra le reti di trasmissione e di distribuzione Servizi e funzionalità delle reti intelligenti di distribuzione Nuove esigenze di integrazione Migliorare l esercizio della rete Sicurezza e qualità della fornitura Nuovi criteri per la pianificazione degli investimenti Migliorare le funzionalità del mercato e dei servizi ai clienti Coinvolgimento del consumatore Barriere all implementazione delle Smart Grid Indicatori prestazionali per le Smart Grid (KPI) Tecnologie abilitanti Generazione Diffusa: definizione Generazione Diffusa: il panorama italiano CAPITOLO 2. Lo sviluppo delle Smart Grid. Aspetti regolatori Gli investimenti in reti di distribuzione intelligenti La gestione delle reti intelligenti Le ragioni per una gestione attiva della domanda La diffusione dello smart metering e il ruolo del DSO Regole tecniche e condizioni procedurali ed economiche di connessione Testo integrato delle connessioni attive TICA Regole Tecniche di Connessione

9 Smart Grid. Le reti elettriche di domani Smart metering e prezzi differenziati Veicoli elettrici La Delibera 39/10: incentivi per le Smart Grid 81 CAPITOLO 3. La Generazione Diffusa come driver per le reti attive (focus sul panorama italiano) Costi di incentivazione Costi per il mantenimento di una adeguata capacità di tipo programmabile Costi per l incremento del margine di riserva rotante Costi per lo sbilanciamento Reti di distribuzione MT Variazioni rapide di tensione Variazioni lente di tensione Portate a regime e limiti di transito Campione di reti impiegato Analisi complessiva dei vincoli tecnici nodali Incremento delle correnti di cortocircuito Protezioni da cortocircuito e limiti associati Inversione di flusso Isola indesiderata Analisi semplificata delle reti BT Metodologia di calcolo: Hosting Capacity sulla rete BT Campione ridotto di reti BT Risultati su campione ridotto di reti BT Protezioni di interfaccia Studio su una rete tipo Possibili evoluzioni del SPI (già previste sul sistema italiano) CAPITOLO 4. Le reti di comunicazione per le Smart Grid Architettura delle reti di comunicazione Tecnologie di comunicazioni Home Area Network (HAN) Neighborhood Area Network (NAN) Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) Requisiti prestazionali Protocolli di controllo e gestione Sviluppo dello smart metering Comunicazione Wired

10 Indice Comunicazione Wireless Protocolli per la comunicazione DLMS/COSEM PRIME G3-PLC Smart metering in Italia Meters and More CAPITOLO 5. Realizzazioni in corso Iniziative in America del Nord Iniziative in America Latina Iniziative in Oceania e in Asia Progetti finanziati dalla Commissione Europea Progetti finanziati a livello nazionale Il panorama italiano 182 CAPITOLO 6. Un esperienza dimostrativa in Lombardia: il progetto Milano Wi-Power Partner del progetto Caratteristiche dei siti della sperimentazione Cronistoria del progetto DSL (Digital Subscriber Line) PLC (Power Line Carrier) Wi-Fi e WiMAX Fibra ottica Sviluppi proposti Lo Standard IEC Caratteristiche e implementazione Segnali inviati Intertrip Messaggi ulteriori Presenza rete Esperienza di comunicazione tramite protocolli proprietari Rete pubblica cablata Wi-Fi e ulteriori test con rete cablata Esperienza di comunicazione tramite protocollo IEC Sperimentazione tramite tecnologia WiMAX

11 Smart Grid. Le reti elettriche di domani Architettura generale del sistema Il sistema di telecomunicazione Funzioni implementate Telescatto con logica Fail-Safe Regolazione della tensione tramite la Generazione Diffusa Limitazione/regolazione in emergenza della potenza attiva Monitoraggio delle iniezioni da Generazione Diffusa nella prospettiva di un dispacciamento locale e per fornire dati differenziati a TERNA Gestione attiva del lato AT di Cabina Primaria Benefici attesi sulla rete 217 ABBREVIAZIONI e SIGLE

12 Prem essa Una tempesta di innovazione per l intero sistema elettrico di Luca Lo Schiavo* Gli obiettivi europei di aumento della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, di incremento dell efficienza energetica e di riduzione delle emissioni di gas climalteranti il cosiddetto pacchetto al 2020 comportano, per essere effettivamente raggiunti, un cambiamento molto significativo per le reti elettriche europee in generale e italiane in particolari, come questa pubblicazione dimostra ampiamente. E non basta: alle modifiche di network design and management necessarie per consentire uno sviluppo della Generazione Diffusa adeguato a raggiungere gli obiettivi della direttiva europea sul cambiamento climatico, si sommano gli effetti degli obiettivi fissati dalla direttiva sul mercato interno dell energia elettrica facente parte del cosiddetto terzo pacchetto energia che indica a tutti i Paesi europei lo sviluppo smart metering come strada necessaria, una volta compiuta una analisi costi/benefici, per allargare a tutti i clienti i benefici della liberalizzazione. E non basta ancora: in prospettiva, stanno per arrivare nelle reti di distribuzione commerciale delle principali marche automobilistiche i veicoli elettrici plug-in, che comporteranno nuovi carichi per la rete, al momento piuttosto imprevedibili quanto al profilo di potenza assorbita, ma relativamente limitati circa il complessivo fabbisogno energetico, e comunque efficienti in termini di energia primaria complessivamente utilizzata per la mobilità individuale rispetto ai tradizionali veicoli con motori endotermici. Sviluppo della Generazione Diffusa e conseguente sua integrazione non solo nelle reti di distribuzione ma anche nel mercato dell energia elettrica, a dispetto del marchio di fonti considerate tradizionalmente non programmabili, grazie allo sviluppo di tecnologie e modelli di previsione; diffusione a livello europeo dello smart metering (un punto su cui l Italia detiene un primato mondiale) e sue opportunità per i clienti finali e per nuovi soggetti di mercato come gli aggregatori della domanda in grado di commercializzare servizi di demand response; in un futuro ormai prossimo, veicoli elettrici guidati da consumatori elettrici mobili, dotati di libertà di scelta del proprio fornitore come i più tradizionali consumatori elettrici fissi ma portatori di un bisogno nuovo, l accesso a infrastrutture di ricarica non solo in luoghi privati come i garage presso le abitazioni delle famiglie e le sedi delle imprese ma anche in luoghi pubblici o quanto meno in luoghi aperti al pubblico: le sfide per le reti elettriche del futuro sono davvero imponenti, tanto che un recente studio con- * Autorità per l Energia Elettrica e il Gas, Direzione Generale. Le opinioni contenute in questo contributo sono espresse a titolo personale e non coinvolgono né impegnano in alcun modo l istituzione di appartenenza. 11

