Smart Grid Un`evoluzione radicale nel settore dell`energia

Informazioni generali
Smart Grid
Un’evoluzione radicale nel settore dell’energia elettrica
Le reti elettriche tradizionali non sono
in grado di supportare le esigenze di un
settore in rapida evoluzione.
La convergenza di numerosi fattori, tra
cui la generazione di energia elettrica
da fonti rinnovabili e la generazione
distribuita, promuove lo sviluppo delle
smart grid del futuro.
La forma di energia più versatile e ampiamente utilizzata è
l’energia elettrica, una risorsa accessibile a oltre 5 miliardi
di persone in tutto il mondo. Le reti elettriche che ne
garantiscono la disponibilità sono tra i sistemi più grandi mai
realizzati, visibili nelle ore notturne addirittura dallo spazio.
Oggigiorno l’erogazione di energia elettrica proviene
essenzialmente da centrali di grandi dimensioni alimentate
principalmente da combustibile fossile, energia nucleare
e idroelettrica che operano tramite sistemi di trasmissione
e distribuzione ormai consolidati. Sebbene questi sistemi
offrano un servizio efficiente in tutto il mondo da oltre un
secolo, i tempi stanno cambiando. La domanda di energia
è in rapida crescita a causa dei rapidi sviluppi sociali in
numerose parti del mondo, ma anche in ragione del fatto che
le economie digitali moderne dipendono in misura sempre
maggiore dalla disponibilità di energia elettrica. Tale rapporto
di dipendenza impone nuovi sviluppi strutturali al fine di
evitare problemi sulle reti, il cui costo grava notevolmente
sulle economie mondiali.
Smart Grid
Introduzione
Allo stesso tempo, le società moderne hanno compreso che,
per combattere il cambiamento climatico, occorre ridurre le
emissioni. A un impiego ottimale delle fonti tradizionali deve
affiancarsi lo sviluppo della produzione da fonti non tradizionali,
quali ad esempio impianti eolici, ad energia mareomotrice, solari,
geotermici e a biomasse. Si assiste quindi alla diffusione di
un’ampia gamma di fonti energetiche che comportano numerose
complessità in termini di progettazione delle reti elettriche.
L’influenza delle condizioni climatiche sulla disponibilità di
energia eolica e solare, congiuntamente alla necessità di
sviluppare impianti distribuiti (ad esempio impianti fotovoltaici
domestici), complica ulteriormente lo scenario, imponendo
l’esigenza di reti locali in grado di ricevere ed erogare energia
elettrica. La rete elettrica stessa viene utilizzata secondo nuove
modalità. Invece di servire aree geografiche relativamente ridotte
con collegamenti ad altre regioni per garantire la sicurezza
dell’approvvigionamento, le reti vengono attualmente impiegate
come canali per il commercio di energia su distanze sempre più
lunghe.
Non essendo state concepite per rispondere a tali esigenze,
le reti elettriche tradizionali non sono quindi in grado di offrire
prestazioni soddisfacenti a lungo termine. È necessaria
un’evoluzione globale e capillare.
Le misure necessarie includono:
- l’applicazione di nuovi criteri di progettazione e l’impiego di
materiali avanzati per le apparecchiature quali trasformatori e
interruttori allo scopo di migliorarne l’efficienza, la sicurezza e le
prestazioni
- la diffusione di dispositivi elettronici per ottimizzare le
risorse esistenti e migliorare la flessibilità della rete in caso di
interruzioni
- l’impiego di tecnologie di stoccaggio a tutti i livelli per mitigare
i picchi di domanda ed estendere lo sfruttamento dell’energia
prodotta a partire da fonti rinnovabili
- l’utilizzo di metodi di trasmissione e distribuzione più flessibili
per bilanciare le fluttuazioni dell’approvvigionamento,
aumentare l’efficienza e ottimizzare le prestazioni
- l’integrazione di sistemi di monitoraggio e controllo per
prevenire interruzioni
Il termine “smart grid”, ovvero “reti elettriche intelligenti”,
racchiude tutte queste caratteristiche in un unico sistema
tramite tecnologie di comunicazione in grado di permettere
ingenti scambi di dati tra i dispositivi intelligenti distribuiti nel
sistema elettrico.
Pike Research, una delle principali società specializzate
nelle ricerche di mercato, stima un investimento mondiale
complessivo intorno a 200 miliardi di dollari in infrastrutture
per smart grid nel periodo compreso tra il 2010 e il 20151. Di
A. Evoluzione del fabbisogno energetico e delle emissioni di anidride carbonica, 2007-2030
Scenario I
Nessun
intervento
Soluzioni tecnologiche:
impatto sulle emissioni
Scenario II
Sfruttamento intensivo
delle tecnologie esistenti
+40%
Emissione C02
Domanda di energia
57%
Efficienza energetica
+20%
20%
3%
Rinnovabili
Biocarburanti
10%
Nucleare
10%
CCS*
-9%
* Cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica
2 Introduzione | Smart Grid
Fonte: IEA World Energy Outlook 2009
I leader mondiali riuniti a Copenhagen
a dicembre del 2009 per la conferenza
sul clima hanno accettato di impegnarsi
per limitare l'aumento della temperatura
globale di 2°C entro la fine del secolo
rispetto all'era preindustriale.
Il secondo scenario prospettato dall'IEA
preparerebbe il mondo al conseguimento
di questo obiettivo. Tuttavia, per garantire
un'implementazione efficace delle
soluzioni tecnologiche identificate
sarebbero necessari notevoli sforzi di
sviluppo e adattamento delle reti elettriche.
Smart Grid
Introduzione
tale somma, oltre quattro quinti sarebbero spesi nei settori in
cui ABB opera, ovvero trasmissione di energia, automazione
di sottostazione e distribuzione.
(cfr. Figura A). Secondo questa strategia, più della metà
dei risparmi proverrebbe dall’implementazione di misure
di efficienza energetica, mentre un quinto deriverebbe
dall’aumento della generazione di energia da fonti rinnovabili.
