Smart Grid. Marco Sgroi So.Tel srl Universita Roma Tre, 18 Maggio 2011

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1 Smart Grid Marco Sgroi So.Tel srl Universita Roma Tre, 18 Maggio 2011

2 Cos e la Smart Grid? Source: Rete elettrica capace di distribuire energia in modo piu efficiente, economico e sicuro rispetto alla rete tradizionale grazie all utilizzo di tecniche di monitoraggio e controllo che permettono di Ottimizzare i consumi Aumentare l affidabilita e la sicurezza della rete Supportare l integrazione di generatori di energia eterogenei Fornire agli utenti strumenti per scegliere il livello di servizio tenendo conto dei costi

3 Obiettivi Unione Europea 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%

4 Proiezioni EIA Consumi Energetici energy consumption quadrillion Btu Non-OECD OECD w/o U.S. U.S % % % 20% 16% Source: EIA, International Energy Outlook %

5 Domanda di Energia Industrial 30% Electricity Industrial 10% Industrial (non-electric) 20% Transportation 29% Electricity Commercial 15% Electricity Residential 15% Residential & Commercial (non-electric) 11% Residential & Commercial 42% Source: EIA Annual Energy Review 2009 Source: Eurostat

6 Auto Elettriche Carica delle batterie delle auto elettriche Vehicle-to-grid: auto elettriche forniscono energia alla rete (ad esempio carica di notte e utilizzo energia di giorno) Obiettivo Amministrazione Obama: 1 milione di auto elettriche entro il 2015

7 Consumi elettricita in California Source: US Energy Information Administration

8 Rete Elettrica tradizionale Paradigma one-to-many: 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 Interazione con utenti molto limitata

9 Requisiti Smart Grid Ottimizzazione dinamica di consumi e risorse Tecniche di efficienza energetica Controllo della domanda e bilanciamento con l offerta Partecipazione attiva degli utenti Paradigma many to many: integrazione fonti rinnovabili e microgenerazione distribuita Infrastruttura in grado di gestire flussi energetici bidirezionali e locali Sistemi di controllo per gestire rete con sorgenti distribuite Comunicazione dati su reti bidirezionali Lettura remota dei contatori Trasmissione agli utenti di informazioni sulle variazioni delle tariffe in tempo reale

10 Requisiti Smart Grid Affidabilita Monitoraggio del funzionamento dei componenti della rete (meters, cabine di trasformazione, linee, carichi...) e gestione tempestiva di allarmi Sicurezza Utilizzo di reti di comunicazione basate su IP Aumento di punti di accesso e vulnerabilita Privacy Dati sui consumi degli utenti

11 Paradigm Shift Flusso di Energia e di Informazione bidirezionale Reti Wireless di Sensori e Attuatori

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

13 Evoluzione Smart Grid Rete dati unidirezionale Tariffe flat Rete dati bidirezionale Tariffe variabili nel tempo Home Energy Automation Home Energy Management Lettura Contatori AMR - Advanced Meter Reading AMI - Advanced Metering Infrastructure Timeline

14 Architettura Rete di Comunicazione WAN NAN HAN Basata su standards Indipendente dal protocollo di trasporto Multiple applicazioni Elevata sicurezza e affidabilita

15 Architettura Rete di Comunicazione WAN NAN HAN Home Area Network (HAN): reti 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

16 Piattaforma IT WAN NAN HAN Gestione dei dati sui consumi degli utenti Piattaforma monitoraggio e gestione della rete Visualizzazione dati

17 Efficienza Energetica domestica Average USA Energy Home Cost = $2,718/anno (Source: Microsoft Hohm) Monitoraggio e controllo di impianti e elettrodomestici Negli USA il 67% dei costi di energia dell abitazione media e dovuto a impianti di illuminazione e climatizzazione (Source: Brent Hodges - ZigBee) Gestione Consumi Manuale: utente informato sul livello di consumi e sul costo dell energia regola funzionamento degli impianti direttamente tramite attuatori Automatica: basata su algoritmi di controllo che regolano funzionamento degli impianti in base ai dati raccolti e alle preferenze dell utente Sistemi basati su Reti di Sensori e Attuatori Accesso remoto: utente puo leggere dati o gestire impianti anche lontano da casa

18 Dispositivi rete domestica Contatore: misura i consumi dell utente Display: visualizza I consumi dell utente Termostato: regola la temperatura dell ambiente Impianto climatizzazione: termosifoni, condizionatori Impianto illuminazione: lampade, interruttori Elettrodomestici: lavatrice, frigorifero Prese: on-off, misura dei consumi per singolo carico Porte, finestre: regolano l interazione con l ambiente esterno Gateway

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

20 HAN Wireless Standards Banda 2.4 Ghz ZigBee Profili Energia WiFi/ Integrazione con reti WiFi domestiche Stack basato su IP 6LowPAN: adaptation layer tra IPv6 e IEEE Specifica dei layer superiori ancora in via di definizione Banda 868 Mhz Wireless M-Bus Utilizzo applicazioni Smart Metering e Contabilizzazione del calore Z-Wave Home Automation

21 ZigBee Energy Profiles Smart Energy Profile (SE) Energy Service Portal: connette HAN con rete della utility In-Premise Display: visualizza consumo energetico Load Control Device, Smart Meter, Elettrodomestici, Prepayment Terminal, Termostato Programmabile Electric Vehicle Home Automation Profile (HA) On-Off Switch, Serratura di porte e finestre, Sensore Temperatura, Termostato, Condizionatore, Smart Plug HA e SE hanno livelli di sicurezza diversi

22 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

23 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 Siemens Siemeca Termoregolazione Valvola termostatica regola la portata dell acqua in un radiatore Honeywell Evohome Protocollo Wireless M-Bus

24 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%

25 Google Power Meter Power Meter: tool di monitoraggio energetico che permette di visualizzare I dati forniti da smart meter e dispositivi di monitoraggio Source: Google

26 Microsoft Hohm Source: Microsoft Hohm score: numero da o a 100 che indica l efficienza energetica di una casa in base ai consumi e alla struttura

27 Smart Meter Lettura remota Applicazione di tariffe differenziate per fasce orarie Informazione sui consumi agli utenti Smart Meter di prima generazione dotati solo di interfaccia per comunicazione unidirezionale verso gestore Nuovi Smart Meter dotati di interfaccia bidirezionale per permettere anche la trasmissione di dati dal gestore all utente In Italia smart meter dotati di interfaccia Powerline di Echelon introdotti da Enel a partire dal 2001

28 Durata dei livelli di carico Source: CAISO

29 Demand Response Permette la riduzione di domanda di energia a seguito della risposta dell utente alle variazioni dei prezzi nel tempo Favorisce riduzione del carico quando si verificano eventi che modificano la supply-demand balance portano all incremento dei costi di fornitura Picchi di consumo durante i piu caldi giorni estivi dovuti all accensione di condizionatori Opportunita di ridurre picchi di consumo in ambiente domestico ad esempio tramite il funzionamento fuori dagli orari di picco di elettrodomestici, boiler, climatizzatori Demand Response Automatico Riduzione dei carichi senza intervento diretto degli utenti

30 Tariffe Fasce orarie Orari di picco Tempo reale Maggiore flessibilita Flat Minore 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)

31 Ruolo 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 schedule di funzionamento di apparati

32 Domande aperte Chi saranno I fornitori di servizi di gestione consumi: utilities, operatori telecom o altri attori? Quali protocolli saranno piu utilizzati per HAN e NAN? Quale sara il livello di partecipazione da parte degli utenti?

33 Marco Sgroi So.tel srl Contatti