Smartenergy
Cos'è l'energia intelligente e come può aumentare efficienza e sostenibilità? Leggi di più su significato, scenari e tecnologie
Indice dei contenuti
Smart energy: significato, scenari e declinazioni possibili
Un sistema energetico si dice “smart” quando è efficiente in termini di costi, è sostenibile ed è sicuro. Si tratta propriamente di un sistema nel quale la produzione, le infrastrutture e il consumo di energia rinnovabile sono integrati e coordinati secondo un vero e proprio approccio olistico.
Nel contesto della smart energy rientrano inoltre a pieno titolo anche i trasporti legati al concetto di e-mobility. I veicoli, da semplici vettori, diventano punti di storage energetico in grado di accumulare e scambiare energia con la rete (vehicle-to-grid).
Per il gestore, smart energy significa conoscere in tempo reale i consumi e lo stato della rete. Così, è in grado di pianificare interventi manutentivi e azioni mirate alla risoluzione di guasti o perdite.
Per l’utente, smart energy significa invece poter risparmiare sui costi dell’energia, grazie a un più consapevole utilizzo della stessa. Smart Energy ed efficienza energetica sono strettamente collegati.
I pilastri dell’efficienza energetica nei contesti “smart energy”
I pilastri dell’efficienza energetica, in un contesto “smart energy”, sono la misurazione, il monitoraggio, la valutazione e il controllo dell’energia nella produzione, mantenendo gli stessi requisiti in termini di qualità, costo e consegna. Dal punto di vista tecnologico, quello di smart energy è un concetto che ben si sposa con l’Internet of Things, attraverso diverse soluzioni. Qui elenchiamo le principali.
- Smart metering (contatori connessi, in grado di registrare meglio i consumi).
- Smart grid (reti intelligenti che ottimizzano la distribuzione).
- Smart building (gestione automatica degli impianti o dei sistemi di un edificio).
- Smart city (monitoraggio di interi sistemi cittadini).
La digitalizzazione e le smart grid
Nei contesti di “smart energy”, la digitalizzazione permette di ridurre la distinzione fra produzione e consumo energetico. Abilita inoltre la possibilità di rispondere alla domanda appunto in modo smart, integrando varie fonti energetiche. In uno scenario globale che richiede scelte sempre più mirate a efficienza e sostenibilità, è necessario infatti che la rete elettrica non sia più gestita solo come un canale per distribuire elettricità dalle grandi centrali ai clienti finali. Al contrario, la rete deve evolvere come vera e propria smart grid. La smart grid è una rete intelligente in grado di accogliere flussi di energia bidirezionali, di fare interagire produttori e consumatori, di determinare in anticipo le richieste di consumo per adattare con flessibilità la produzione e il consumo di energia elettrica. Questo processo evolutivo presenta forti analogie con quanto già accaduto nel settore delle telecomunicazioni. Ci riferiamo in particolare all’avvento di Internet, la rete attraverso la quale gli utenti si sono trasformati da semplici utilizzatori in produttori di informazioni. La smart grid è dunque una rete che interconnette impianti di produzione di energia, sistemi di accumulo e utenti finali in un’unica infrastruttura integrata e digitalizzata, ad alta resilienza. Un esempio sul territorio nazionale di un sistema di questo tipo, in grado di coordinare in modo intelligente le diverse fonti energetiche, è la Smart Energy Microgrid. Il progetto è stato annunciato lo scorso ottobre e sarà Enea a realizzarlo presso il Centro Ricerche di Portici (Napoli).
Quali tecnologie abilitano la smart energy
Nelle reti intelligenti si impiegano tecnologie digitali per gestire e monitorare il trasporto dell’energia elettrica da tutte le fonti di generazione. L’obiettivo è soddisfare la domanda con il più alto grado di affidabilità e resilienza e minimizzare tempi e costi di attesa in caso di disservizio. In particolare, fin dall’inizio i sistemi IoT (Internet of Things) sono stati considerati come particolarmente appropriati per il monitoraggio energetico.