Il quadro completo
Sulla base delle politiche e delle tendenze attuali, il
fabbisogno energetico globale dovrebbe crescere del 40%
entro il 2030, con un aumento conseguente delle emissioni
di anidride carbonica 2. La comunità scientifica è unanime nel
ritenere che un simile incremento delle emissioni potrebbe
avere un notevole impatto sotto il profilo economico,
ambientale e sociale 3.
I motori del fabbisogno energetico sono la crescita
demografica e l’innalzamento delle condizioni di vita nei
mercati emergenti, che continueranno a fare aumentare
i consumi. La sfida consiste nello spezzare il legame tra
crescita economica e fabbisogno energetico e tra produzione
di energia ed emissioni di anidride carbonica.
L’agenzia internazionale per l’energia (IEA) ha definito una
strategia per i prossimi due decenni volta a perseguire
questi due obiettivi tramite l’implementazione decisa di
alcune tecnologie a bassa emissione di anidride carbonica
Adattare il sistema di fornitura dell’energia elettrica è una
mossa fondamentale, per due ragioni: innanzitutto la
generazione di energia elettrica rappresenta la più grande
percentuale di emissioni di CO2 antropogeniche ed è pari
al 40% delle emissioni globali di CO 2 riconducibili alla
produzione di energia. In secondo luogo il tasso di crescita
dei consumi di energia elettrica è quasi il doppio rispetto
all’aumento del consumo energetico generale, quindi ridurre
le emissioni generate dalla produzione di energia è sempre
più urgente.
Ripensare la gestione dell’energia
elettrica
Ridurre le emissioni alla fonte è solo uno dei modi per
abbattere i livelli di CO2. Come evidenziato dall’analisi
dell’IEA, migliorare l’efficienza energetica rappresenta
il mezzo più importante per porre un limite al consumo
energetico primario. L’obiettivo principale delle reti del futuro
B. Una Smart Grid può livellare i picchi di domanda, riducendo i costi e le emissioni
Fabbisogno energetico
Fabbisogno energetico in una rete elettrica tradizionale
Fabbisogno energetico in una rete
elettrica intelligente.
L'abbassamento dei picchi della domanda
comporta la riduzione del numero
di centrali elettriche necessarie
In una rete elettrica intelligente, la
tecnologia "demand-response" sposta
parte della domanda nei periodi in cui
il costo dell'energia è più basso.
In una rete elettrica tradizionale, i picchi
nei consumi in determinati orari del giorno
vengono parzialmente soddisfatti sfruttando
centrali elettriche mantenute appositamente
in stand-by.
Un simile approccio è tanto dispendioso
quanto inefficiente, proprio come avviene
guidando in città, dove una serie ripetuta
di fermate e partenze consuma più
carburante rispetto a un tragitto su lunga
distanza a velocità costante. In una rete
elettrica intelligente, la condivisione di dati
tra utenti e fornitori consente una ripartizione
dell'utilizzo di energia elettrica su un periodo
più lungo, abbattendo i picchi della domanda
e riducendo il numero di centrali elettriche
necessarie per soddisfare la richiesta.
Tempo
Smart Grid | Introduzione 3
Smart Grid
Introduzione
resta quindi uno sfruttamento più efficiente dell’energia,
con l’implementazione di tecnologie orientate al risparmio
energetico in ogni fase, dalla produzione, alla trasmissione
e alla distribuzione all’utente finale in ambito industriale,
commerciale e domestico.
Oltre all’abbassamento dei consumi, la smart grid del
futuro dovrà essere in grado di ridurre i livelli di picco della
domanda tramite una ripartizione dei consumi più efficiente
nell’arco della giornata.
Nel settore della fornitura di energia elettrica questo
processo è conosciuto come “demand-response” (domandarisposta) e ha lo scopo di abbattere i picchi facendo sì che
i consumatori indirizzino i consumi non essenziali su periodi
in cui la domanda è più bassa (cfr. Figura B). Sebbene la
tecnologia necessaria sia già disponibile, resta da capire
quanto questo tipo di comunicazione bidirezionale verrà
utilizzato e in quale misura potrà contribuire alla riduzione dei
picchi della domanda.
Le sfide dell’energia rinnovabile
In questo modo sarebbe possibile limitare la quantità di
risorse mantenute in stand-by per garantire livelli di consumo
massimi e far sì che gli impianti siano sufficientemente
flessibili da poter gestire variazioni repentine nell’erogazione
di energia tramite un portafoglio sempre più esteso di centrali
basate su fonti rinnovabili.
Un sistema di questo tipo richiede cambiamenti sostanziali
a livello di gestione degli approvvigionamenti e della
domanda.
L’energia elettrica è probabilmente la materia prima più
deperibile in commercio: infatti deve essere consumata
non appena prodotta, ma deve anche essere prodotta nel
momento in cui è richiesta. Oggigiorno la domanda sfugge
in gran parte a ogni controllo: gli impianti aumentano
la produzione all’aumentare della domanda (ad esempio
quando le persone tornano a casa di sera e accendono
le luci, cucinano, guardano la televisione, ecc.) e riducono
i ritmi produttivi quando la domanda cala.
In una smart grid la domanda viene gestita in modo più
attivo, consentendo agli operatori di bilanciarla meglio con
l’approvvigionamento. A tale scopo, gli utenti finali dell’energia
devono poter contare su sistemi di monitoraggio e controllo
che offrano informazioni dettagliate sulle modalità e i tempi
di utilizzo e indichino come contribuire attivamente alla
riduzione dei picchi di domanda.
Una comunicazione in tempo reale tra fornitori e consumatori
consentirà agli utenti di reagire direttamente alle variazioni
di condizioni e prezzi, pur consentendo talvolta al sistema
di limitare il consumo escludendo determinati apparecchi
per far sì che la domanda non superi la quantità di energia
elettrica disponibile.
4 Introduzione | Smart Grid
Secondo le stime dell’IEA, la produzione globale di energia
da fonti rinnovabili subirà un notevole aumento entro il
2030 attraverso un investimento cumulativo di 5,5 trilioni
di dollari 4, pari a circa la metà di tutte le proiezioni di
investimento nella generazione di energia elettrica per il
periodo in questione.
