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Generazione distribuita e reti intelligenti: cos’è la Smart Grid?

Tra le nuove idee ci sono la generazione di energia distribuita, l’uso diffuso di fonti rinnovabili, l’uso di auto elettriche e altre..

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Una rete elettrica intelligente, conosciuta come Smart Grid, offre proposte innovative che cambiano profondamente il modo in cui l’energia viene fornita dalla generazione al consumatore finale. Tra le nuove proposte, le più importanti sono la generazione di energia distribuita, l’uso diffuso di fonti rinnovabili, l’uso di auto elettriche, un intenso monitoraggio della rete elettrica, l’uso di contatori intelligenti, tra gli altri. Con le reti elettriche intelligenti, il consumatore diventa una parte fondamentale del funzionamento e del controllo della rete elettrica.

I consumatori, che nel sistema tradizionale consumano solo energia, possono anche avere il ruolo di produttore di energia elettrica in questo nuovo modello. Inoltre, i contatori intelligenti situati nelle case generano un’enorme quantità di informazioni che possono essere utilizzate per gestire e controllare il sistema. Pertanto, affinché lo sviluppo della rete intelligente sia possibile, l’intelligenza e le tecnologie, prima esistenti solo in parte nel sistema elettrico di potenza (SEP), diventano essenziali dalla generazione al consumatore finale. Una conseguenza di questo processo è che le reti di comunicazione diventeranno un elemento critico nell’affrontare questo grande sistema distribuito.

La generazione distribuita (GD), oltre a essere un settore chiave per la sostenibilità e la generazione di energia pulita, ha un impatto importante sull’intero sistema di trasmissione e distribuzione, poiché cambia il concetto dell’attuale sistema diventando un argomento chiave di alta criticità. Infatti, con l’avvento di queste nuove tecnologie di generazione di energia distribuita, le reti elettriche e di comunicazione collegheranno milioni di fonti energetiche rinnovabili la cui produzione è variabile.

Le centrali idroelettriche che non hanno un serbatoio, la generazione di energia eolica che dipende dalla presenza del vento e la generazione di energia solare che dipende dall’incidenza solare sono esempi in cui la generazione di energia sarà esposta a variazioni climatiche incontrollabili. Ciò porta ad un’operazione intermittente di generazione di energia elettrica, che funzionerà in alcuni momenti e in altri no.

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Al fine di fornire la crescita della domanda di elettricità attuale e futura, l’attenzione è focalizzata sulla generazione distribuita (GD). La GD è diventata una fonte di energia complementare per la generazione centralizzata, ha acquisito grande spazio nei sistemi di distribuzione. Inoltre, grandi impianti comportano costi elevati, grande emissione di gas serra e difficoltà nell’ottenere autorizzazioni ambientali, fattori che hanno aumentato l’uso di risorse da fonti rinnovabili GD (eolico, solare e acqua).

D’altra parte, l’insufficiente integrazione della GD può provocare effetti negativi, come un aumento delle perdite, inadeguato funzionamento della protezione dovuto ai flussi di potenza bidirezionali. Quindi il corretto dimensionamento e la posizione possono portare con sé riduzione delle perdite, miglioramento del profilo di tensione, aumento di affidabilità e minori rischi di investimento.

L’articolo si propone di dare una panoramica della GD introducendo alcuni concetti base.

Generazione distribuita

I problemi del sistema elettrico tradizionale hanno portato alla necessità di modernizzare il sistema elettrico di potenza (SEP), che ha dato origine a nuovi concetti ed elementi, costituendo le reti elettriche intelligenti o Smart Grids. L’emergere di reti intelligenti ha causato una grande rivoluzione nelle reti elettriche, aumentando i guadagni in termini di affidabilità, efficienza energetica, partecipazione dei consumatori e generazione di energia più pulita. Tale rivoluzione sta avvenendo perché le reti elettriche intelligenti si basano su concetti come il monitoraggio intelligente e la trasmissione di flussi di comunicazione e di energia in modo bidirezionale.

In questo scenario, il consumatore può utilizzare, generare e vendere energia essendo allo stesso tempo un consumatore e un produttore di energia. Questi concetti consentiranno un ripristino rapido e automatico della rete elettrica in caso di problemi che potrebbero causare possibili blackout. La figura 1 illustra le principali differenze della rete elettrica tradizionale con il flusso di energia unidirezionale e rete elettrica intelligente con flussi di alimentazione e comunicazione bidirezionali e con l’inclusione di nuovi concetti.

