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Smart Grid

Introduzione

Con il termine Smart Grid si intende una rete energeticamente intelligente, quindi in grado di gestire la domanda e l’offerta di energia in modo autonomo, gestendo i picchi di richiesta nell’arco della giornata, minimizzando il più possibile la presenza di un controllo manuale e prediligendo un controllo automatico. Previa interconnessione della rete agli organi di controllo.

Alla base della Smart Grid vi è la generazione distribuita (GD) anche di piccola taglia, ubicata nei nodi periferici delle reti di distribuzione, che si contrappone ad una generazione massiva localizzata, da parte dei grandi impianti tradizionali.

Più nello specifico nell’ingegneria elettrica e delle telecomunicazioni, una smart grid è l’insieme di una rete di informazione e di una rete di distribuzione elettrica in modo tale da consentire di gestire la rete elettrica in maniera intelligente sotto vari aspetti e funzionalità, ovvero in maniera efficiente per la distribuzione di energia elettrica e per un uso più razionale di quest’ultima minimizzando, al contempo, eventuali sovraccarichi e variazioni della tensione elettrica intorno al suo valore nominale.

Schema semplificato di una smart grid

Smart grid e rete tradizionale

Le smart grid rappresentano quindi l’evoluzione della rete elettrica attuale con l’integrazione intelligente della gestione del flusso di energia elettrica dei produttori e degli utilizzatori.

Le caratteristiche tecnologiche innovative delle smart grid riguardano la gestione della generazione distribuita, permettendo anche l’ottimizzazione delle fonti rinnovabili, e si distinguono rispetto a una rete elettrica tradizionale principalmente per i due aspetti peculiari:

  • funzionamento bidirezionale
  • abbinamento a dispositivi “intelligenti” (ICT).

Si rintraccia un’evoluzione della rete elettrica anche per la presenza di nuovi elementi, dalla parte della produzione e dalla parte dell’utilizzo di energia elettrica. Infatti si hanno:

  • Fonti rinnovabili non programmabili come vettori energetici immessi in rete o direttamente consumati dal prosumer  (fotovoltaico, eolico)
  • Generazione distribuita
  • Nuove tipologie di utenti: prosumer, veicoli elettrici

La rete elettrica tradizionale è di tipo unidirezionale, sia per quanto riguarda il flusso di energia, sia per le informazioni.

L’energia elettrica viene solitamente generata da poche grandi centrali elettriche, dotate di generatori elettromeccanici alimentati da energia meccanica proveniente principalmente da grossi masse d’acqua (idroelettrica) o dalla combustione di fonti fossili (termoelettrica).

Queste centrali di produzione elettrica sono poste in genere lontano dai centri abitati o dagli utilizzatori finali con il risultato che occorre predisporre il trasporto dell’energia elettrica tramite:

  • Rete di trasmissione in Alta ed Altissima tensione (AT e AAT), costituita generalmente da linee elettriche aeree, che collegano zone molto distanti tra di loro, con tensioni elevate per ridurre le perdite;
  • Rete di distribuzione in Media tensione (MT) e in Bassa Tensione (BT), per consegnare l’energia elettrica direttamente agli utenti finali, composta da linee aeree o interrate.

Per motivi tecnici ed economici inoltre, la rete di distribuzione è quasi completamente sprovvista di tecnologie di telecomunicazione.

Le reti intelligenti invece prevedono un flusso bidirezionale dell’energia elettrica e uno scambio bidirezionale di informazioni e dati.

Questo significa che l’energia elettrica può anche essere “immessa” nella griglia dagli utenti stessi, sia attraverso generatori di energia come impianti fotovoltaici, sia da sistemi di accumulo di energia elettrica come i veicoli elettrici.

Con le smart grid diventa centrale la figura del prosumer, ovvero un produttore/consumatore che produce e consuma la propria energia, utilizza sistemi intelligenti per incrementare l’efficienza energetica della propria utenza, in modo da ottimizzare i consumi e poter rendere disponibile in maniera efficiente l’energia che produce ad altri utilizzatori.

Nascono così nuovi concetti di gestione di energia elettrica, volti ad effettuare un bilanciamento efficiente dell’energia in modo da progettare la rete elettrica per soddisfare non i picchi di richiesta di energia ma la sua media, questo anche grazie a dispositivi intelligenti per la gestione dei carichi stessi.

Le smart grid si basano molto sul concetto di generazione distribuita, non più centralizzata, e questo conduce a diversi vantaggi, riassumibili nei seguenti:

  • possibilità di introduzione di fonti rinnovabili
  • maggiore affidabilità per la presenza di molti generatori distribuiti, rispetto a pochi grossi generatori
  • riduzione delle distanze tra i generatori e i carichi elettrici

Una differenza fondamentale delle smart grid rispetto alle reti elettriche tradizionale è quindi l’importanza di una sistema di comunicazione e di informazioni, composto da dispositivi intelligenti, sfruttando sistemi di contatori di energia, sistemi di misura e sensori, tutti interconnessi tra di loro.