Sebbene i vantaggi ambientali legati alla riduzione
della dipendenza da combustibili fossili siano evidenti,
lo stoccaggio di grandi quantitativi di energia da fonte
rinnovabile e la produzione su scala ridotta rappresentano
tuttora una grande sfida per la stabilità e la disponibilità di
energia elettrica.
La difficoltà principale deriva dalla natura intermittente delle
energie rinnovabili. Sebbene le fonti idroelettriche offrano
un approvvigionamento di energia elettrica altamente
prevedibile, la disponibilità di gran parte delle risorse
rinnovabili può letteralmente cambiare con il vento. La
produzione di energia nei parchi eolici è caratterizzata da
periodi di produttività elevata seguiti da momenti di stasi,
mentre le prestazioni degli impianti fotovoltaici vengono
meno in caso di tempo nuvoloso o nelle ore notturne (cfr.
Figura C).
Inoltre non sono disponibili metodi pratici ed economici
per garantire lo stoccaggio di ampi quantitativi di energia
generata in periodi di domanda scarsa, determinandone
il mancato utilizzo e lo spreco. Il metodo di stoccaggio
più conveniente consiste nel pompare l’acqua a monte
all’interno di sbarramenti; tuttavia ciò è possibile
unicamente in regioni montane con potenziale idroelettrico.
Per le aziende, un’interruzione di corrente, anche per periodi
limitati, comporta enormi inconvenienti, che si traducono
Smart Grid
Introduzione
in perdite di produttività e costi supplementari legati
all’approvvigionamento di energia per ripristinare le normali
condizioni operative.
Secondo un rapporto del 2005 5 le interruzioni della fornitura
di energia e i blackout negli Stati Uniti costano all’economia
nazionale all’incirca 80 miliardi di dollari all’anno. Gran
parte della perdita, 57 miliardi di dollari, riguarda il settore
commerciale, dove ogni singola interruzione colpisce
numerosi consumatori. Stando alle stime, la perdita per il
settore industriale è quantificabile in 20 miliardi di dollari,
in quanto ogni disservizio interessa un numero inferiore
di consumatori, ma con un costo individuale superiore.
Ulteriori problemi sono causati da problemi qualitativi,
abbassamenti e picchi di tensione, che si ripercuotono
sulle prestazioni dei dispositivi elettronici e causano danni
anche permanenti ad apparecchiature costose. I fornitori di
energia sono quindi pienamente consapevoli dell’importanza
di offrire un servizio affidabile e qualitativamente valido
e compiono notevoli sforzi per garantire l’integrità
dell’erogazione.
L’aggiunta di grandi quantitativi di energia rinnovabile non
equivale necessariamente a un aumento del rischio di
blackout, ma richiede indubbiamente maggiori investimenti
in tecnologie intelligenti che consentano un contenimento
e una correzione rapida ed efficace dei disturbi durante
l’erogazione. Le smart grid sono destinate ad assumere
un’importanza sempre maggiore data la crescente
dipendenza delle economie mondiali dall’energia elettrica.
Un’ulteriore sfida legata all’energia rinnovabile riguarda
l’ubicazione delle fonti. Quelle su larga scala, offshore
o in mezzo al deserto spesso sono lontane dai centri di
domanda, mentre i piccoli produttori si trovano spesso in
aree residenziali o a basso sfruttamento industriale, in cui la
rete di distribuzione locale non è strutturata per la ricezione
e l’erogazione di energia elettrica.
Rispetto alle prestazioni altamente prevedibili delle centrali
tradizionali, di cui la maggior parte può essere costruita
in prossimità delle comunità servite, gli impianti alimentati
C. Le energie rinnovabili comportano sfide specifiche che vanno affrontate con soluzioni tecnologiche
Sfide
Soluzioni tecnologiche
Produzione di energia eolica e solare in eccesso
in condizioni climatiche favorevoli
Produzione
di energia elettrica
da fonti eoliche
e solari
Cali o abbassamenti
di tensione nell'erogazione
di energia
Variazioni nel prezzo
dell'energia in base alla
sua disponibilità o scarsità
Disponibili
In fase di sviluppo
Emergenti
Le interconnessioni tra reti consentono
l'esportazione dell'energia in eccesso
o l'importazione da altre regioni durante
i periodi di insufficienza della fornitura
Lo stoccaggio permette di sfruttare
l'energia in eccesso durante i periodi
di condizioni climatiche sfavorevoli
Le tecnologie di trasmissione fanno sì che
le fluttuazioni improvvise della domanda
non si ripercuotano sulla qualità dell'energia
Le tecnologie informatiche permettono
ai fornitori di gestire le fluttuazioni tramite
la pianificazione della disponibilità e della
domanda e l'adattamento automatico della
capacità di generazione
Le tecnologie "demand-response"
permettono ai consumatori di regolare
automaticamente il proprio consumo
Tempo
Il crescente ricorso a fonti energetiche intermittenti introdurrà nuove variabili in termini di disponibilità e qualità dell'energia sulla rete.
Molte delle tecnologie necessarie per superare le difficoltà legate all'utilizzo di energie rinnovabili su larga scala sono attualmente disponibili,
mentre altre sono in fase di sviluppo.
Smart Grid | Introduzione 5
Smart Grid
Introduzione
da fonti rinnovabili offrono qualche inconveniente in
più. Tuttavia, gran parte delle tecnologie necessarie per
superare gli ostacoli legati all’utilizzo di energie rinnovabili
è già disponibile, mentre altre sono attualmente in fase di
sviluppo. Di pari passo con lo sviluppo di nuovi impianti
basati su fonti rinnovabili, la rete evolve in modo da offrire
un approvvigionamento elettrico sicuro, in linea con la
domanda e sostenibile.