Sistema elettrico tradizionale

Un punto importante è che questo nuovo sistema elettrico dipende da una sofisticata infrastruttura di rete di comunicazione per supportare la comunicazione tra i dispositivi intelligenti che monitorano e agiscono sulla rete. Inoltre, è necessario sostenere le aziende e gli utenti della distribuzione di energia, che possono consumare o generare energia.

Emergono nuove esigenze, come aumentare l’affidabilità della rete, aumentare l’efficienza operativa della rete, migliorare la qualità per il consumatore e aumentare la varietà di servizi forniti. Tuttavia, tutti questi miglioramenti comportano sfide diverse per le reti di comunicazione. Conoscere i problemi del sistema tradizionale, la visione del sistema elettrico e come questo nuovo modello cambia il sistema, aiuta a capire queste sfide e le loro possibilità di soluzione.

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La fornitura di energia elettrica al cliente finale viene fornita in modo gerarchico, cioè l’elettricità viene trasmessa da impianti di grandi dimensioni, trasportata da linee di trasmissione e distribuita da sottostazioni, reti primarie e secondarie. I sistemi di distribuzione di energia elettrica svolgono la funzione di fornire energia con qualità a ciascuno degli utenti appartenenti alla rete. Sulla base degli aspetti sopra riportati, esiste un sistema elettrico centralizzato, come indicato nella figura 1.

Tuttavia, la crescita costante della domanda di energia incoraggia la ricerca di nuove forme di produzione di elettricità vicino al carico, poiché un sistema di grandi dimensioni potrebbe presentare maggiori difficoltà nel fornire energia con qualità e alti livelli di affidabilità. Oltre a questo lo sviluppo delle tecnologie di generazione da fonte rinnovabile e di microgenerazione, nasce il concetto di generazione distribuita (GD). Generando elettricità il più vicino possibile alla domanda, questa GD consente di ottenere benefici come: riduzione termica nelle apparecchiature di distribuzione, ritardare gli investimenti per il rinforzo o l’implementazione di nuovi sistemi, migliorare i livelli di tensione, ridurre le perdite di energia e potenza e ridurre i costi a causa di perdite nei sistemi di trasmissione e distribuzione.

Lo schema di generazione centralizzato cambia a causa della presenza di GD nei diversi punti del sistema (alta, media o bassa tensione). La corretta integrazione di GD è un passo per realizzare reti di distribuzione attive, che assolvano la funzione di collegare in modo efficiente le fonti di energia con il carico. Il lavoro di ricerca dell’ubicazione e del dimensionamento della (GD) implica una grande complessità a causa del numero di variabili coinvolte, ma è essenziale disporre di una rete con GD che funzioni in modo ottimale.

Con la generazione di elettricità con risorse rinnovabili, le piccole unità produttive sono collegate a sistemi di distribuzione a bassa o media tensione. Questi impianti di generazione che usano fonti rinnovabili introducono fenomeni nella qualità della potenza nei sistemi di distribuzione, che in precedenza apparivano solo nei livelli di alta tensione.

Per le nuove forme di produzione di energia, che sono collegate alle reti di distribuzione, vengono utilizzate diverse terminologie tra cui: generazione inserita, generazione distribuita, generazione su piccola scala, fonti con energie rinnovabili e risorse energetiche distribuite. Attualmente non esiste un’unica definizione di GD in quanto dipende da molti fattori quali: grandezza della potenza generata, tipo di tecnologia, connessione o meno alla rete, ecc. I concetti necessari per lavorare con le reti che integrano GD sono i seguenti:

Generazione dispersa: generatori molto piccoli, della dimensione necessaria per alimentare il consumo residenziale o per piccole aziende, tipicamente tra 10 e 250 kW e collegati negli impianti dei consumatori o isolati dalle reti.

Generazione distribuita

  • Generatori di piccole dimensioni tipicamente tra 15 kW e 10 MW sparsi in sistemi elettrici che possono o meno essere collegati alla rete.
  • Fonte di energia elettrica collegata direttamente alla rete di distribuzione o alle strutture dei consumatori. Propongono anche una classificazione della DG secondo le sue dimensioni:
  1. Micro GD: 1 W <potenza < 5 kW.
  2. Piccola GD: 5 kW <potenza < 5 MW.
  3. GD media: 5 MW ≤ potenza < 50 MW.
  4. Grande GD: 50 MW ≤ potenza < 300 MW.

