Le reti energetiche Energia elettrica: smart grids Roberto Napoli Dipartimento di Ingegneria Elettrica Politecnico di Torino 1
La rete elettrica èla più grande infrastruttura creata dall uomo, per: complessità ed estensione valore economico importanza del funzionamento: Rete 380 kv Italia: Terne 380 kv km 10.600 Terne 220 kv km 11.700 Linee MT km 370.000 Linee BT km 801.000 Europa (ENTSO, ex UCTE) Terne AT km 200.000 Roberto Napoli 2
Generazione Trasmission e Distribuzione kwh Roberto Napoli Utenti passivi Prima della liberalizzazione: Integrazione verticale con gestore unico (generaz., trasmiss., distr.) 3
PRIMA DELLA LIBERALIZZAZIONE: L infrastruttura elettrica tradizionale era (ed ancora è): sostanzialmente gerarchica e unidirezionale (energia dalle centrali ai carichi, soldi dai carichi alle centrali) scarsamente controllata (minime comunicazioni fra utenti e generatori) sovradimensionata (deve soddisfare le punte, ancorchè rare) poco economica (perdite elevate, logiche monopolistiche senza concorrenza) Roberto Napoli 4
kwh, Generazione Dopo la liberalizzazione: Mercato competitivo dell energia elettrica Trasmission e Distribuzione Utenti *attivi kwh, Roberto Napoli * * 5
DOPO LA LIBERALIZZAZIONE: L infrastruttura elettrica si è avviata ad essere: - meno gerarchica e più bidirezionale (liberalizzazione della generazione, flussi economici più complessi) - più complicata da controllare (aumento degli operatori, azioni poco concordate, maggiore incertezza nelle informazioni) - sottodimensionata (carichi aumentati, espansione bloccata) - più vulnerabile (maggiore complessità e nuove cause di insicurezza, inclusi attacchi intenzionali alle comunicazioni e alle strutture) Roberto Napoli 6
I NUOVI OBIETTIVI 20 / 20 / 20 PER IL 2020: 1 - ridurre le emissioni di gas inquinanti del 20 % rispetto al 1990 2 - aumentare da 8.5% a 20 % la produzione da fonti rinnovabili 3 - ridurre del 20 % i consumi aumentando l efficienza energetica Sono sfide molto impegnative (e costose), che comportano: - revisione del parco di generazione ( decarbonizzazione) - integrazione di un gran numero di fonti rinnovabili irregolari - coinvolgimento degli utenti nel risparmio e nella gestione Roberto Napoli 7
THE EUROPEAN DEFINITION: Smart Grid is an electricity network that can cost-efficiently integrate the behaviour and actions of all users connected (generators, consumers and those that do both) to ensure that power systems are: economic efficient sustainable safe with low losses with high levels of quality with strong security of supply Roberto Napoli 8
DA DOVE PARTIAMO - reti con molti componenti invecchiati - margini sempre più ridotti (sfruttamento intensivo) - utilizzo diverso dal progetto - controllabilità parziale - ostilità sociale all espansione SPERANZE E FRUSTRAZIONI Evoluzione tecnologica più lenta del previsto per quanto riguarda:. generazione. immagazzinamento - controllo con dispositivi solidi (es. FACTS) Roberto Napoli 9
DOVE VOGLIAMO ARRIVARE: - decarbonizzazione della generazione centralizzata - massiccia introduzione delle generazione distribuita BT e MT - utenti con capacità di controllo, informati e attenti al risparmio - integrazione dei mercati continentali - logiche di mercato competitivo - adeguata sicurezza funzionale - riduzione delle perdite, sfruttando la generazione distribuita Roberto Napoli 10
I PRINCIPI INFORMATORI DI UN CORRETTO SVILUPPO - utilizzare mix realistici dei tipi di generazione (carbone pulito, combustibili fossili, nucleare, fonti rinnovabili) - garantire la neutralità dell infrastruttura elettrica, con possibilità equilibrate di accesso (e di vantaggi) per grandi e piccoli operatori - adottare senza ipocrisie norme che consentano una vera integrazione di mercato a livello continentale (europeo) - responsabilizzare i singoli utenti e le comunità nel contribuire a una corretta gestione economica e a garantire livelli minimi di sicurezza funzionale in emergenza Roberto Napoli 11
COME ARRIVARCI? Dovremo cambiare reti di trasmissione e, soprattutto, reti di distribuzione, per interfacciarci con la generazione distribuita (BT ed MT). A livello di rame e di ferro, le smart grid non si differenzieranno molto dalle reti tradizionali. Cambiano i flussi energetici e le modalità di controllo Roberto Napoli 12
COME ARRIVARCI? Alla rete elettrica d energia dovremo affiancare una nuova e capillare rete di segnali e di dispositivi digitali di controllo. I controlli digitali aprono un nuovo mondo di funzionalità e di opportunità Le informazioni dovranno viaggiare in modo bidirezionale fra tutti gli operatori. Gli utenti dovranno potere monitorare i loro consumi, controllare i propri carichi e profittare delle opportunità di mercato. Tutti dovranno cooperare per assicurare: - in condizioni normali un funzionamento economico - in emergenza, un funzionamento ridotto, evitando effetti domino Roberto Napoli 13