13 Smart Grid. Le reti elettriche di domani dotto in Gran Bretagna per conto del regolatore OFGEM (progetto LENS Long-term Electricity Network Scenarios) qualifica come senza precedenti (unprecedented) il livello di innovazione che i sistemi elettrici dovranno presto affrontare e in parte stanno già sperimentando. In questa fase di potente e in parte imprevedibile innovazione, sarà essenziale il ruolo delle autorità di regolazione, non solo per fornire i corretti stimoli agli investimenti sulle Smart Grid, ma anche come viene correttamente suggerito nel capitolo di questo studio dedicato alla regolazione per aggiustare tutti quei gangli delle regolazione che hanno a che fare con questa vera e propria tempesta di innovazione da cui verrà presto attraversato l intero sistema elettrico. Sotto questo profilo, si potrebbe persino sostenere che Smart Grid rischia di essere un brand fuorviante, giacché ciò che serve non sono (solo) reti intelligenti, ma (anche e soprattutto) utenti della rete in grado di sfruttare le opportunità dell innovazione tecnologica, adeguando i propri impianti di produzione e di consumo. Insomma, la tempesta perfetta di innovazione non si limita alle Smart Grid, ma punta diritta al cuore del sistema elettrico, per cui sarebbe più corretto parlare di smart power system. È certo che il ruolo di tecnologia abilitante per il nuovo smart power system sarà svolto dall ICT e che altrettanto importanti saranno gli sviluppi della normazione tecnica, non tanto e non solo nel tradizionale settore dell elettrotecnica curato a livello europeo dal Cenelec ma anche, e in misura più determinante per il successo del cambiamento in corso, nelle applicazioni di comunicazione per guidare la definizione di soluzioni tecnologiche di tipo aperto e non proprietario, basate su protocolli standard, in maniera tale da lasciare la massima libertà di azione al mercato, e anche da minimizzare i costi e le complessità tecnologiche cui l utenza della rete intelligente deve fare fronte. È opportuno a questo scopo chiarire che la transizione verso lo smart power system travalica ampiamente la fase di automazione delle reti, avviata nell ultimo decennio in Italia dalle imprese di distribuzione per effetto della spinta data dalla regolazione incentivante della qualità del servizio; tale fase è giunta per alcuni aspetti a soluzioni molto avanzate, a partire dal telecontrollo secondario diffuso sulle reti di media tensione fino alla ricerca automatica e selezione del tronco interessato dal guasto. Se il problema fosse solo quello dell automazione di rete, protocolli proprietari di comunicazione (come quelli adottati sinora dalle maggiori imprese di distribuzioni) continuerebbero a essere accettabili, dal momento che tale applicazione non richiede alcuna interazione con gli utenti della rete attivi e passivi. Ma i reali benefici della sovrapposizione di uno strato ICT a un sistema elettrico si ottengono solo se anche gli utenti, sia quelli che immettono potenza sia quelli che la prelevano, vengono interconnessi a questo strato ICT e sono in grado di modificare i propri comportamenti in relazione a opportuni segnali, sia economici (legati al mercato) sia tecnici (legati al buon funzionamento della rete di distribuzione e, più in ampio, a un migliore governo del complessivo sistema elettrico). Il coinvolgimento degli utenti della rete per sfruttare al massimo le potenzialità derivanti dalla smartizzazione è, dunque, la ragione evidente per cui non è più possibile utilizzare protocolli proprietari, come nel caso dell automazione di rete, ma è necessario utilizzare protocolli aperti che gli utenti della rete siano in grado di adottare sui propri dispositivi di interfaccia verso il distributore con il minimo costo. È compito anche del regolatore energetico assicurare che, da una parte, non vi siano comportamenti o disposizioni dei gestori di rete che impongano complicazioni o costi non strettamente necessari agli utenti della rete e che, dall altra, gli utenti della rete osservino le prescrizioni tecniche necessarie per il corretto funzionamento della rete. Richiamo a questo proposito il lavoro che l Au- 12