Veicoli elettrici e stoccaggio
I veicoli elettrici potrebbero ridurre drasticamente
le emissioni di gas serra nel settore dei trasporti,
compatibilmente con la tipologia di combustibile impiegato
per generare l’energia necessaria. Nel Regno Unito, le
emissioni di CO 2 derivanti dall’utilizzo di veicoli elettrici
sarebbero pari al 40% in meno rispetto a quelle derivanti
dai veicoli tradizionali 6, mentre il potenziale di abbattimento
dell’anidride carbonica dei veicoli elettrici in Cina, dove
la produzione di energia elettrica dipende maggiormente dai
combustibili fossili, sarebbe attualmente limitata al 19 per cento7.
Una tale diffusione dei veicoli elettrici avrebbe però un
impatto sulla rete elettrica. Ad esempio, se il 20% di tutti
i nuovi veicoli fosse elettrico (condizione potenzialmente
realizzabile nel corso dei prossimi 10 anni in località
altamente incentivate quali, ad esempio, la California
meridionale) 8-9, la quota di energia destinata alla ricarica di
tali mezzi corrisponderebbe al 2% della domanda totale.
Le strutture destinate alla ricarica dei veicoli elettrici stanno
conoscendo una rapida diffusione ma, per comprendere
appieno il potenziale di questi mezzi, sono ancora necessari
numerosi progressi tecnologici. Il costo delle batterie per
auto dovrà essere ridotto notevolmente e sarà necessario
realizzare molte altre stazioni di ricarica.
Per quanto riguarda la creazione di smart grid, l’idea di
impiegare i veicoli elettrici per lo stoccaggio dell’energia
in eccesso come fonte di riserva è particolarmente
interessante. La maggior parte delle automobili viene
impiegata solo per un’ora o due al giorno e rimane inattiva
per il resto del tempo.
Le utility potrebbero potenzialmente utilizzare le batterie
dei veicoli elettrici parcheggiati e collegati alla rete elettrica
per lo stoccaggio dell’energia in eccesso. Al contrario, in
caso di carenza di energia, i veicoli elettrici potrebbero
costituire una riserva rapida in grado di soddisfare i picchi
di domanda, allentando la pressione sulle utility legata alla
disponibilità di riserve di energia e offrendo allo stesso
tempo ai proprietari dei veicoli una forma di compenso
monetario.
La realizzazione di un simile scenario è ancora incerta
ma, data la scarsità di metodi alternativi per lo stoccaggio
dell’energia elettrica su larga scala, l’idea sta destando un
certo interesse.
D. Gli impianti elettrici del futuro dovranno rispondere a quattro esigenze sociali
Capacità
Sostenibilità
Efficienza
Affidabilità
L’agenzia internazionale
per l’energia (IEA) prevede
che la domanda di energia
arriverà quasi a raddoppiare
entro il 2030. Se così fosse,
sarebbe necessario costruire
una centrale elettrica da 1 GW
e la rispettiva infrastruttura
a settimana per i prossimi
vent'anni.
L'espansione della capacità
energetica con l'attuale mix
di fonti, dominata dai
combustibili fossili,
provocherebbe un aumento
delle emissioni di CO2.
La rete elettrica del futuro
deve prendere in considerazione
fonti energetiche alternative,
soprattutto rinnovabili.
L'IEA ritiene che un utilizzo
più efficiente dell'energia
offra una soluzione più valida
rispetto a tutte le altre opzioni
messe insieme per porre un
limite alle emissioni di CO2 nel
corso dei prossimi vent'anni.
La rete elettrica del futuro deve
consentire ai consumatori di
ottenere di più dall'energia
utilizzata.
I disturbi nell'erogazione
dell'energia elettrica
rappresentano un costo
(80 miliardi di dollari all'anno
solo negli Stati Uniti10).
La domanda in crescita
e l'utilizzo di fonti rinnovabili
soggette a variazioni climatiche
rappresentano una sfida di
stabilità che va affrontata.
6 Introduzione | Smart Grid
Smart Grid
Soluzioni ABB
La rete del futuro dovrà essere una versione ottimizzata dell’attuale,
provvista di sistemi estesi di monitoraggio e comunicazione, nuove
interconnessioni, un flusso bidirezionale di energia e informazioni,
strutture per lo stoccaggio dell’energia elettrica e una porzione più
ampia dedicata alla produzione proveniente da fonti distribuite e
rinnovabili. Il sistema dovrà essere altamente automatizzato per
garantire la disponibilità di approvvigionamenti sicuri ed efficienti
destinati all’uso industriale, commerciale e domestico, su richiesta.
ABB considera il concetto di smart grid come un sistema basato
sugli standard di settore, in grado di offrire energia elettrica in modo
costante, sicuro e sostenibile. Tale sistema dovrà essere in grado di
oltrepassare le frontiere nazionali e internazionali, così da consentire
il commercio di energia tra regioni limitrofe, e dovrà essere provvisto
di sistemi di monitoraggio e controllo in tempo reale in grado di
contenere e correggere automaticamente le anomalie per garantire
ai consumatori la disponibilità di energia elettrica di qualità elevata,
trovando il giusto equilibrio tra domanda e offerta.
Oggi questo concetto sta trovando applicazione pratica. La
Danimarca, ad esempio, che trae il 20% della sua energia
dal vento, si avvale di una rete elettrica stabile con l’ausilio di
connessioni in corrente continua ad alta tensione alle reti dei paesi
confinanti (Norvegia, Svezia e Germania), il tutto grazie a soluzioni
ABB. Attraverso queste interconnessioni, la Danimarca esporta
l’energia elettrica in eccesso e importa energia quando i suoi
parchi eolici evidenziano un volume di produzione insufficiente.
Un altro esempio riguarda il modo in cui i fornitori sfruttano
le più recenti tecnologie informatiche e di comunicazione per
l’elaborazione di dati dettagliati in tempo reale sulle condizioni delle
reti su migliaia di punti della rete elettrica. Questi dati offrono ai
consumatori l’opportunità di rivestire un ruolo attivo, consentendo
loro di adottare decisioni consapevoli sulle modalità e sui tempi
di utilizzo dell’energia elettrica e aiutandoli addirittura a generare
autonomamente energia, reindirizzando i surplus sulla rete.