LE DIFFERENZE FRA GRID E SMARTGRID: Rispetto alle grid normali, le smart grid devono : - interfacciarsi con generatori di vario tipo, molti dei quali saranno di piccola taglia e collegati alle reti di distribuzione - avere una rete di distribuzione elettrica che è in grado di maneggiare flussi di energia rapidamente variabili in quantità e direzione - interagire con utenti che richiedono e utilizzano informazioni per variare i loro consumi - fare fronte a una maggiore complessità dei sistemi - sfruttare meglio i vari componenti, attraverso una più intelligente gestione - gestire meglio le emergenze, evitando effetti domino - rendere più competitivo il mercato dell energia, creando nuove opportunità Roberto Napoli 14
LE DIFFERENZE FRA GRID E SMARTGRID: Per ottenere tutto ciò, a livello di rete d energia, la distribuzione elettrica dovrà subire radicali cambiamenti. Anche gli utilizzatori avranno capacità di controllo molto più sofisticate. Conseguentemente assume grandissima importanza la rete per le comunicazioni che dovrà essere decentralizzata ed opportunamente protetta. Il tratto distintivo più evidente per le smart grid è la rete di segnali e di controlli digitali, estesa anche al settore della distribuzione e della utilizzazione. L intelligenza (smartness) riguarda proprio la nuova straordinaria capacità di controllare le risorse disponibili. Le smart grid in realtà comprenderanno anche aggregazioni di microgrid (anch esse smart) che ne replicheranno su scala minore le caratteristiche. Roberto Napoli 15
IN QUANTO TEMPO? Rete d energia Il passaggio dalle grid alle smart grid non è una opzione, ma una necessità. Avverrà gradatamente. Intanto la rete dovrà per forza essere soggetta a irrobustimenti anche rapidi.fortunatamente continuerà ad essere valido il principio f&f (fit & forget) Per i componenti d energia non sono infatti previste grosse evoluzioni tecnologiche a breve termine, sia sul fronte della generazione che sul fronte dello immagazzinamento. Le previsioni più plausibili prevedono un orizzonte temporale a medio termine (una quindicina d anni). Gli investimenti necessari sono enormi. La rete, resa accessibile alla generazione distribuita, dovrà essere controllata in modo molto più capillare e complesso. Roberto Napoli 16
IN QUANTO TEMPO? Rete di segnali e di controlli Gli investimenti sono inferiori, ma soggetti a periodica obsolescenza. Occorre un grande lavoro di normalizzazione, verifica, messa a punto. La digitalizzazione dovrà superare la barriera dei contatori per arrivare ai singoli carichi. Gli strumenti della domotica e del computer building avranno una più ampia applicazione, maggiormente giustificati dalla possibilità di sfruttare i vantaggi del mercato competitivo. I sistemi di monitoraggio e di controllo apriranno la strada a nuove logiche di mercato, a nuove possibilità di risparmio.. sperando di preservare i precedenti livelli di affidabilità e sicurezza. Ed è proprio su questo punto che dovrà trovare concretezza la auspicata intelligenza Roberto Napoli 17
IN CONCLUSIONE L infrastruttura elettrica del futuro sarà molto diversa da quella che conosciamo, soprattutto per il contributo dei controlli digitali. Non bisogna farsi illusioni. La tecnologia di potenza non ha ancora trovato ricette miracolose. Ci sono tecnologie promettenti, ma ancora immature per pensare sensatamente ad applicazioni su larga scala. I cambiamenti più corposi non sono previsti a breve termine. Secondo le stime più prudenti, meno inclini agli entusiasmi, gli scenari più probabili e quantitativamente significativi si potranno materializzare non prima del 2020. Occorre un forte sforzo di ricerca, soprattutto tecnologica, in modo da passare ad applicazioni in larga scala con tecnologie mature. Le maggiori attese riguardano le possibilità di immagazzinamento. Roberto Napoli 18
IN CONCLUSIONE Il cammino verso la nuova (e necessaria) infrastruttura elettrica richiederà investimenti enormi, normalizzazioni continentali, nuove architetture di controllo, nuove logiche di controllo, apertura verso vere regole di mercato trasparente e competitivo. La sfida verso un mondo elettrico sostenibile, affidabile, rispettoso dell ambiente, economico non prevede facili scorciatoie. Ma l uomo è riuscito a vincere sfide che sembravano impossibili.. Roberto Napoli 19