In generale, i sistemi IoT fanno parte delle 9 tecnologie abilitanti l’Industria 4.0 e si basano su periferiche direttamente dotate di sensori o in grado di collegarsi a una rete di essi. Questi sensori sono in grado di rilevare continuamente una particolare condizione ambientale. I dati raccolti possono poi subire un’elaborazione preliminare a livello locale (Edge Computing) e successivamente essere trasmessi al Cloud per elaborazioni più complesse, ad esempio in ambito Advanced Analytics o utilizzando algoritmi di machine learning per effettuare analisi predittive in termini di consumo nei singoli casi o in determinate aree geografiche. Attraverso i sistemi IoT, è possibile monitorare in tempo reale l’intera catena di approvvigionamento dell’energia elettrica, il funzionamento dei sistemi di distribuzione e il rendimento degli stessi impianti.
L’IoT è quindi una risorsa fondamentale per il miglioramento dell’efficienza energetica. Il sistema complessivo di monitoraggio energetico è basato essenzialmente su tre sottosistemi:
- sensori intelligenti e smart meter, dove i primi trasmettono costantemente dati relativi al funzionamento degli impianti, mentre i secondi raccolgono, come detto in precedenza, i dati relativi ai consumi degli utenti;
- sistemi di distribuzione, che utilizzano l’analisi dei dati rilevati per variare automaticamente i carichi, in modo da garantire una maggior sicurezza operativa e una riduzione dei consumi energetici;
- sistemi di accumulo (energy storage), che permettono di aumentare la resilienza attivando automaticamente erogazioni off-grid nel caso in cui sia rilevata una minaccia nella smart grid di riferimento.
Dal punto di vista della connettività, una spinta importante all’integrazione Cloud to Edge prima menzionata verrà dalla diffusione delle reti 5G e dal conseguente aumento di banda disponibile e velocità per una serie di ulteriori applicazioni. Anche sistemi e reti di Distributed Ledger (meccanismi di consenso automatico tra diversi nodi di utenti) e Blockchain potranno avere un ruolo innovativo e importante nei futuri scenari di smart energy e nella gestione, nella vendita e nell’utilizzo di energia.
Attraverso l’integrazione di IoT e Blockchain nell’ecosistema energetico è infatti possibile costruire una piattaforma di scambio energetico, senza intermediazione, tra consumatore e produttore attraverso la stipula di smart contract, cioè contratti digitali con clausole fissate in un codice alfanumerico che determina le condizioni necessarie perché un’operazione economica vada a buon fine.
Su un registro distribuito, accessibile a tutti gli utenti, vengono dunque registrati i dati di consumo, produzione, stoccaggio e condivisione dell’energia elettrica. In tal modo, ad esempio, vengono registrati tutti gli scambi di energia elettrica all’interno dei gruppi di autoconsumo collettivo. A livello generale, l’ecosistema dell’elettricità è sempre stato complesso e interconnesso, e l’introduzione delle tecnologie digitali ha amplificato questa interconnessione: assieme all’aumento dell’efficienza è tuttavia stata introdotta una nuova dimensione di rischio, quello di tipo cyber. I sistemi elettrici, da solamente fisici che erano, sono infatti diventati cyberfisici nel momento in cui sono state introdotte nuove tecnologie, come Cloud, IoT o protocolli di comunicazione wireless, ed è venuta meno la separazione fra mondo IT (Information Technology) e mondo OT (Operation Technology). Se per l’IT la priorità è la riservatezza, per l’OT è invece la disponibilità: si tratta dunque di armonizzare queste due dimensioni garantendo che i sistemi non vengano violati e non subiscano interruzioni di alimentazione. Oltre all’approccio di security-by-design, la strada per conseguire questo obiettivo è anche quella, da una parte, di considerare la protezione e livello sistemico, sull’intera supply chain, per evitare l’effetto domino in caso di fault, e dall’altra di condividere in modo trasparente le informazioni all’interno dell’ecosistema dell’industria elettrica, per poter fronteggiare i problemi con una consapevolezza collettiva.