14 Premessa torità per l Energia Elettrica e il Gas ha fatto negli ultimi anni per eliminare la varietà di prescrizioni tecniche dei diversi distributori erano note, in particolare, le norme della serie DK di Enel distribuzione e sostituirle con un unica Regola tecnica di connessione, definita dall organismo di regolazione sulla base del lavoro tecnico compiuto dall organismo nazionale di standardizzazione (CEI Comitato Elettrotecnico Italiano) in collaborazione con gli uffici del regolatore e con tecnici indipendenti (Norma CEI 0-16). Questo disegno è stato completato per le reti di distribuzione di Alta e Media Tensione, mentre è ancora in corso ma dovrebbe essere completato a brevissimo, di certo entro il 2011 per le reti di Bassa Tensione, sulle quali è ormai al termine il lavoro condotto dal CEI su richiesta dell Autorità (la nuova norma per la BT si dovrebbe chiamare CEI 0-21). A proposito della necessità di apertura dei protocolli di comunicazione nelle Smart Grid, allo scopo appunto di non generare costi evitabili per gli utenti della rete, è da sottolineare che, tra i requisiti considerati necessari per l accesso alle incentivazione previste dalla delibera dell Autorità ARG/elt 39/10 per progetti sperimentali di Smart Grid, vi è proprio quello del ricorso a protocolli di comunicazione di pubblico dominio. Anche se l esperienza in corso in Italia di stimolo a progetti dimostrativi di Smart Grid per effetto di questa delibera è ampiamente descritta in questo volume, può essere opportuno richiamare alcuni motivi che hanno condotto l Autorità ad avviare queste sperimentazioni. In primo luogo, è necessario richiamare il fatto che a partire dal 2004, cioè immediatamente dopo il grave blackout che ha interessato il sistema elettrico italiano nel settembre 2003, l Autorità ha introdotto progressivamente una serie di incentivi allo sviluppo degli investimenti strategici (estesi successivamente anche alle reti gas). Nel II periodo regolatorio delle reti elettriche ( ) tali incentivi che prendono la forma di un aumento del tasso di remunerazione del capitale investito (WACC, Weighted average cost of capital) sono stati inizialmente limitati agli investimenti previsti dal Piano di sviluppo della rete di trasmissione nazionale (RTN), ma dal III periodo regolatorio ( ) essi sono stati estesi anche ad alcuni investimenti particolari sulle reti di distribuzione, tra cui le sperimentazioni di reti attive. L idea di fondo è che alcuni investimenti non sono adeguatamente promossi dagli incentivi output-based relativi ai parametri di qualità del servizio (SAIDI e SAIFI+MAIFI), e tuttavia meritano attenzione in quanto il loro mancato sviluppo potrebbe ostacolare l innovazione o danneggiare i consumatori. In secondo luogo, è ormai un punto di vista consolidato che i sistemi elettrici debbano evolvere nella direzione di una gestione di tipo attivo. Questa evoluzione è necessaria per una ampia serie di scopi, tra i quali, in ordine di urgenza: maggiori possibilità di connettere unità di Generazione Diffusa, garantendo un migliore contributo (oggi assente o negativo) delle predette unità di Generazione Diffusa alla sicurezza del complessivo sistema elettrico; introduzione di modalità di controllo del carico da parte del sistema; introduzione di maggiori possibilità per i clienti finali (in prospettiva, anche mobili) di partecipare al mercato elettrico mediante opportuni segnali di prezzo. Tutte queste finalità sono raggiungibili soltanto mediante la presenza di opportuni sistemi di comunicazione che completino le attuali reti elettriche. In maniera molto semplificativa, si può descrivere questa evoluzione dicendo che le reti di distribuzione devono assomigliare, in qualche modo, alle reti di trasmissione. Queste ultime, in Italia ormai da molti anni, sono completamente 13

15 Smart Grid. Le reti elettriche di domani controllate e automatizzate, nonché dotate di sistemi di comunicazione in grado di scambiare opportuni segnali con gli utenti delle reti medesime. La necessaria progressività di azione ha condotto a focalizzare (già dal 2007, con la delibera 348/07) l attenzione sulle reti attive di media tensione : tale attenzione si è poi espressa nel vincolo, fissato dalla delibera dell Autorità ARG/elt 39/10, di circoscrivere i progetti dimostrativi a reti di distribuzione MT in cui si verifica per almeno l 1% del tempo annuo l inversione di flusso di potenza, dalla Media all Alta Tensione, per esubero della potenza immessa da Generazione Diffusa rispetto al carico in quella frazione del tempo. La focalizzazione sui problemi derivanti dall inversione di flusso con l attuale sistema di protezioni trova le sue radici, a sua volta, negli studi commissionati dall Autorità al Politecnico di Milano tra il 2006 e il 2008 e i cui risultati sono stati pubblicati come allegato B alla delibera ARG/elt 25/09 (al Capitolo 3 del presente volume si fornisce una spiegazione dettagliata di questi risultati di ricerca, e della loro parziale estensione alla BT, come illustrato anche nell Allegato alla Delibera ARG/elt 223/10). In sostanza, l idea è stata quella di affrontare criticità già in parte manifeste selezionando progetti dimostrativi di smartizzazione delle reti di distribuzione in Media Tensione là dove la penetrazione della Generazione Diffusa ha già raggiunto livelli di criticità che richiedono nuove modalità e nuove tecnologie per la gestione attiva della reti, e di fare questo con un adeguato coinvolgimento degli utenti delle reti (e, come già detto, limitando per quanto possibile i costi di adeguamento degli impianti degli utenti attivi e passivi grazie all uso di protocolli standard e non proprietari di comunicazione). È importante sottolineare che questi progetti dimostrativi, pur essendo di dimensioni limitate, si muovono nella stessa direzione perseguita dalla Commissione Europea con la recente iniziativa industriale EEGI (European Electricity Grid Initiative) messa a punto dalla DG Ricerca nell ambito del SET-Plan (Strategic Energy Technology Plan): passare da una fase, ormai abbastanza consolidata, di progetti di ricerca sviluppati in laboratorio (a livello di impianti di test facility) a una fase nuova, certamente più critica, di sperimentazione in campo, con clienti veri, impianti veri, tensioni vere come indicato anche dal Position Paper dell associazione europea dei regolatori (ERGEG, European Regulatory Group for Electricity and Gas) pubblicato a luglio 2010 e spesso richiamato nel presente volume. All interno di questa pubblicazione si richiama anche il motivo che ha spinto l Autorità a inserire il riferimento alla Media Tensione (MT: 1-35 kv) come requisito essenziale dei progetti dimostrativi di Smart Grid da selezionare per l ammissione al regime di incentivazione specifica tramite un aumento del WACC del 2% per 12 anni. Sulle reti MT, infatti, vengono generati i ¾ dell energia rinnovabile prodotta in Italia. Il problema dell integrazione di quantità massicce di potenza di generazione alimentata da fonti rinnovabili e quindi soggetta a profili di immissione intermittenti, che possono indurre eccessive variazioni di tensione lungo le linee si pone quindi prevalentemente sulle reti di Media Tensione. Viceversa, sulle reti di Alta Tensione (almeno a livello nazionale) sono già disponibili tecnologie di controllo remoto degli impianti di produzione: i problemi presenti in alcune parti d Italia sulle reti AT vanno ricondotti più che altro al dimensionamento della rete piuttosto che alla sua smartizzazione. In una prospettiva di più lungo periodo, è necessario estendere l azione alle reti BT, cui sono connessi utenti con numerosità di diversi ordini di grandezza superiore. Su queste reti, la questione fondamentale in Italia è quella di valorizzare al meglio gli investimenti già realizzati per lo smart 14