Sebbene una smart grid completa sia attualmente solo un’idea
per il futuro, da alcuni anni ABB studia le tecnologie e gli standard
necessari, di cui diversi sono già in uso. Potendo vantare un’ampia
gamma di tecnologie per l’energia e l’automazione, ABB sta
assumendo un ruolo di spicco nella fornitura di soluzioni integrate
per lo sviluppo delle smart grid.
I paragrafi seguenti illustrano alcune delle tecnologie ABB già in uso
che stanno trasformando in realtà il sogno delle smart grid.
Produzione ottimizzata di energia
L’efficienza della produzione di energia varia ampiamente in base
alle tecnologie e ai combustibili utilizzati. Nelle centrali tradizionali
alimentate a carbone, una quota compresa tra il 30% e il 35%
del combustibile consumato è convertita in energia elettrica.
Nelle centrali termoelettriche, che impiegano un’ampia varietà
di combustibili e condividono il calore prodotto con gli edifici
circostanti, l’efficienza può raggiungere l’85 per cento.
L’ottimizzazione delle operazioni e dei sistemi ausiliari in
qualsiasi tipo di centrale tramite sistemi di controllo sofisticati e
apparecchiature efficienti permette di ottenere notevoli risparmi.
ABB è leader tecnologico e di mercato di gran parte di questi
sistemi ausiliari, in grado di ridurre il consumo di energia delle
centrali esistenti del 10-30 per cento.
Lo sviluppo di reti elettriche più intelligenti, capaci di fornire
dati dettagliati sui consumi e previsioni più accurate sulle fonti
rinnovabili, permetterà alle aziende produttrici di ottimizzare
l’utilizzo delle rispettive capacità attuali. Attualmente i sistemi di
controllo all’interno delle centrali permettono anche ai generatori su
larga scala di reagire più rapidamente alle variazioni della domanda
e ridurre la dipendenza dei fornitori da riserve meno efficienti per
soddisfare le condizioni di picco.
Gestione della rete e monitoraggio esteso
Le tecnologie di gestione di rete e comunicazione offerte da ABB
consentono l’evoluzione delle smart grid grazie alle funzioni di
gestione in tempo reale delle reti di trasmissione e distribuzione,
delle centrali elettriche e dei mercati energetici.
Nel 2009 una soluzione di questo tipo ha consentito l’integrazione
in un unico sistema delle reti di trasmissione e distribuzione nello
stato dell’India meridionale di Karnataka. Attualmente un’unica
piattaforma riunisce i sistemi di monitoraggio e tariffazione per
16 milioni di clienti.
Queste tecnologie permettono di raccogliere, trasmettere,
memorizzare, analizzare e comunicare in modo estremamente
affidabile i dati fondamentali provenienti da migliaia di punti
sull’intera rete elettrica e attraverso una vasta area geografica.
Senza queste tecnologie sarebbe impossibile consentire
l’integrazione su larga scala di risorse rinnovabili, il controllo di reti
di distribuzione bidirezionali, la trasmissione su lunghe distanze e
l’integrazione di veicoli elettrici e stazioni di ricarica.
Il monitoraggio esteso migliora le prestazioni dei sistemi di gestione
della rete ampliando la portata geografica dei sistemi.
Le comunicazioni satellitari permettono di accedere rapidamente
alle informazioni dalle reti circostanti e di utilizzarle per evitare lo
sviluppo di anomalie diffuse.
Sottostazioni automatizzate
Le sottostazioni offrono funzioni di monitoraggio, protezione e
controllo sulla trasmissione e la distribuzione di energia elettrica.
In futuro questi impianti essenziali richiederanno sistemi di
comunicazione sempre più sofisticati per garantire la condivisione
Smart Grid | Soluzioni ABB 7
Smart Grid
Soluzioni ABB
5
4
6
7
3
1
8
2
[1
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Generazione ottimizzata di energia
Gestione della rete
Sottostazioni automatizzate
FACTS e stoccaggio di energia
Trasmissione c.c. ad alta tensione (HVDC)
Infrastruttura per veicoli elettrici
Sistemi di gestione dell’energia
Edifici attivi
dei dati su parti diverse della rete, il coordinamento dei flussi di
energia e l’erogazione ai consumatori in modo affidabile ed efficiente.
ABB ha contribuito allo sviluppo e all’integrazione della norma
IEC 61850, il primo standard globale sulle comunicazioni per le
apparecchiature delle sottostazioni, nonché un importante traguardo
nell’ambito delle tecnologie di automazione delle sottostazioni.
Esso rende possibile la comunicazione in tempo reale tra i
dispositivi delle sottostazioni, indipendentemente dal produttore,
ed è perciò un componente fondamentale per lo sviluppo delle
smart grid.
ABB ha fornito centinaia di sistemi e migliaia di prodotti
certificati IEC 61850 per impianti nuovi ed esistenti in oltre 60
paesi, migliorando le prestazioni, l’efficienza e l’affidabilità del
funzionamento delle sottostazioni.
Tra questi citiamo la prima sottostazione multi-fornitore certificata
IEC 61850 e le sottostazioni al servizio delle centrali idroelettriche
più grandi al mondo: Itaipu in Brasile e Tre Gole in Cina.
FACTS e stoccaggio di energia
FACTS (sistemi di trasmissione flessibili in corrente alternata) è un
termine generico che designa le tecnologie in grado di aumentare
8 Soluzioni ABB | Smart Grid
in maniera significativa la capacità delle linee di trasmissione
esistenti, mantenendo o addirittura migliorando la stabilità e
l’affidabilità di una rete elettrica.
Questi sistemi aumentano l’efficienza della trasmissione di
corrente su grandi distanze rimuovendo i colli di bottiglia
e integrando nella rete in modo sicuro fonti energetiche
intermittenti, ad esempio quelle eolica e solare. Gli impianti
FACTS contribuiscono allo sviluppo delle smart grid.
Oltre a stabilizzare la corrente e la tensione, le più recenti
tecnologie FACTS di ABB offrono prestazioni superiori in termini
di stoccaggio di energia, un aspetto che assume un’importanza
particolare quando le energie rinnovabili rappresentano una
porzione importante delle fonti di produzione.