La smart energy in fabbrica
Nei contesti manifatturieri e di processo, quindi nelle macchine e nelle linee in fabbrica, la smart energy si riferisce in particolare all’adozione di tecnologie avanzate per gestire e ottimizzare l’uso dell’energia nei processi di produzione.
Questa adozione può avvenire a diversi livelli. C’è il monitoraggio energetico, per il quale possono essere integrati sensori e dispositivi di controllo continuo per raccogliere dati sul consumo dell’energia in tempo reale, identificando potenziali inefficienze.
A livello di gestione dell’energia, possono invece entrare in gioco algoritmi di intelligenza artificiale per analizzare i dati energetici. Questi algoritmi possono adattarsi alle variazioni della produzione e delle condizioni ambientali per massimizzare l’efficienza energetica.
La smart energy nei contesti di produzione si declina anche all’integrazione di energie rinnovabili e all’impiego di sistemi evoluti di storage energetico. Nel primo caso, impianti fotovoltaici, turbine eoliche o altre fonti di energia rinnovabile possono essere integrati in azienda per alimentare parzialmente o totalmente i processi produttivi. L’energia rinnovabile riduce la dipendenza dalle fonti energetiche tradizionali e contribuisce alla sostenibilità ambientale dell’impresa.
Nel secondo caso, batterie o altri sistemi di storage energetico possono contribuire a immagazzinare l’energia in eccesso prodotta da fonti rinnovabili o nei periodi di basso consumo. L’energia resta disponibile per essere poi utilizzata quando necessario,
contribuendo a mitigare i picchi di domanda.
Dai quadri elettrici intelligenti all’analisi predittiva
Una gestione “smart” dell’energia può anche essere favorita a partire dall’installazione dei quadri elettrici. Questi rappresentano un pilastro fondamentale nel percorso di ottimizzazione dei consumi di energia negli impianti industriali. Esistono alcuni approcci e diverse tecnologie oggi utili ad attivare una gestione smart dell’energia a partire dai quadri elettrici installati.
Un primo step è quello di installare quadri elettrici intelligenti, il che significa quadri elettrici dotati di sensori e altri device di misurazione e trasmissione dati. In questo modo si può monitorare e controllare il flusso di energia nell’impianto. I quadri elettrici possono essere collegati a sistemi di gestione energetica centralizzati per fornire informazioni in tempo reale sul consumo energetico.
Si possono poi integrare nei quadri elettrici dei dispositivi di misurazione avanzati, come contatori intelligenti e sensori di corrente, per raccogliere dati sul consumo energetico e identificare potenziali inefficienze o problemi di sovraccarico. A questi device, si possono abbinare sistemi programmabili di controllo automatizzato per regolare l’alimentazione elettrica in base alle esigenze di produzione e alle condizioni esterne.
Un ulteriore passaggio riguarda la selezione di tecnologie di connettività e di comunicazione che abilitino il monitoraggio remoto e la gestione a distanza dei quadri elettrici. In questo modo gli operatori controllano e ottimizzano l’uso di energia anche da remoto, migliorando l’efficienza operativa complessiva.
Un approccio alla smart energy in fabbrica a partire dai quadri elettrici prevede anche l’integrazione di questi quadri elettrici con sistemi di gestione energetica centralizzati come gli SCADA. Questo favorisce una visione completa e integrata del consumo
energetico dell’intero impianto e supporta i manager nel prendere decisioni informate per ottimizzare l’efficienza energetica.
Infine, è bene orientarsi verso algoritmi di analisi predittiva per identificare pattern di consumo energetico ottimali, prevedere picchi di domanda e ottimizzare l’alimentazione elettrica.
Smart energy per il futuro di una “All Electric Society”
I primi concetti del paradigma della “All Electric Society” sono stati formulati già negli anni Settanta. Tuttavia, solo a partire dal 2010 tale paradigma è stato ampiamente discusso come chiave per la transizione energetica.
