I sistemi di distribuzione della corrente elettrica, spesso indicati come reti elettriche, sono stati la fonte principale di elettricità a livello mondiale dalla fine del XIX secolo. Quando sono state create, i principi operativi di queste reti elettriche erano piuttosto semplici: generare elettricità e inviarla ad abitazioni, edifici e ovunque ve ne fosse domanda.
L'aumento della domanda di elettricità comporta la necessità di reti elettriche più efficienti. I moderni sistemi di distribuzione tramite "reti intelligenti" utilizzati in tutto il mondo si basano su tecnologie all'avanguardia per ottimizzare l'efficienza. Questo articolo illustra la definizione di rete intelligente e la tecnologia principale che le rende intelligenti.
Che cos'è la tecnologia delle reti intelligenti
Una rete intelligente è un'infrastruttura di distribuzione dell'energia elettrica che consente la comunicazione bidirezionale tra la società di servizi e i clienti. Le tecnologie digitali che contribuiscono alla tecnologia delle reti intelligenti includono sensori di corrente e di potenza, controlli, data center e contatori intelligenti.
Alcune di queste reti sono più intelligenti di altre. Molti paesi stanno lavorando con impegno e in modo mirato per trasformare le reti di distribuzione elettrica antiquate in reti intelligenti, ma il processo di adozione è complesso e richiede diversi anni, se non decenni.
Esempi di tecnologia e componenti delle reti intelligenti
Contatori intelligenti. Sono il primo passo verso la creazione di una rete intelligente. I contatori intelligenti forniscono dati sul consumo energetico nel punto di utilizzo sia al consumatore che alla società di servizi pubblici. Tali informazioni sui consumi e sui costi avvisano i consumatori aiutandoli a ridurre gli sprechi di corrente e permettono ai fornitori di ottimizzare i carichi di distribuzione sulla rete.
I contatori intelligenti sono generalmente costituiti da tre sottosistemi principali: il sistema elettrico che misura il consumo di corrente, un microcontroller per la gestione della tecnologia all'interno del contatore intelligente e il sistema di comunicazione che trasmette e riceve i dati sul consumo e le istruzioni. Alcuni contatori intelligenti possono contenere energia di riserva, utile in caso di interruzione della corrente sulla linea di distribuzione principale, e moduli GSM per individuare la posizione del contatore ai fini della sicurezza.
Negli ultimi dieci anni gli investimenti globali in contatori intelligenti sono raddoppiati. Nel 2014, l'investimento annuo globale in contatori intelligenti ammontava a 11 milioni di dollari. Considerando i guadagni in termini di efficienza del sistema derivanti dall'implementazione di contatori intelligenti, nel 2019 l'investimento globale in contatori intelligenti ha raggiunto i 21 milioni di dollari, secondo Statista.
Interruttori intelligenti per il controllo del carico e quadri elettrici. Sebbene in grado di fornire dati in tempo reale ai fornitori di servizi pubblici, i contatori intelligenti non controllano automaticamente la distribuzione dell'energia. Per ottimizzare la distribuzione durante i picchi di utilizzo o in regioni specifiche, le società elettriche utilizzano dispositivi di gestione della potenza, come interruttori intelligenti di controllo del carico e quadri elettrici. Questa tecnologia consente di risparmiare notevoli quantità di energia riducendo la distribuzione non necessaria o gestendo automaticamente i carichi che hanno superato i limiti di utilizzo consentiti. In poche parole, gli interruttori intelligenti di controllo del carico sono in grado di attivare e disattivare in modo intelligente la distribuzione della corrente nel punto di utilizzo per ottimizzare la distribuzione complessiva nel sistema e l'efficienza dei consumi.
Ad esempio, la città di Wadsworth, in Ohio, utilizza un sistema di distribuzione elettrica costruito nel 1916. In collaborazione con Itron, produttore di interruttori intelligenti per il controllo del carico (SLCS), Wadsworth è riuscita a ridurre i consumi del sistema di 5.300 megawatt-ora installando interruttori SLCS nelle abitazioni per organizzare in cicli l'uso del compressore dell'aria condizionata durante i picchi di domanda.