Le potenzialità di stoccaggio su larga scala (fino a 50 MW per un’ora o
più a lungo) permettono di bilanciare la produttività irregolare delle fonti
rinnovabili e offrono una riserva di emergenza in caso di blackout.
ABB ha fornito più della metà degli impianti FACTS su scala mondiale
(più di 700). Un impiego più efficiente e sicuro della capacità esistente
si traduce in una rete elettrica più omogenea e affidabile.
Corrente continua ad alta tensione (HVDC)
Promossa da ABB negli anni ‘50, la corrente continua ad alta
tensione è una tecnologia di trasmissione rivoluzionaria che assumerà
un’importanza sempre maggiore con lo sviluppo delle smart grid.
Con l’HVDC, i fornitori di energia migliorano l’affidabilità delle
prestazioni offerte tramite l’interconnessione con le reti circostanti
(anche a frequenze diverse) e la commercializzazione di energia
elettrica.
Smart Grid
Soluzioni ABB
La tecnologia permette inoltre di integrare sulla rete l’energia
prodotta a partire da fonti intermittenti rinnovabili con un livello di
tensione in grado di garantire la stabilità dell’erogazione.
In aggiunta, essendo in grado di trasmettere grandi quantitativi
di energia su lunghe distanze in modo efficiente, la tecnologia
HVDC risulta il sistema ideale per garantire l’erogazione di
corrente da fonti remote ai centri di domanda.
In questo modo si rendono commercialmente praticabili anche
parchi eolici offshore e impianti idroelettrici in regioni montane
distanti. Alcune grandi città, come Los Angeles, San Paolo,
Shanghai e Delhi si avvalgono già della tecnologia HVDC ad alta
efficienza e minimo impatto per la fornitura di energia elettrica,
spesso proveniente da migliaia di chilometri di distanza.
Infrastrutture per veicoli elettrici
ABB sta attualmente sviluppando tecnologie per preparare le
smart grid alle sfide legate ai veicoli elettrici e offrire soluzioni
pratiche di ricarica per soddisfare le esigenze di conducenti,
fornitori del servizio e operatori di reti elettriche.
Le unità di ricarica domestiche devono offrire prestazioni efficienti
e un consumo energetico ridotto e devono dimostrarsi in grado
di ricaricare le batterie nell’arco della notte, a costi accessibili
e con un impatto minimo sulla rete. Unità di questo tipo sono
attualmente disponibili, ma gli standard per un’implementazione
diffusa sono tuttora in fase di sviluppo e devono garantire la
compatibilità con veicoli di ogni tipo.
Le stazioni di ricarica pubbliche devono essere solide e in grado
di ricaricare le batterie nell’arco di poche ore, ad esempio mentre
il conducente è al lavoro. Devono inoltre incorporare sistemi di
autenticazione e/o pagamento.
I sistemi di ricarica ultrarapida dovranno invece offrire ai
veicoli elettrici l’equivalente di un rifornimento in autostrada,
consentendo la ricarica della batteria nell’arco di pochi minuti.
Nei paesi scandinavi, ABB ha già provveduto all’installazione
di stazioni di ricarica di base che, attualmente, sono in fase di
sviluppo per integrare funzioni di comunicazione più sofisticate.
Sistemi di gestione dell’energia
Nella rete del futuro, sempre più utenti diventeranno anche
produttori, installando pannelli solari o turbine eoliche di piccole
dimensioni sui tetti delle loro case. Attualmente, gli unici utenti
in grado di partecipare in misura significativa sul mercato
dell’energia elettrica sono le centrali industriali intensive che
possiedono sistemi di generazione di corrente elettrica di
dimensioni discrete.
I software di gestione energetica, quali cpmPlus Energy Manager di
ABB, consentono alle aziende di gestire l’utilizzo di energia in modo
da massimizzare l’efficienza e i risparmi.
Le opportunità di riduzione dei costi sono maggiori se i consumi e
i prezzi sono soggetti a variazioni nel corso del tempo, condizione
diffusa nelle industrie di lavorazione e nei mercati aperti dell’energia.
Il software indica il costo dell’energia elettrica e aiuta gli operatori
a pianificare il consumo energetico durante le ore meno intense.
Il sistema coordina la compravendita di energia sulla base della
capacità di produzione, quindi pianifica la produzione nelle ore
di picco, quando il prezzo di acquisto è più alto, così da offrire
risparmi supplementari.
Edifici attivi
Gli edifici a uso commerciale e residenziale rappresentano
all’incirca il 38 per cento del fabbisogno energetico globale degli
utenti finali, principalmente destinato a impianti di riscaldamento,
condizionamento e all’alimentazione di apparecchiature
elettriche.
Il consumo degli edifici può essere ridotto grazie a tecnologie
di risparmio energetico, quali i sistemi di controllo intelligenti in
grado di regolare la temperatura del riscaldamento, l’illuminazione
e il consumo energetico degli elettrodomestici in base alle
esigenze reali. Da questo punto di vista, i prodotti e i sistemi ABB
permettono di ottenere risparmi tra il 30 e il 60 per cento.
Attualmente i sistemi per edifici intelligenti sono indipendenti dalla
rete elettrica. All’interno di una smart grid, essi interagiranno con
la rete elettrica per offrire ai consumatori maggiore controllo sulla
quantità di energia impiegata e sul periodo di utilizzo. Ad esempio,
i clienti potranno configurare i sistemi di automazione dei propri
edifici in modo da abbassare il riscaldamento durante i periodi di
picco o in alternativa potranno delegare questo compito a soggetti
terzi o al fornitore dell’utenza. Questa soluzione permetterebbe
ai clienti di ridurre la bolletta dell’energia, nonché di migliorare
l’efficienza complessiva del sistema.
Per essere totalmente integrati nella rete di erogazione
dell’energia elettrica, gli edifici devono essere muniti di sistemi di
misurazione in grado di raccogliere dati più precisi sul consumo
elettrico e di comunicare con i sistemi di automazione della
distribuzione o di gestione della rete.