16 Premessa metering. A questo proposito l Autorità ha introdotto l obbligo di prezzi biorari dell energia per tutta l utenza, inclusa l utenza domestica dall 1 luglio 2010 e con una gradualità che si esaurirà alla fine del Si tratta probabilmente del maggior esperimento di prezzi differenziati su base Timeof-use a livello planetario, i cui effetti l Autorità intende seguire con attenzione grazie anche al contributo della Ricerca di sistema. Lo scopo è quello di introdurre prezzi riflessivi dei costi (cost-reflectivity) per l utilizzo dell energia elettrica, in modo da fornire ai clienti e, indirettamente, ai costruttori di apparecchiature elettriche i segnali economici del valore delle scelte di consumo. Il sistema italiano di smart metering costituisce l unica applicazione su scala 30 milioni esistente al mondo, ed è proprio la caratteristica di esperienza in campo su vasta scala che ci viene invidiata all estero. Grande interesse suscitano, ad esempio, le decisioni regolatorie di passaggio al regime di prezzo biorario obbligatorio per i clienti del regime di universal supply (servizio di maggior tutela) o di utilizzo delle capabilities dei contatori elettronici per la somministrazione di un servizio minimo vitale anche in presenza di sofferenze nei pagamenti da parte di consumatori domestici di energia elettrica (gestione della morosità). L Autorità ha intrapreso la strada di estrarre il maggior valore possibile dall investimento nei contatori elettronici: tale investimento viene ripagato, da una parte, con l adeguamento della parte in conto capitale delle tariffe; ma ha già consentito, dall altra, l inasprimento del fattore di efficienza (X-factor) che guida la riduzione dei costi operativi delle imprese di distribuzione secondo la logica del price-cap, introdotta in Italia dalla legge istitutiva dell Autorità per l energia (Legge n. 481/95). Certo, chi disegnasse oggi un sistema di smart metering potrebbe adottare scelte diverse da quelle che vennero prese più di 10 anni orsono in Italia. La configurazione del sistema di telegestione attualmente in campo non ammette un vero controllo real-time degli oggetti end-point, che del resto non è nemmeno necessario per gli obiettivi che indirizzarono, potremmo dire ormai sul finire del secolo scorso, la decisione di sviluppare la telegestione dei contatori. Tali obiettivi erano principalmente: la lettura a distanza dei consumi, sia in ciclo periodico che on demand per operazioni spot, come può essere lo switch tra un fornitore e l altro; la gestione remota delle operazioni di attivazione, disattivazione e variazione del set-point di massima potenza disponibile sul limitatore. In una visione prospettica, con un collegamento tra il contatore elettronico e internet, per esempio, si potrebbero realizzare servizi quasi real-time che oggi non sono consentiti. È quindi corretto, da una parte, riconoscere la visione di futuro di chi ha scommesso sulla introduzione dei contatori telegestiti; e dall altra, iniziare a lavorare per la seconda generazione di contatori (l Autorità ha fissato in 15 anni la vita utile tecnico-economica dei contatori elettronici, e siamo ormai oltre la metà di questo periodo), individuando nuovi servizi di cui possano beneficiare gli utenti e derivando da questi le nuove caratteristiche tecniche necessarie (secondo un modello che richiama la metodologia del Quality Function Deployment). L impulso che è stato dato dalla Commissione Europea alla diffusione dei sistemi di smart metering nei Paesi membri dell Unione, sia con le norme contenute nel cosiddetto III pacchetto energia sia con l emissione del Mandato M/441 agli organismi europei di standardizzazione (CEN/CENELEC/ETSI), ha provocato recentemente un importante cambiamento nel senso dell apertura dei protocolli di comunicazione: la costituzione del consorzio Meters and More, che ha permesso la disclosure del protocollo di comunicazione utilizzato nelle principali esperienze euro- 15

