Smart grid

3.1 Introduzione

Nella Città del futuro, la smart grid è una forma di tecnologia digitale che permette la comunicazione bidirezionale tra cliente e utility attraverso le linee di trasmissione dell’energia ²⁴. Simile al modo in cui funziona internet, la Smart Grid è costituita da apparecchiature interconnesse, tecnologie automatizzate e computer che interagiscono sulla rete elettrica per adattarsi e rispondere alle richieste di energia ²⁴.

Aumentare l’efficienza energetica e accelerare la produzione di energia rinnovabile rappresenta una delle massime priorità per le persone e le organizzazioni di tutto il mondo ^25–28. Per raggiungere questo obiettivo, l’implementazione di sistemi Smart Grid gioca un ruolo importante in quanto non comporta necessariamente la sostituzione della rete esistente, ma combina elementi hardware e software per migliorare significativamente il modo in cui il sistema attuale sta funzionando, offrendo anche la possibilità di ulteriori aggiornamenti ^29–32.

Le Smart Grid possono fornire elettricità usando la tecnologia digitale e possono anche integrare l’energia rinnovabile dando la possibilità ai consumatori di ridurre il loro consumo durante le ore di punta adattando la quantità presa dalla rete alle esigenze personali ^25,29. Pertanto, la tecnologia Smart Grid può rivoluzionare l’industria abbassando il consumo di energia fino al 30%, il che riduce anche la necessità di costruire nuove centrali elettriche ³³.

Visto che i combustibili fossili sono dannosi per l’ambiente e inquinano non solo l’aria, ma anche il suolo, l’acqua, la vegetazione e gli edifici, le fonti di energia rinnovabile come l’energia solare ed eolica sono sempre più utilizzate ai nostri giorni perché sono ecologiche rispetto alle fonti di energia convenzionali ³⁴. Tuttavia, poiché le fonti di energia rinnovabile sono intermittenti, le Smart Grid sono essenziali per la loro flessibilità, per la compatibilità con l’infrastruttura esistente, così come per la sicurezza e l’alta efficienza ³³.

L’implementazione dei sistemi Smart Grid gioca un ruolo importante in quanto non comporta necessariamente la sostituzione della rete esistente, ma combina elementi hardware e software per migliorare significativamente il modo in cui il sistema attuale sta funzionando, offrendo anche la possibilità di ulteriori aggiornamenti ^29–32.

Fonte: https://blog.phoenixcontact.com/marketing-sea/2017/04/smart-grids-how-automation-empowers-the-future-of-electricity/

3.2 Internet of Things

Internet of Things (IoT), è un paradigma recente che si riferisce ai miliardi di oggetti fisici connessi a Internet che raccolgono e scambiano dati in tutto il mondo ³⁵. L’obiettivo dell’The Internet of Things è di disporre di oggetti quotidiani dotati di microcontrollori e trasmettitori che consentano la comunicazione tra di loro e con l’utente ^36,37.

Nella Città del futuro, l’Internet delle cose può ottimizzare la gestione dei servizi pubblici convenzionali come il trasporto e il parcheggio, la manutenzione degli spazi pubblici, l’igiene e la sicurezza ³⁷. Inoltre, l’Internet of Things può essere usato per creare nuovi servizi, migliorare la trasparenza governativa e aumentare la consapevolezza dei cittadini sullo stato della loro città ³⁸.

L’Internet of Things (IoT) può portare benefici in tre aree di impatto principali ³⁹:

• Trasporto,
• Cittadini,
• Servizi.

Quando si progetta l’architettura per l’Internet of Things nella Città del futuro, esistono due approcci differenti ⁴⁰:

1. Approccio evolutivo,
2. Approccio “clean-slate”.

L’approccio evolutivo riguarda la modifica della struttura attuale della rete e il riutilizzo di quanti più elementi possibile dei sistemi esistenti. L’approccio clean-slate, invece, riguarda la creazione e la riconfigurazione totale della rete senza considerare la struttura esistente. ³⁹

Fonte: http://comtech2.com/internet-of-things/

3.3 Transizione alla Smart Grid

The city of the Future is built on top of multiple pillars that have a crucial role in the transition towards a sustainable urban lifestyle, namely governance, transportation, economy and energy ⁴¹.

Crating a smart City of the Future is natural outcome that arises from the Smart Grid, the energy infrastructure being system being one of the most important components that help a city be sustainable and create a cleaner environment for its residents ^41–43.

Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid

3.4 Microgrid

Le microgrid sono una tipologia di sistemi energetici decentralizzati e autosufficienti che supportano un’area relativamente ridotta, come quartieri, complessi ospedalieri e campus ^44,45. Le microgrid sono alimentate da uno o più tipi di energia distribuita, come i generatori eolici e solari in combinazione con impianti di stoccaggio dell’energia ⁴⁵.

Le reti tradizionali spostano l’elettricità da un punto centrale attraverso grandi distanze attraverso linee di trasmissione e distribuzione che possono portare a una perdita di potenza tra l’8 e il 15% ⁴⁵. Le microgrid, invece, evitano questo spreco di energia generando elettricità vicino ai consumatori. Inoltre, le microgrid sono in grado di disconnettersi dalla rete principale e funzionare in modo indipendente. Questo permette che continuino a fornire elettricità ai loro consumatori nel caso di una perdita di potenza causata da disastri naturali ⁴⁵. Inoltre, le microgrid hanno controlli di sistema avanzati che supervisionano e gestiscono tutte le singole parti come i generatori e le batterie ^45,46.

Una delle caratteristiche più importanti di una microgrid è la flessibilità. Questo significa che – attraverso i controllori di sistema avanzati – è possibile gestire l’aggiunta di nuovi elementi come consumatori extra, generazione o unità di stoccaggio, senza perdere l’affidabilità del sistema ^31,43,47.

Fonte: https://microgrid-symposiums.org/wp-content/uploads/2019/07/Americas1-X_Dobriansky_20190727.pdf

3.5 Ottimizzazione energetica

L’ottimizzazione dell’energia indica le modalità di utilizzo dell’energia al fine di ottimizzare i vantaggi per le persone e l’ambiente.

Quando il sistema elettrico fu costruito, l’affidabilità era garantita dall’eccesso di capacità del sistema e dalla presenza di un flusso di energia nella sola direzione dalle centrali al consumatore ⁴⁸. Al giorno d’oggi, tuttavia, l’aumento della popolazione e della domanda di energia ha portato a un sistema instabile e inefficiente ⁴⁹.

Questo è il motivo per cui, nella Città del futuro, è necessaria un’efficace gestione e monitoraggio in tempo reale della rete. Questo si può ottenere attraverso i seguenti meccanismi e tecnologie ⁴⁸:

• Contatori intelligenti
• Apparecchi intelligenti
• Gestione Demand Side
• Prezzi dinamici in tempo reale
• Gestione efficiente delle fonti di energia (convenzionale e rinnovabile)
• Gestione efficiente dell’eccesso di potenza

Le Smart Grid possono essere utilizzate in modo efficiente con il coordinamento degli elettrodomestici utilizzati da ogni famiglia, così come con la gestione dei carichi di picco ⁵⁰.. Un modo per farlo è l’implementazione di reti di sensori in grado di comunicare tra loro in ogni momento insieme a un algoritmo di gestione dell’energia ICT, in grado di controllare e monitorare molti tipi di reti energetiche come la Smart Grid basata sul web (o Smart Grid 2.0) ⁵¹. L’uso di reti di sensori interconnessi porta al concetto di Internet of Energy dove la rete è considerata una rete di comunicazione dati composta da reti di aree domestiche, aree di vicinato e aree estese ⁵².

Fonte: https://www.kamstrup.com/en-en/electricity-solutions

3.6 Risorse di energia distribuita

Le risorse energetiche distribuite sono direttamente collegate alle reti di generazione di energia a bassa e a media tensione e contengono unità di generazione di energia, così come tecnologie di stoccaggio dell’energia ⁵³.. Sono un’alternativa economica alle grandi centrali elettriche e alle linee di trasmissione ad alta tensione, poiché offrono indipendenza energetica, alta efficienza energetica e maggiore affidabilità del sistema ⁵⁴.

I sistemi energetici distribuiti garantiscono flessibilità, vicinanza e capacità di collegamento in rete per affrontare la sfida dello sviluppo sostenibile. La scalabilità e la capacità di impiegare diverse tecnologie di conversione energetica e combustibili sono anche legate alla flessibilità dei sistemi energetici distribuiti ⁵⁵.

I quattro principali vantaggi di avere risorse energetiche distribuite sono i seguenti ⁵³:

• Maggiore efficienza energetica
• Riduzione delle emissioni di gas serra
• Minimizzazione dei rischi per la salute
• Conservazione delle risorse

Fonte: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032109002561