Smart Grid: le reti elettriche di
domani
Gabriele Comodi, Francesco Piazza
Università Politecnica delle Marche
La rete elettrica attuale
Caratterizzata da:
1.
Grandi impianti di produzione centralizzati
alimentati da fonti fossili (carbone, gas naturale,
nucleare, …) o rinnovabile (grande idroelettrico)
2.
Rete di trasmissione nazionale ad AT e AAT;
3.
Rete di distribuzione locale (MT-BT):
4.
Utenze finali (BT, MT, AT)
5.
Pensata per un flusso di energia UNIDIREZIONALE
dalla centrale di produzione
all’utente/consumatore finale (RUOLO PASSIVO)
GENERAZIONE DISTRIBUITA
3
La smart grid: ognuno ha la sua visione?
4
La smart grid: ognuno ha la sua visione?
PUNTI IN COMUNE A TUTTI GLI
APPROCCI:
1. Diffusione delle energie rinnovabili
2. Ruolo attivo dei consumatori
5
Le tecnologie coinvolte in tutta la filiera
Smart
Meters
Distributed
Generation
In-Home
Devices
Electric
Vehicles
Dynamic
Rates
Transmission
Distribution
Automation
Generation
6
SMART GRIDS: Prospettive per le rinnovabili
Attualmente il PV è la tecnologia rinnovabile che sta avendo la maggiore crescita globale
(+60%), seguita dall’eolico (+27%) e dai biocombustibili (+18%)
Questi tassi di crescita pongono seri problemi sulla futura stabilità delle reti e sulla futura
affidabilità di produzione.
Infatti, le attuali infrastrutture elettriche non sono pensate per elevati livelli di generazione
da fonti rinnovabili “NON PROGRAMMABILI” che sono intermittenti e di natura variabile
Anche la diffusione delle installazioni di piccola taglia potrebbe creare notevoli problemi se
la loro penetrazione dovesse aumentare. L’attuale rete elettrica, infatti, non è progettata
per supportare un flusso di energia BIDIREZIONALE, cioè la reimmissioni in rete di piccole
quantità di energia da parte di molteplici microproduttori
E’ quindi molto importante garantire una producibilità certa e costante delle fonti
rinnovabili (CAPACITY FIRMING), specialmente nei momenti di picco della domanda.
Questo può essere fatto attraverso l’accumulo dell’energia rinnovabile (energy storage)
La smart grid: Capace di supportare una società ed
una economia dinamica. Il ruolo dei consumatori
Today
There is limited
interaction
Enabling
technologies to
give customers
new information
“Passive
Customer”
Awareness
Enabling
services (joint
utility & EEU)
and prices
Empowering
Customers to
make
behavioral
changes
“Informed Customer”
Acceptance
Customers make
investments in more
energy efficient and
controllable
appliances
Customers
become part of
Smart Grid
“Part of the Energy System”
Use
Ongoing education and engagement is key to facilitating customer acceptance and participation. 8
La smart grid: Capace di supportare una società ed
una economia dinamica. Il ruolo dei consumatori
9
Veicoli elettrici (EV) ed energia
E’ necessario disporre di punti di ricarica (colonnine)
(ricarica effettuata a diversi livelli di potenza, es. USA)
• Level 1 (tipico 2kW)
• Level 2 (tipico 3-20 kW)
• Level 3 (tipico 50 kW, es. CHAdeMO)
Il problema della ricarica degli EV
• Ricarica di un EV:
“presenza di carichi elettrici relativamente grandi per tempi
relativamente lunghi” (es. Level2 paragonabile ad una abitazione)
• Possibili effetti negativi:
– sovraccarichi delle linee e dei dispositivi (dovuti a profili di carico
fortemente alterati);
– problemi di power quality delle reti elettriche (cadute di tensione,
inquinamento armonico, etc.);
– stabilità della rete (l’introduzione massiccia di EV può diminuire lo
smorzamento del sistema);
– richieste di energia concentrate in aree o tempi ristretti;
– …..
Punti di ricarica degli EV
L’utente può (vuole) ricaricare il proprio EV:
• presso una stazione di ricarica
• nel proprio garage
Ricaricare EV nella propria casa
• La casa sta diventando “smart” anche dal punto di vista dell’energia;
• La SmartHome è inserita nel contesto generale delle SmartCity;
• Il sistema elettrico della casa diventerà parte integrante della SmartGrid;
La ricarica domestica di un EV deve essere inserita
nel contesto SmartHome
SmartHome e SmartGrid
SmartHome gestione intelligente dell’energia elettrica
– ridurre complessivamente i consumi (es.: gestione
illuminazione, dispositivi a basso consumo);
– ridurre il costo economico (es. spostare i consumi nelle fasce a
minor costo);
– coordinare i consumi con lo stato della SmartGrid:
(DSM Demand Side Management)
• ridurre i picchi di potenza (es. ridurre contemporaneità);
• utilizzare localmente l’eventuale energia rinnovabile;
• modulare i consumi sullo stato della rete
(es. accensione dei carichi ad orari particolari).