17 Smart Grid. Le reti elettriche di domani pee di telegestione dei contatori di Bassa Tensione (Italia, con Enel distribuzione, e Spagna con Endesa). La disponibilità di questo protocollo in forma pubblica costituirà un importante passaggio verso le possibilità di home and building automation che sono alla base anche del risparmio energetico negli usi residenziali dell energia elettrica (come dimostrano anche le migliori esperienze in particolare degli Stati Uniti). Generazione Diffusa e smart metering sono due aspetti essenziali dell evoluzione delle reti elettriche verso le Smart Grid: ma questa evoluzione avrà intersezioni anche con altre tematiche, che il presente volume tratta solo parzialmente, essendo oggetto di altre iniziative parallele e già in corso della Fondazione EnergyLab, come l efficienza energetica negli usi finali, e in particolare l elettrificazione del trasporto individuale. Il futuro che ci aspetta è un futuro con più elettricità e meno energia primaria. Soprattutto l elettrificazione dei trasporti individuali (su gomma, quindi) comporterà, nei prossimi decenni, un mutamento delle logiche di consumo dell energia che assumerà probabilmente contorni da mutamento di paradigma. Gli studi sulle nanotecnologie potrebbero portare a risultati industriali sui sistemi di accumulo dell energia tali da far mutare completamente, nell arco di alcuni decenni, la composizione del parco di autoveicoli. L aumento, da una parte, della capacità delle batterie a bordo dei veicoli, mantenendo elevate prestazioni e ridotte dimensioni, e la riduzione, dall altra, dei tempi di ricarica a tempi compatibili con una breve attesa a una stazione di rifornimento elettrico (senza quindi la necessità di coniugare la ricarica con la sosta del veicolo, ma solo con una fermata ), saranno i due fattori su cui si misurerà la velocità della rivoluzione della mobilità elettrica. La prospettiva entro cui inquadrare correttamente la tempesta di innovazione che sta per arrivare sul settore elettrico è, dunque, più generale: non riguarda solo le reti elettriche in senso stretto, ma investe l intero sistema, comprendendo gli usi finali dell energia, inclusi quelli oggi non praticati se non in modo assolutamente trascurabile, come la mobilità elettrica (individuale e commerciale). È auspicabile (ed è compito del regolatore) che il traguardo finale di un simile processo, che si articolerà su un orizzonte temporale molto esteso, veda sempre al centro l utente finale del sistema. La necessità di un approccio centrato sull utente (user-centric) è stato del resto il principale messaggio metodologico del documento di consultazione dell associazione europea dei regolatori dell energia ERGEG sul tema delle Smart Grid pubblicato alla fine del Tale approccio deve rimanere un caposaldo non solo dell azione delle autorità indipendenti di regolazione dell energia dei diversi Stati membri dell Unione Europea, ma anche degli operatori di rete che pianificano gli investimenti e dei diversi attori di mercato che grazie a una rete più aperta, più efficace nel fornire servizi, più dotata di tecnologia intelligente possono ottenere benefici economici e ambientali superiori ai costi, senza dubbio notevoli, che sono necessari per affrontare la tempesta di innovazione con il giusto mix di visione del futuro e di responsabilità per il servizio attuale. 16

18 Introduzione di Maurizio Delfanti e Andrea Silvestri Dopo la rivoluzione che ha portato dalle utility verticalmente integrate alla gestione secondo modelli di mercato, i sistemi elettrici della maggior parte dei Paesi, europei e non solo, stanno ora attraversando una nuova fase di transizione: si assiste a un ripensamento delle modalità di gestione delle reti, soprattutto di distribuzione, che devono passare da passive ad attive. Questa direzione di evoluzione (con risvolti più tecnici della precedente) è identificata, a livello internazionale, con il termine Smart Grid, sottintendendo strutture e modalità operative fortemente innovative che, oltre a mantenere un elevato livello di sicurezza e affidabilità dell intero sistema, siano anche in grado di far fronte ai numerosi problemi legati alla gestione della Generazione Diffusa, alle possibilità di controllo del carico, alla promozione della efficienza energetica e a un maggiore coinvolgimento degli utenti finali attivi e passivi, anche con riferimento al mercato elettrico. Questa trasformazione, che coinvolge l intero sistema elettrico, non sembra avere una forma definita né un confine preciso: adesso non basta più solo soddisfare la crescente domanda di energia elettrica (che da sempre è stato il principale, se non l unico, obiettivo delle reti elettriche): bisogna rispondere a nuove esigenze non racchiuse, e soprattutto non risolvibili, all interno del solo mondo elettrico, che dovrà quindi incrociarsi con altre realtà come, prima fra tutte, il mondo dell ICT (Information and Communication Technology). La sfida, quindi, è imponente ed è ormai già iniziata; ma le idee sono ancora un po confuse, e non solo in relazione agli aspetti più tecnici o di dettaglio. Infatti, sebbene le Smart Grid siano da qualche anno al centro del dibattito sui sistemi elettrici, è difficile ad oggi individuare anche soltanto una definizione univoca e codificata, mentre sembra più facile porre di volta in volta l accento su di un punto specifico, a seconda del contesto, con il rischio, appunto, di ingenerare confusione. Il risultato è un diffuso approccio fideistico: tramite le Smart Grid, buone per ogni contesto nazionale (dai più avanzati, come in alcuni Paesi d Europa, a quelli in via di sviluppo), e da applicare indistintamente (dalle reti di trasmissione alle reti di bassa tensione), sarà possibile risolvere ogni problema del settore elettrico, dalla poca efficienza dei mercati al miglioramento della qualità del servizio per l utenza finale, dando ovviamente il giusto ruolo alla ricerca. Il presente volume di EnergyLab nasce con l intento di fornire una visione più concreta e più tecnica dell evoluzione in corso e delle reali cause sottese, con l ovvio rischio (che corriamo deliberatamente) di una visione parziale del problema. Per farlo è necessario stringere l attenzione dal contesto internazionale a quello europeo, fino al caso italiano e regionale; ma serve anche inquadrare le diverse problematiche coinvolte in successivi orizzonti temporali, evitando di gettare lo sguardo troppo in là (è davvero urgente, per chi si occupa oggi di sistemi elettrici, immaginare con tanta passione quello che accadrà nel 2050?). Inizialmente lo studio concentra quindi l attenzione sul panorama europeo: in quest ambito è indubbio che le cause prime alla base della rivoluzione in corso sono da rinvenire nello sviluppo della Generazione Diffusa: serve subito connettere le unità GD, garantendo un reale apporto (oggi di fatto nullo o negativo) alla sicurezza del complessivo sistema elettrico e alla gestione e al con- 17