ABB è titolare di una piccola azienda che produce sistemi di
misurazione intelligenti, la tedesca Striebel & John, e nel luglio del
2010 ha annunciato l’acquisizione di una quota minoritaria della
società statunitense Trilliant Inc., che offre soluzioni software in
grado di consentire l’integrazione di tutti gli apparecchi domestici
nella rete elettrica.
Smart Grid | Soluzioni ABB 9
Smart Grid
Progetti per l’evoluzione della rete
ABB ha fornito numerosi impianti per migliorare le prestazioni
delle reti elettriche esistenti. Così facendo è possibile offrire più
energia, incrementando la quota proveniente da fonti rinnovabili,
a più consumatori, in modo più affidabile ed efficiente,
collegando i generatori alla rete, realizzando l’interconnessione
tra le varie reti e aumentando inoltre la capacità, la produttività e
la stabilità dell’intero sistema elettrico.
Ma i progetti realizzati finora rappresentano solo una piccola
parte dell’intero sistema elettrico. ABB sta attualmente lavorando
a più di 20 progetti pilota in tutto il mondo per testare nuove
soluzioni e sondare le prestazioni offerte dalle soluzioni esistenti
su larga scala. Questi progetti coprono tutti gli aspetti delle smart
grid, dallo stoccaggio dell’energia, alla gestione della rete, alle
funzioni di misurazione e comunicazione, fino all’automazione
della distribuzione e ai sistemi di automazione domestica.
Boulder (Colorado): nascita di una smart grid
Nel 2010 ABB ha acquisito Ventyx, fornitore leader di
software industriali per i settori dell’energia, dei servizi e delle
comunicazioni.
L’acquisizione integra l’offerta di ABB nel settore della gestione
energetica; la combinazione delle soluzioni software di
entrambe le aziende risulta particolarmente utile in numerose
applicazioni per l’energia, in particolare per lo sviluppo delle
smart grid.
Il software Ventyx costituisce il fulcro della cosiddetta
SmartGridCity di Boulder, in Colorado (95.000 abitanti),
entrata in funzione nel 2009. Secondo Xcel Energy, l’azienda
americana che ha ideato e realizzato il progetto dimostrativo,
SmartGridCity rappresenta la prima smart grid completata e
totalmente operativa al mondo. All’incirca 322 km di fibra ottica
connettono approssimativamente 50.000 clienti domestici,
commerciali e industriali minori a questa rete automatica, che
offre funzioni altamente interattive tra i clienti e il fornitore. La
disponibilità di dati in tempo reale offre agli utenti un livello
superiore di informazione e controllo sui consumi energetici e
consente a Xcel Energy di reindirizzare l’energia in modo da
aggirare i colli di bottiglia, oltre a identificare e reagire in tempi
più rapidi a eventuali interruzioni del servizio.
Una delle principali applicazioni software offerte da Ventyx
offre ai fornitori e agli operatori della rete le informazioni
necessarie per adattare in modo ottimale la produzione di
energia ai consumi, anche a livello domestico. Producendo
10 Progetti per l’evoluzione della rete | Smart Grid
informazioni in tempo reale sulla domanda di energia, sui prezzi
e sulla disponibilità, il software Ventyx rappresenta un modello
aziendale pratico in grado di generare profitti dalle smart grid e
dallo scambio delle emissioni.
Altre soluzioni Ventyx, quali software di previsione del carico,
permettono alle reti di integrare grandi quantitativi di energia
rinnovabile, proveniente ad esempio da fonti eoliche e solari.
Il progetto dimostrativo di Boulder costituisce inoltre un campo
di prova per le cosiddette “centrali elettriche virtuali”, sistemi
innovativi in grado di monitorare e aggregare con precisione
la domanda dei clienti e la produzione in loco, ad esempio
l’energia derivante da pannelli solari o generatori eolici. Queste
informazioni in tempo reale rappresentano una nuova risorsa
virtuale per le utility e costituiscono uno strumento straordinario
per la gestione delle complessità legate alle smart grid.
Il software utilizzato da SmartGridCity conferma alcune teorie
circa la riduzione delle interruzioni di corrente sui sistemi di
distribuzione, nonché sul valore del monitoraggio in tempo
reale dello stato delle reti. I primi risultati indicano che la
tecnologia delle smart grid permette a Xcel Energy di prevedere
i guasti alle apparecchiature ed eseguire preventivamente le
riparazioni necessarie. Xcel Energy prevede che SmartGridCity
raggiungerà traguardi ambiziosi, tra cui:
- una riduzione del 55% della domanda di energia domestica di
picco e una riduzione del 10% del consumo energetico
- una riduzione del 30% delle perdite nella distribuzione di
energia
- una riduzione delle emissioni di anidride carbonica
Stoccolma (Svezia): sviluppo a basso impatto nel cuore della
città
ABB sta collaborando con Fortum, la utility finlandese, a un
progetto di ricerca e sviluppo che si pone l’obiettivo di testare
il concetto di una rete elettrica flessibile a emissioni ridotte
nel distretto di Stoccolma denominato Royal Seaport, ex area
industriale oggi fulcro di alcuni tra i progetti di riqualificazione
urbana più importanti in Europa.
Gli attori dell’iniziativa, volta a ridare vita a questa parte della
capitale svedese, vogliono realizzare un’area residenziale e
commerciale basata su tecnologie pulite che offra un ambiente
caratterizzato da elevata qualità della vita e basso impatto
ambientale. Priorità fondamentale per il nuovo sviluppo è uno
sfruttamento ottimale delle risorse naturali, inclusa l’energia da
fonti rinnovabili.
Smart Grid
Progetti per l’evoluzione della rete
ABB e Fortum stanno lavorando a stretto contatto per realizzare
una rete in grado di sfruttare e mettere a disposizione delle
abitazioni e degli immobili commerciali energia elettrica prodotta
all’interno del distretto (attraverso pannelli solari sui tetti degli
edifici o mini impianti eolici). Il progetto intende offrire anche
stazioni di ricarica per veicoli elettrici, che consentano la ricarica
delle batterie ma eventualmente anche la re-immissione di
energia elettrica sulla rete.