Questa interconnessione e l’impiego di algoritmi evoluti permette quindi la gestione intelligente dei flussi di energia, integrando i vari sistemi di generazione con le esigenze degli utilizzatori e dei diversi protagonisti che subentrano nella rete energetica.

Tabella 1. Rete tradizionale e Smart Grid a confronto

Generazione distribuita, vantaggi

Uno dei maggiori vantaggi della generazione distribuita risiede nella lunghezza ridotta delle reti di trasmissione e distribuzione; infatti, le linee ad alta tensione dedicate al trasporto di energia elettrica hanno perdite dell’ordine del 7-8% e comportano costi di costruzione e manutenzione significativi, oltre ad avere rischi di possibili interruzioni o black-out.

La generazione distribuita invece riduce o annulla questi problemi in quanto la generazione avviene in diversi punti e sono presenti quindi diverse centrali di produzione che permettono di raggiungere una maggiore affidabilità. Inoltre, compensa la discontinuità tipica degli impianti a fonti rinnovabili, che per loro natura erogano energia elettrica con modalità discontinua, dato che sono dipendenti da fattori meteorologici non prevedibili.

Con questa nuova modalità di generazione distribuita si hanno modifiche sostanziali dei ruoli e delle funzioni, la diffusione di piccoli impianti generatori a fonti rinnovabili, come il fotovoltaico e l’eolico, tende a far coincidere sempre di più i luoghi di utilizzo con quelli di produzione.

Le reti tendono pertanto a divenire “attive” e “intelligenti” nel senso che saranno in grado di gestire in maniera ottimale i flussi discontinui e bidirezionali di energia elettrica. La produzione di energia elettrica avviene attraverso unità di auto-produzione di più ridotte dimensioni, suddivisi in vari punti del territorio, ma tutte allacciate direttamente alla rete elettrica di distribuzione, intelligente ed attiva.

L’altro vantaggio della generazione distribuita consiste nelle economie di scala basate sulla standardizzazione e permettono di non concentrare il potere e il controllo della sicurezza degli approvvigionamenti energetici nelle mani di pochi soggetti.

Anche per quanto riguarda l’inquinamento, a parità di fonte di produzione, in generale un piccolo impianto ha un impatto minore, rispetto a un grosso impianto, e la diffusione di una quantità di impianti più piccoli inciderebbe in maniera ridotta su questo aspetto.

Il modo di produrre l’energia elettrica sta cambiando radicalmente per effetto del diffondersi di sistemi a fonti rinnovabili, come il fotovoltaico, l’eolico, il micro-eolico o il mini-idroelettrico, di potenza medio-piccola, capaci di soddisfare necessità locali.

Da un sistema centralizzato si sta quindi passando a una produzione molto distribuita sul territorio e assai più complessa da controllare e gestire. Se, infatti, l’energia elettrica prodotta supera la capacità di trasporto della rete o il fabbisogno in un dato momento, quella in eccesso va sprecata. Non solo: picchi improvvisi o sbalzi di tensione, tipici della produzione da fonti rinnovabili, rischiano di produrre danni fisici alla rete stessa.

Per gestire queste criticità sono quindi necessarie reti di distribuzione diverse da quelle tradizionali: le smart grid per l’appunto. La loro “intelligenza” risiede nell’adozione di soluzioni tecnologiche come, per esempio, sistemi di accumulo dell’energia prodotta in eccesso, che può essere così conservata e immessa in rete quando serve, o come sistemi IoT, cioè in grado di inviare dati in rete in tempo reale per un efficiente sistema di previsione dei consumi. Dispositivi di questo tipo sono i contatori elettronici di nuova generazione, attualmente in fase di installazione nelle case di tutti gli italiani.

Alla capacità di raccolta dei dati di consumo si deve poi unire quella di analizzarli, sia per prevedere il fabbisogno elettrico e gestire produzione e distribuzione sia per individuare gli sprechi e segnalarli agli utilizzatori. Una smart grid completamente realizzata, quindi, sarà anche in grado di suggerire agli utenti come risparmiare sulla bolletta, in un’ottica di sostenibilità ambientale e di economia circolare.

Fonti:
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Marco Ciancarini
Dottore in Ingegneria Energetica presso l'Università di Roma "Tor Vergata". Sostenitore delle Green Energy e del raggiungimento dell'autosufficienza energetica, per utenze domestiche, attraverso l'impiego di fonti rinnovabili.

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