2 strategie sperimentate negli USA
Gestire l’energia nella SmartHome
Direct Load Control (DLC)
controllo diretto dei carichi: l’utente accetta di far spegnere
alcuni carichi elettrici non vitali (es. HVAC) per brevi periodi
(15-30 min), a fronte di un risparmio in bolletta
Gestire l’energia nella SmartHome
Real Time Pricing (RTP)
controllo indiretto dei carichi: il prezzo dell’energia varia
continuamente, l’Home Energy Manager (HEM) ne tiene conto
per ridurre i consumi nei periodi di maggior costo
in Italia già esistono le fasce orarie
Scenario SmartHome Energia
• collegamento a rete pubblica
(acquisto, vendita)
• generazione locale di energia rinnovabile (consumo, vendita)
• accumulo locale di energia,
es. pacco batterie
(carica, scarica, neutro)
• veicolo EV (carica, scarica,
neutro)
• collegamento di carichi
elettrici
(consumo, neutro)
Energia Rinnovabile
esempio impianto PV con SSP in Vallesina
Febbraio 2012
Luglio 2012
sbilanciamento
stagionale
Aprile 2012
Ottobre 2012
Energia Rinnovabile
esempio impianto PV con SSP in Vallesina
19 Feb 2012
10 Ago 2012
scambio
consumo
generazione
sbilanciamento
notte-giorno
Utilizzare efficientemente l’energia
problema di gestione complesso
Algoritmi di gestione nel Home Energy Manager
(acquisto, vendita, accumulo, uso)
Soluzioni innovative anche da campi scientifici diversi:
Computational Intelligence
– Algoritmi adattativi lineari e non lineari;
– Reti Neurali Artificiali e loro derivati (es. ADP);
– Algoritmi di ottimizzazione non convenzionali
(es. genetic, PSO, Ant Colony, etc.);
– Algoritmi di predizione;
– ……..
migliore algoritmo == maggior risparmio ambientale/economico
Problemi di gestione dell’energia
• Energy scheduling/management
gestione ottimale dei flussi di energia (dispositivi, tempo, vincoli)
• Energy & Task scheduling/management
gestione ottimale dei flussi di energia e dei carichi elettrici
“gestibili” (es. lavatrice)
Obiettivi:
• minimizzare il consumo;
• minimizzare il costo;
• massimizzare il consumo di
energia rinnovabile;
• minimizzare la potenza richiesta
alla rete;
• …..
Un Esempio
Gestione dell’energia e dei task di un’abitazione (algoritmo MILP):
• task gestibili e non gestibili;
• gestione batteria;
• gestione energia rinnovabile;
• gestione SSP con prezzi variabili;
• gestione HVAC per confort termico;
• gestione di tutti i vincoli. F TABLE VIII
IEEE TRANSACTION ON INDUSTRIAL INFORMATICS - SPECIAL SECTION ON SMART GRID
8
IRST SCHEDULING
ID
P r i or i t y
T a sk 1
11
3
T a sk 2
12
3
T a sk 3
T a sk 4
13
21
3
1
T a sk 5
31
T a sk 6
32
H ea t pu m p
−
Ch
Dh
s1
s2
s3
s4
s5
s6
s7
s8
s9
s10
1
◦
◦
◦
×
×
×
◦
◦
◦
◦
×
×
•
◦
◦
•
×
×
◦
•
◦
•
×
×
◦
◦
•
◦
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
•
◦
×
×
×
×
◦
•
×
×
×
×
◦
◦
×
×
×
×
×
×
−
891
891
400
891
400
400
400
400
400
0
−
−
0
0
0
0
0
851
0
0
212
0
−
−
−
885
528
44
0
43
0
18
544
0
0
P
T
−
800
1
a f t er I D 11
1000
1
a f t er I D 12
−
900
1500
1
2
3
−
1000
1
3
1200
−
a f t er I D 31
−
−
1
−
−
1
−
L ink
SL
1
−
−
−
−
1115
587
543
543
500
1351
1333
788
1000
1000
R t ask
−
−
−
−
−
0
0
828
270
857
0
1000
656
0
0
R st or e
R sel l
−
−
−
−
−
0
0
0
0
0
851
0
0
212
0
−
−
−
−
−
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
R h ea t p u m p
R t ot
−
−
−
−
−
6
363
0
891
400
400
191
400
400
0
−
−
−
−
−
6
363
828
1161
1257
1251
1191
1056
612
0
E n cost
−
−
−
−
−
6. 58
5. 70
5. 61
5.60
6.12
5. 99
5. 09
5. 37
5. 53
6. 53
I en
−
−
−
−
−
0
0
1828
2230
0
0
191
0
0
0
L oa d
−
−
−
−
−
891
891
2700
3391
1300
400
1400
1600
400
0
miglioramenti consistenti (>20%)
rispetto alla gestione euristica
TABLE IX
S CHEDULING AFTER THE FIRST INTERRUPT
Conclusioni
SmartGrid – SmartHome – Mobilità Sostenibile
parti della stessa soluzione al problema ambientale
• molti problemi aperti:
–
–
–
–
–
–
–
–
gestione energie rinnovabili su base stagionale;
interoperabilità dei dispositivi (es. marche diverse, protocolli diversi);
algoritmi di gestione;
convenienza economica (es. costo di installazione elevato);
accesso al credito e alle agevolazioni;
quadro normativo;
volontà/interesse (anche politico);
…….