Automazione del sistema elettrico. L'automazione del sistema elettrico è possibile grazie alle tecnologie delle reti intelligenti che utilizzano infrastrutture informatiche all'avanguardia per controllare ogni fase della catena di distribuzione dell'energia. Ad esempio, un sistema elettrico automatizzato utilizza sistemi di acquisizione dati intelligenti, come i contatori intelligenti, sistemi di controllo della potenza, come gli interruttori intelligenti di controllo del carico, strumenti analitici, sistemi computazionali e algoritmi per sistemi elettrici. La combinazione di questi componenti critici consente a una o più reti di regolarsi e ottimizzarsi in modo autonomo con un'interazione limitata da parte dell'uomo.
Abilitazione di una rete intelligente
Quando la comunicazione digitale bidirezionale e la tecnologia dell'automazione vengono implementate all'interno di una rete intelligente, è possibile massimizzare l'efficienza della rete operando diversi cambiamenti infrastrutturali. L'implementazione delle reti intelligenti consente di apportare le seguenti modifiche alle infrastrutture:
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1. Produzione energetica decentralizzata
Poiché le reti intelligenti sono in grado di monitorare e controllare continuamente la distribuzione dell'energia, non è più necessario che la corrente venga generata da un'unica grande centrale elettrica. Piuttosto, la corrente può essere generata da molti siti decentralizzati, come turbine eoliche, fattorie solari, pannelli fotovoltaici residenziali, piccole dighe idroelettriche e così via.
2. Mercati decentralizzati
L'infrastruttura di rete intelligente consente inoltre di collegare più reti come mezzo per condividere l'energia in modo intelligente tra i sistemi centralizzati tradizionali. Ad esempio, i comuni hanno da sempre impianti di produzione indipendenti che non sono collegati a quelli dei comuni adiacenti. Con l'implementazione di un'infrastruttura di rete intelligente, i comuni possono contribuire a programmi di produzione condivisi per eliminare le dipendenze dalla produzione in caso di interruzione della corrente.
3. Trasmissione su scala ridotta
Una delle maggiori cause di spreco dell'energia nelle reti elettriche è la distribuzione su grandi distanze. Considerando la decentralizzazione della produzione e del mercato consentita dalle reti intelligenti, le distanze nette di distribuzione all'interno di una rete intelligente si riducono drasticamente, riducendo così anche gli sprechi dovuti alla distribuzione.
Immaginiamo, ad esempio, una piccola fattoria solare di quartiere che possa soddisfare il 100% della domanda elettrica diurna del quartiere e che si trovi a 1 km dallo stesso. Se la fattoria solare locale non esistesse, il quartiere potrebbe dover ricevere l'elettricità da una grande centrale elettrica a 100 km di distanza. La perdita di energia osservata durante la trasmissione dell'elettricità dalla centrale elettrica lontana può essere cento volte superiore alla perdita di trasmissione osservata dalla fattoria solare locale.
4. Distribuzione bidirezionale
Nell'esempio della fattoria solare locale, è possibile uno scenario in cui questa generi più corrente di quella consumata dal quartiere. Si crea un surplus di energia. La corrente in eccesso può quindi essere distribuita nella rete intelligente e contribuire a ridurre la domanda per la lontana centrale elettrica.
In questo scenario, durante il giorno la corrente fluisce dalla fattoria solare alla rete principale, non di quartiere, mentre quando la fattoria solare non è attiva la corrente fluisce dalla rete principale al quartiere. Questo flusso di corrente bidirezionale può essere monitorato e ottimizzato da algoritmi di distribuzione della potenza per ridurre al minimo lo spreco di energia in qualsiasi momento durante l'uso.
5. Partecipazione dei consumatori
In un'infrastruttura di rete intelligente con distribuzione bidirezionale e confini della rete decentralizzati, i consumatori possono agire come micro-generatori. Ad esempio, le singole abitazioni possono essere dotate di sistemi fotovoltaici indipendenti in grado di generare corrente nel punto di utilizzo. Se la corrente generata dal sistema fotovoltaico residenziale è in eccesso, può essere trasferita nella rete elettrica principale, riducendo così ulteriormente la domanda per le grandi centrali elettriche centralizzate.
Importanza delle reti intelligenti
Le reti intelligenti sono fondamentali per la riduzione del consumo energetico a livello macroeconomico. Molte società di servizi e governi locali offrono incentivi generosi per la partecipazione all'adozione di reti intelligenti, perché offre vantaggi sia economici che ambientali. L'adozione di reti intelligenti consente di democratizzare la produzione di energia, eliminando il rischio di interruzioni di corrente, riducendo i costi operativi dei sistemi elettrici ed eliminando inutili sprechi di energia.