Possiamo affermare che la GD è una generazione di energia elettrica su piccola scala vicina al consumatore. La GD non implica necessariamente che l’energia prodotta debba essere ottenuta da risorse rinnovabili. Ci sono unità della GD che richiedono risorse fossili come fonte primaria.

Tecnologie utilizzate nella generazione distribuita

Il concetto di GD non riguarda solo la generazione con fonti pulite. Va notato che quando si parla di energia pulita, non si tratta solo di fonti di generazione che non causano impatto ambientale. In realtà, queste sono fonti di generazione di energia che non rilasciano sostanze inquinanti nell’atmosfera.

Tra le forme di energia che soddisfano questi requisiti sono: energia eolica, energia solare, energia delle maree, energia geotermica, energia idroelettrica, ecc. Questi possono anche essere separati in energie rinnovabili intermittenti o non variabili. Le fonti energetiche non rinnovabili come il nucleare per natura non sono variabili. La generazione di energia distribuita sta guadagnando slancio con le generazioni rinnovabili, ma ha ancora la generazione tradizionale. Esempi di tipi e tecnologie di generazione distribuita sono:

  • Celle combustibili
  • Pannelli solari fotovoltaici
  • Impianti fotovoltaici collegati alla rete
  • Microturbine a gas

Ognuna delle soluzioni presenta vantaggi e svantaggi

Attualmente, il rendimento delle grandi centrali elettriche è dell’ordine del 28-35%. Rispetto alle prestazioni presentate dalle microturbine nella generazione distribuita, che spesso raggiungono valori vicini al 40%, sono molto inefficienti. Nonostante evidenti i vantaggi dell’installazione della generazione distribuita, questo confronto non è il più appropriato in quanto le grandi centrali elettriche hanno impianti di 20 o più mentre i sistemi di generazione distribuita presentano tecnologie molto più recenti con funzionamento e manutenzione ottimizzato.

Per effettuare un confronto economico finanziario imparziale, è necessario confrontare il costo dell’investimento per la costruzione di un’unità di produzione locale rispetto al valore pagato al distributore per kWh. Per quanto riguarda livelli simili di evoluzione tecnologica, è fondamentale tenere conto dell’efficienza termica dovuta alle dimensioni del generatore e al numero di unità. È dimostrato che maggiore è la dimensione di un generatore, minori sono le perdite nel processo di conversione e, di conseguenza, maggiore è l’efficienza.

Nel caso di un numero di unità installate, possiamo senz’altro dire che alcuni costi di installazione/manutenzione sono identici per il funzionamento con un’unità o più, ma nella seconda ipotesi questi stessi costi finiscono per essere divisi da ciascuno. Analizzando solo i dati di cui sopra, si può concludere che, rispetto a livelli tecnologici equivalenti, le grandi centrali elettriche hanno un valore leggermente inferiore per kWh per la loro costruzione. Quando si tratta di GD, non si può solo analizzare l’efficienza energetica della generazione, ma anche il costo per mantenere l’operazione. In alcuni scenari, il ridimensionamento non determina un aumento significativo dell’efficienza, migliorando ulteriormente i vantaggi della generazione distribuita.

Conclusioni

Con l’avvento della generazione distribuita, sarà possibile mitigare anche i possibili effetti dell’incertezza della domanda. La GD si estende, in misura maggiore o minore, in tutto il mondo. Ci sono diversi fattori che influenzano in modo significativo lo sviluppo e l’implementazione di queste tecnologie.

Tra questi, possiamo evidenziare la disponibilità di risorse – esistenza di depositi geotermici, aree ad alta radiazione solare, foreste e risorse agricole, giacimenti di gas naturale, ecc., le caratteristiche fisiche del paese – estensione, complessità orografica, isole, aree rurali, ecc. – e fattori economici, sociali e politici – presupposti e bisogni, grado di liberalizzazione del mercato, aiuti da amministrazioni pubbliche, impegni ambientali, ecc. Allo stesso modo, il livello di maturità tecnologica delle diverse risorse è un fattore chiaramente determinante nella sua evoluzione futura.


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