Esso in pratica descrive una visione del mondo in cui la forma primaria di energia è quella elettrica proveniente da fonti rinnovabili. Da tale energia verrebbero generate tutte le altre forme, come gas o combustibili liquidi, attraverso processi di conversione basati sulle cosiddette tecnologie Power-to-X. Questi e-fuel ricopriranno un ruolo chiave, perché sono in grado di risolvere il problema dello stoccaggio e della distribuzione capillare dell’energia. Permettono anche di utilizzare parzialmente infrastrutture esistenti.
Attualmente, questo tipo di conversione ha ancora un’efficienza molto bassa, che la rende non pienamente conveniente dal punto di vista economico. La strada è comunque tracciata. Nel periodo di transizione, in particolare, si prevede di far ricorso al cosiddetto accoppiamento di settore. In pratica, si tratta del collegamento in rete di infrastrutture energetiche, industrie e trasporti, per ottenere un sistema complessivo più stabile ed efficiente.
Smart energy e infrastrutture critiche
L’efficienza energetica e il concetto di smart energy riguardano in generale tre contesti: edifici, macchinari e processi. Le infrastrutture critiche sono tutte quelle nelle quali la disponibilità e l’affidabilità dell’elettricità hanno un ruolo fondamentale. Un’interruzione o un degrado in termini di prestazione porterebbero a gravi conseguenze che si potrebbero ripercuotere su sicurezza e costi. I principali rischi e le minacce a cui possono essere soggette le infrastrutture critiche sono:
- Sicurezza fisica e resilienza;
- Disastri naturali e resilienza climatica;
- Infrastrutture obsolete o realizzate con investimenti insufficienti;
- Minacce alla sicurezza informatica;
- Scarsità di competenze;
- Nuovi rischi sconosciuti che emergono dalla combinazione di attacchi informatici e fisici e valutazione del rischio.
Lo scorso ottobre, la Commissione europea ha presentato la strategia per la protezione delle infrastrutture critiche all’interno del perimetro comunitario. Tre ambiti sono prioritari: prevenzione, risposta e cooperazione, con un’attenzione particolare proprio al settore dell’energia, oltre ad altri dieci ritenuti cruciali, fra cui infrastrutture digitali, trasporti e spazio. Gli Stati membri vengono in primis incoraggiati a eseguire stress test, sulla base di principi che saranno definiti a livello comune.
Ogni Paese dovrà inoltre designare un ufficio di coordinamento con gli altri Stati, mentre le entità coinvolte dovranno informare le autorità nazionali di eventuali incidenti o perturbazioni. A loro volta, le autorità dovranno poi mettere a disposizione del pubblico le informazioni d’interesse generale. Venendo specificatamente all’ambito energetico, sono diverse le possibili infrastrutture critiche. Ne riportiamo qui alcuni esempi:
- Grandi impianti classici di generazione termici e idroelettrici;
- Sistemi di generazione idroelettrica distribuita;
- Generazione rinnovabile distribuita (eolica, fotovoltaica ecc.);
- Sistemi di trasmissione e distribuzione dell’energia, composti da centinaia di cabine primarie e decine di migliaia di cabine secondarie.
L’utilizzo crescente di fonti rinnovabili e la poligenerazione portano la rete elettrica a diventare sempre più decentralizzata. Troviamo infatti sempre più prosumer, cioè soggetti che, oltre a consumare energia, la producono su piccola scala, immettendola in rete, e tutto questo accresce la complessità infrastrutturale. Proprio per sviluppare strumenti per la protezione da eventi naturali, per la gestione delle emergenze e l’analisi del rischio di sistemi così complessi, il laboratorio Enea di Analisi e Protezione delle Infrastrutture Critiche (elettricità, acqua e gas, mobilità stradale e ferroviaria, telecomunicazioni) sviluppa correntemente modelli e sistemi di analisi e monitoraggio.