La portata del progetto di Royal Seaport segna un grande passo
in avanti verso lo sviluppo di una rete urbana più flessibile e
intelligente che integri fonti energetiche distribuite e rinnovabili.
Nel nuovo distretto sorgeranno 10.000 abitazioni e 30.000 uffici.
Nell’area portuale, le imbarcazioni potranno avvalersi di
connessioni di tipo shore-to-ship simili a quelle installate da ABB
presso il porto di Gothenburg, così da non dover più utilizzare i
generatori diesel a bordo durante l’ormeggio.
Oltre a incentivare la produzione di energia elettrica da fonti
rinnovabili e l’uso di veicoli elettrici, Fortum e ABB desiderano
creare a Stoccolma un’autentica comunità di consumatori
“attivi”. Ciò significa dotare le strutture domestiche e commerciali
di tecnologie per la gestione energetica che permettano ai
consumatori di monitorare e controllare l’utilizzo dell’energia
stessa. Tutto ciò allo scopo di minimizzare gli sprechi e distribuire
il consumo lungo l’arco della giornata, evitando il più possibile
periodi di picco.
Nel maggio del 2010, ABB ha annunciato un’iniziativa simile
presso la capitale finlandese, Helsinki. ABB, il fornitore locale
Helsingin Energia e Nokia Siemens Networks lavoreranno
insieme alla progettazione e all’installazione di una smart grid nel
nuovo distretto di Kalasatama.
Friedrichshafen (Germania): un maggiore equilibrio tra
domanda e offerta
Con l’intento di incentivare lo sviluppo di tecnologie specifiche
per le smart grid, ABB collabora con diversi partner, esperti
nella comunicazione e nella gestione dei dati. In un progetto di
questo tipo, ABB unisce la sua esperienza nel settore dell’energia
e dell’automazione con quella di T-Systems, filiale di Deutsche
Telekom specializzata nelle telecomunicazioni.
La partnership intende promuovere lo sviluppo di tecnologie che
offrano ai consumatori e ai produttori le informazioni necessarie,
in un formato utilizzabile, per cambiare le modalità di interazione
con il sistema di erogazione di energia elettrica. Il progetto
coinvolge la cittadina di Friedrichshafen, nel sud della Germania.
Le competenze di ABB e T-Systems si integrano reciprocamente.
L’esperienza maturata da ABB nel settore della trasmissione e
della distribuzione di energia elettrica e dei sistemi per la gestione
di reti e la commercializzazione dell’energia, unitamente alla
conoscenza di T-system dei sistemi di tariffazione basati su
comunicazioni e telecomunicazioni a banda larga permetteranno
a consumatori e produttori di energia elettrica di equilibrare la
domanda e l’offerta in modo più efficace. L’applicazione di tariffe
flessibili che riflettano le dinamiche della domanda in tempo
reale, in combinazione con funzioni più sofisticate di controllo
degli apparecchi elettrici che consentano agli utenti di avvalersi
della fornitura di energia a costi contenuti, ottimizzeranno lo
sfruttamento delle risorse esistenti e faranno spazio a fonti meno
prevedibili rispetto a quelle tradizionali, quali ad esempio quella
da energia eolica e solare.
Un equilibrio più preciso tra domanda e offerta e un migliore
sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili sono aspetti
fondamentali per garantire l’osservanza degli ambiziosi obiettivi
di riduzione delle emissioni di CO2 imposti in numerosi paesi.
Secondo le previsioni di alcuni osservatori di mercato, la quota di
energie prodotte a partire da fonti rinnovabili in Germania arriverà
al 35% entro il 2020.
Un traguardo simile comporterà nuove sfide per i sistemi di
distribuzione dell’energia elettrica, determinando fluttuazioni
nell’erogazione che dovranno essere rigidamente controllate.
Senza un attento controllo, il sistema potrebbe veder ridurre
la propria efficienza se non addirittura incorrere in frequenti
interruzioni.
L’introduzione di sistemi più sofisticati di comunicazione e
automazione nel sistema di erogazione, attraverso lo sviluppo
di una rete intelligente, aiuterà a stabilizzare la fornitura,
facendo posto alle fonti rinnovabili e sostenendo l’impegno
per combattere il cambiamento climatico.
Smart Grid | Progetti per l’evoluzione della rete 11
Smart Grid
Approfondimenti
A cura di ABB:
www.abb.com/smartgrids
www.abb.com >> About ABB >> History >> ABB technologies
www.abb.com >> About ABB >> Technology >> Publications >> ABB Review >> ABB Review 1/2010
www.ventyx.com >> News >> Smart Grid News
Altro:
Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti
www.oe.energy.gov >> Our Work >> Smart Grid >> The Smart Grid: An Introduction
Unione Europea
www.smartgrids.eu >> What is a SmartGrid? >> Benefits
Per ulteriori informazioni consultare: www.abb.com/smartgrids
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pike Research, dicembre 2009. Cfr. http://www.pikeresearch.com/newsroom/smart-grid-investment-to-total-200-billion-worldwide-by-2015.
Agenzia Internazione per l’Energia (IEA), 2009. World Energy Outlook.
IPCC (comitato intergovernativo per i cambiamenti climatici), 2007. The Fourth Assessment Report.
Agenzia Internazione per l’Energia (IEA), 2009. World Energy Outlook.
Lawrence Berkeley National Laboratory, febbraio 2005.
Ministero inglese dei trasporti, 2008. Investigation into the scope for the transport sector to switch to electric vehicles and plug-in hybrid vehicles.
McKinsey and Co., 2008. China Charges Up: The Electric Vehicle Opportunity.
McKinsey and Co., 2009. Electrifying cars: How three industries will evolve. McKinsey Quarterly.
Secondo previsioni più generiche, entro il 2020 il 10% dei nuovi veicoli sarà elettrico. Varie fonti, 2009: CS Investment Bank, Boston Consulting, Renault-Nissan,
Roland Berger.
Lawrence Berkeley National Laboratory (febbraio 2005)