19 Smart Grid. Le reti elettriche di domani trollo delle reti di distribuzione. La Generazione Diffusa è infatti l unica via possibile per centrare i traguardi di aumento della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, e di riduzione delle emissioni di gas climalteranti, parte del cosiddetto pacchetto al Questa lettura è suffragata anche da un importante iniziativa promossa dalla Commissione Europea, il Bando NER300, che definisce (inter alia) i criteri e le misure per il finanziamento di tre progetti dimostrativi per la gestione delle energie rinnovabili decentralizzate (Smart Grid). Secondo tale bando, l aumento e lo sviluppo delle fonti rinnovabili connesse alla rete rappresentano il principale beneficio atteso dalle Smart Grid. In altre parole, le Smart Grid sono indispensabili per abilitare l immissione o meglio, la reale integrazione di Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) nella filiera elettrica. Anche a livello nazionale, recenti provvedimenti regolatori (sia dell Autorità che dei Ministeri competenti) hanno confermato questo legame: le Smart Grid in Italia si svilupperanno in stretto rapporto con la Generazione Diffusa. Ma i traguardi europei al 2020 impongono anche un coinvolgimento attivo degli utenti finali delle reti energetiche: più in prospettiva, serve quindi anche introdurre maggiori possibilità per i clienti finali (domani magari anche mobili, in quanto possessori di veicoli elettrici) di aderire a segnali di prezzo/mercato (demand response), ad esempio attraverso l implementazione di contatori intelligenti (smart meter, cui pure è dedicato ampio spazio in questa pubblicazione). La trattazione si stringe poi al contesto nazionale; ma non è certo una scelta riduttiva, in quanto il nostro Paese si trova in una posizione di assoluta avanguardia. Questo accade grazie agli investimenti fatti a suo tempo dalle utility si pensi al progetto Telegestore, unica applicazione al mondo su così vasta scala, pionieristicamente concepito da Enel; ma anche al complessivo sviluppo e concezione della rete di trasmissione, oggi unificata nella proprietà di Terna; ma anche (e, in prospettiva, soprattutto) grazie alle coraggiose politiche di regolazione messe in campo dai policy maker. Smart metering diffuso su scala reale e rete di trasmissione moderna (che si potrebbe definire già smart) sono, secondo chi scrive, le principali divaricazioni del caso italiano dal contesto europeo: basandosi su tali premesse, è possibile affermare che in Italia il principale driver nella direzione delle reti attive è costituito, oggi, dall apporto massiccio di Generazione Diffusa sulle reti di distribuzione. Ma quali sono i nodi critici per il nostro Paese, e con quali priorità e orizzonti temporali si è scelto, finora, di affrontarli? Ancora sulla base delle specificità citate prima, il volume ha tratto dal percorso tracciato dall Autorità di regolazione più di qualche indicazione utile. Come la Premessa di Luca Lo Schiavo ha ben spiegato, l attenzione è stata dapprima focalizzata sui problemi derivanti dalla massiccia presenza di Generazione Diffusa sulle reti di distribuzione, soprattutto in Media Tensione (MT). La Generazione Diffusa sulle reti di media (e bassa) tensione comporta notevoli criticità, principalmente legate all inversione di flusso e alle performance degli attuali sistemi di protezione che equipaggiano le utenze attive. La successiva Delibera ARG/elt 39/10 ha tracciato una possibile evoluzione delle reti di distribuzione, in particolare di quelle che presentano una notevole quantità di Generazione Diffusa (inversione di flusso nell 1% delle ore di funzionamento annue), verso una modalità attiva. Proseguendo questo percorso logico, una volta limitata l attenzione al nostro Paese (esempio non banale rispetto a qualsiasi altro contesto) e stretto l orizzonte temporale a pochi anni, è stato possibile delineare nel presente studio (frutto della collaborazione di esperti del settore) una qualche traiettoria di evoluzione per le Smart Grid. 18

20 Introduzione Ed ecco dichiarato, quindi, l obiettivo principale di questo volume: indagare e tratteggiare, in modo concreto e definito, la prospettiva di evoluzione tutta italiana delle Smart Grid: a livello di ricerca, individuando i problemi e le possibili soluzioni di natura tecnica e regolatoria; ma anche a livello più operativo, descrivendo i progetti pilota in corso e i relativi benefici attesi. In linea con quanto appena detto, la successione dei sei capitoli di cui il libro si compone (e la struttura con cui sono trattati) può essere vista secondo una duplice lettura: in relazione al contesto geografico (da internazionale/europeo a nazionale, fino al dettaglio di un esperimento in corso in Regione Lombardia, a Milano); in relazione alle prospettive temporali (dalle evoluzioni di lungo periodo alla traiettoria nazionale dei prossimi anni, fino ai dispiegamenti in campo appena partiti). In questa chiave di lettura il Capitolo 1, introduttivo all intero studio, illustra gli aspetti fondamentali delle Smart Grid; dopo aver elencato i motivi che ne incoraggiano l implementazione nei sistemi elettrici dei diversi Paesi, europei e non solo, è fornita una definizione capace di descriverne efficacemente peculiarità e obiettivi, anche su orizzonti temporali molto lunghi. Questi obiettivi sono poi tradotti nelle funzioni abilitate dalle Smart Grid: sono descritti i servizi, le soluzioni e le infrastrutture di supporto, ma anche i principali attori della rivoluzione in corso, dai fornitori dei servizi ai soggetti che, sperabilmente, ne sono beneficiari. Affinché le nuove tecnologie implementate (in particolare nel campo dell ICT) permettano di superare le attuali limitazioni e rendano possibile un reale e significativo sviluppo delle Smart Grid, mantenendo alto il livello di sicurezza e affidabilità dell intero sistema, è necessaria una parallela evoluzione del quadro regolatorio (con ricadute essenzialmente nazionali) e del quadro normativo (di natura tecnica, con ricadute sia nazionali sia internazionali). In relazione alla modifica del quadro regolatorio, il Capitolo 2 indaga il panorama nazionale e internazionale, per individuare le aree non coperte da alcuna disposizione/regolamentazione e quelle coperte da regole, norme e disposizioni che potrebbero risultare non più valide in un contesto di rete di distribuzione (specialmente MT) che evolve verso una Smart Grid. È necessario analizzare, infatti, tutte quelle condizioni di sistema che si devono realizzare affinché l investimento in tecnologie smart possa effettivamente dispiegare tutte le proprie potenzialità, valutando le condizioni per una gestione smart in primo luogo dell offerta e successivamente della domanda di energia elettrica a livello di mercato, di compravendita dell energia e di gestione del servizio di dispacciamento, con particolare riferimento al ruolo che le imprese di distribuzione dovranno assumere nel futuro, e con attenzione al contesto nazionale, fornendo una specifica trattazione del quadro regolatorio italiano relativo alla Generazione Diffusa e agli incentivi previsti a sostegno di progetti pilota sulle reti attive. Sempre in relazione al contesto nazionale, ma con riferimento alla modifica del quadro tecniconormativo, il Capitolo 3 descrive in modo approfondito l impatto della Generazione Diffusa sul complessivo sistema elettrico, e in particolare sulle reti di distribuzione italiane. Infatti, sebbene gli incentivi e le politiche di sostegno alle FER permetteranno, forse in modo non del tutto virtuoso, di raggiungere con alcuni anni di anticipo gli obiettivi , c è bisogno che le reti siano in grado di accogliere questa crescente quantità di energia. Attraverso analisi di hosting capacity, effettuate su un campione di reti MT molto esteso, è stato possibile determinare che i vincoli più stringenti alla potenza installabile dipendono da fenomeni (regolazione di tensione, problemi le- 19

21 Smart Grid. Le reti elettriche di domani gati alle protezioni di interfaccia, limiti termici sulle linee) tutti connessi all inversione del flusso di potenza, che rappresenta il primo indicatore di attività delle reti, per cui si rende necessario lo sviluppo, in tempi brevi, di tecnologie e soluzioni che permettano di implementare prototipi di Smart Grid basati sull uso di tecnologie di comunicazione. Tali tecnologie, spesso citate sotto l acronimo di ICT e ampiamente discusse nel Capitolo 4, ad oggi rappresentano l unico approccio in grado di risolvere i nuovi problemi delle reti di energia: solo un uso intelligente dei sistemi di comunicazione permette infatti di superare le attuali limitazioni e rende possibile un reale e significativo aumento del contributo di Generazione Diffusa mantenendo alto il livello di sicurezza e affidabilità dell intero sistema, nonché di qualità del servizio reso all utenza. Nel corso di questo capitolo sono quindi descritte tutte le tecnologie di comunicazione subito applicabili al fine di monitorare, controllare e coordinare le reti elettriche; sono inoltre illustrati alcuni scenari di interazione tra i due sistemi, con particolare attenzione allo smart metering, elemento chiave, su orizzonti temporali più lunghi, della nuova architettura in grado di coinvolgere attivamente l utente finale nella gestione delle Smart Grid. Per un reale progresso nella direzione delle reti del futuro tutte le soluzioni devono poi essere sperimentate su reti reali, con clienti finali e utenti attivi (carichi e generatori). Ad oggi si assiste a un crescente numero di progetti dedicati alle Smart Grid che trattano in maniera diversificata e capillare diverse problematiche. Si spazia da attività che promuovono, a tutti i livelli, lo sviluppo della rete verso standard più evoluti, attraverso la cooperazione e la condivisione delle risorse di ricerca, a progetti sperimentali di implementazione e integrazione nel sistema elettrico di particolari tipologie di impianti da FER, a programmi per la diffusione dello smart metering e l efficienza energetica. Le iniziative hanno estensioni tra loro molto differenti: alcune coinvolgono soggetti dell industria, operatori e istituti di ricerca a livello globale e nazionale (ampiamente trattate nel Capitolo 5); altre sono invece più circoscritte nella loro estensione ma numerose, anche se ci si riferisce al solo contesto nazionale. Per questo motivo si è scelto di dar conto di una specifica iniziativa, in corso nell ambito della Regione Lombardia, a Milano (Capitolo 6). In particolare, nel corso del Capitolo 5 verranno illustrate alcune delle principali iniziative riguardanti le Smart Grid, seguendo un ordine logico che va via via a focalizzarsi sul nostro contesto nazionale. Si partirà dalle iniziative a più ampio respiro internazionale, analizzando i principali progetti attivi al di fuori dell Europa, e successivamente, stringendo l attenzione verso il panorama continentale, si passeranno in rassegna le iniziative promosse o finanziate dalla Commissione Europea, quelle nel campo degli istituti di ricerca, o che vedono il diretto coinvolgimento dei DSO (Distribution System Operator) e dei TSO (Transmission System Operator) europei. Infine, si arriverà a descrivere il panorama italiano che è di sicuro ai vertici di questa rivoluzione. Seguendo questa direzione giungiamo all ultimo capitolo, che, attraverso una descrizione dettagliata di un progetto specifico, prova a declinare le idee e i principi in azioni e soluzioni reali e concrete. Focalizzando quindi l attenzione su un contesto geografico specifico l Italia, e in particolare la regione Lombardia e su un orizzonte temporale immediato gli anni da qui al 2015 il progetto Milano Wi-Power, sviluppato in collaborazione con A2A, implementa direttamente sul campo le soluzioni alle problematiche più urgenti introdotte dalla penetrazione della Generazione Diffusa nelle reti di distribuzione italiane. L evoluzione proposta consiste in un nuovo sistema di automazione di rete munito di un idoneo canale di comunicazione tra le protezioni di Cabina Primaria del 20

22 Introduzione DSO e le unità Generazione Diffusa che ad essa afferiscono, al fine di risolvere le problematiche legate all inversione di flusso, e in particolare agli attuali Sistemi di Protezione di Interfaccia delle utenze attive, e permettere un immediato aumento della Generazione Diffusa nell ottica delle Smart Grid. Ma anche qui, speriamo di aver colto alcuni particolari senza perdere di generalità: infatti, le soluzioni di principio mostrate con riferimento a un caso specifico (il progetto incentrato su Milano, appunto) sono in corso di traslazione in molte delle iniziative di Smart Grid che l Autorità ha recentissimamente (febbraio 2011) ammesso al trattamento incentivante della già citata Delibera 39/10. Chiudiamo questa introduzione alla lettura del volume con un caveat. Si è cercato di fornire, in modo semplice e diretto, qualche strumento utile per comprendere questa nuova frontiera: una frontiera oltre la quale, però, si possono già intravvedere infinite opportunità tutte ancora da esplorare. Di più: alla data di stampa del volume alcune importanti iniziative sono in corso, specie sul fronte regolatorio. Sono alle viste provvedimenti legislativi in grado di influenzare in maniera decisiva lo sviluppo delle reti attive in Italia: questi sviluppi recentissimi, ma anche altri (magari tecnologici) comunque in progress, suggeriscono di considerare il presente volume come uno stato dell arte su una materia che (fortunatamente) sta evolvendo con molta rapidità e fermento. Da ultimo, ma non meno importante, un ringraziamento per gli autori dei singoli capitoli del volume, che hanno saputo declinare le proprie conoscenze di esperti del settore in un modo efficace per gli scopi specifici di questo nostro studio; in particolare, si ringraziano gli ing. Davide Falabretti e Valeria Oliveri per l impegno costantemente profuso durante tutte le fasi della lavorazione, sia per la scrittura dei capitoli di rispettiva pertinenza, sia per la preziosa opera di armonizzazione del complessivo lavoro. 21

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24 Capitolo 1 Definizioni e obiettivi delle Smart Grid d i M assi mo G al l an ti e G i u sep p e M au ri

25 Smart Grid. Le reti elettriche di domani 1.1 Generalità La protezione dell ambiente, la necessità di mitigare i cambiamenti climatici riducendo le emissioni di gas climalteranti e la diminuzione delle riserve di combustibile fossile stanno portando a un crescente sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili, principalmente quelle di tipo eolico e solare. Queste forme di energia sono spesso di tipo intermittente, dipendendo dalle condizioni meteorologiche, dai cicli giorno/notte e delle stagioni, e richiedono perciò di essere opportunamente coniugate con l esigenza degli utilizzatori finali di disporre di un flusso di energia elettrica sempre adeguato alle proprie necessità. La via per arrivare alla gestione efficace dello scenario che si sta profilando si basa sulla disponibilità di reti e infrastrutture elettriche controllate in modo intelligente, in grado di gestire in maniera innovativa i flussi di potenza e di fornire ai clienti finali adeguati segnali di prezzo, che li stimolino a un impiego efficiente dell energia. In questo quadro si inserisce anche la diffusione della mobilità elettrica su strada (auto elettrica) che, accanto alla riduzione locale degli inquinanti (specialmente nelle grandi città) renderà fruibili, in prospettiva, risorse aggiuntive per l ottimizzazione del sistema elettrico nel suo complesso. La consapevolezza di un accresciuto ruolo delle reti elettriche ha portato al concetto di Smart Grid e alla spinta innovativa ad esso correlata. La Smart Grid (SG) è una concezione innovativa di infrastruttura di rete che, con i limiti imposti dalla complessità e dall estensione dell infrastruttura esistente, ha come obiettivo primario supportare la strategia per un sistema elettrico affidabile, sostenibile e competitivo [1], in un contesto energetico in forte evoluzione. Nel seguito si affronteranno gli aspetti fondamentali delle SG, iniziando con l individuare una definizione adatta a descriverne efficacemente peculiarità e obiettivi, passando successivamente ad affrontare i motivi che ne incoraggiano l implementazione nei sistemi elettrici dei diversi Paesi e valutando i principali interventi necessari alla loro introduzione. Verranno poi presentati le funzioni e i servizi di maggior interesse abilitati dalle SG, nonché le barriere da superare per permetterne l attuazione. Sarà infine introdotto il concetto di Generazione Diffusa (GD) ossia generazione di piccola taglia installata sulle reti di distribuzione in modo non prevedibile e non preordinato) 1, trattata più approfonditamente nel Capitolo 5, con particolare riferimento alle implicazioni che essa comporta nell evoluzione dei sistemi elettrici verso le SG. 1.2 Motivazioni alla base delle Smart Grid Esistono molte definizioni di SG, ciascuna delle quali evidenzia particolari aspetti (ad esempio il ruolo dell ICT, l evoluzione nei componenti delle reti, il ruolo del mercato, l esigenza di assicurare una adeguata fornitura di energia nel rispetto dell ambiente, l integrazione delle rinnovabili). Ai fini di questo rapporto si è deciso di adottare la definizione ERGEG (Associazione dei 27 Regolatori Europei), che estende la definizione formulata dalla European Technological Platform [2], al fine di enfatizzare il fatto che l investimento nelle SG debba essere finalizzato a: 1 Per una definizione più dettagliata di Generazione Diffusa (GD) si rimanda al paragrafo