MICROGRID: EVOLUZIONE E GESTIONE DELL’ENERGIA

Introduzione

L’uso eccessivo di combustibili fossili per la produzione di energia elettrica sta causando problemi ambientali a livello globale. Tutti i Paesi riconoscono la necessità di proteggere il pianeta dai cambiamenti climatici, motivo per cui stanno cooperando per ridurre le emissioni di CO₂ e stabilizzare il riscaldamento globale entro i 1,5-2 °C.

Per fare ciò, nei prossimi anni, è prevista la realizzazione di una serie di programmi che mirano a raggiungere la decarbonizzazione dell’energia, a mitigare i cambiamenti climatici e a promuovere città intelligenti, mantenendo al contempo lo sviluppo economico.  Come è ormai assodato in letteratura, tali obbiettivi sono più facilmente perseguibili incentivando la promozione delle energie rinnovabili; tra queste l’eolico, il solare, l’idroelettrico, il riutilizzo delle biomasse, la geotermia e l’energia marina sono quelle considerate come più pulite, più reperibili e potenzialmente illimitate.

Tuttavia, l’integrazione di nuove fonti di generazione all’interno delle reti elettriche tradizionali comporta sfide tecniche ed economiche per mantenere la stabilità e massimizzare la redditività finanziaria.

L’obbiettivo di un utilizzo massiccio di queste fonti energetiche determina infatti una problematica nella gestione e nel coordinamento della trasmissione dell’energia elettrica poiché tali fonti locali producono energia spesso in maniera discontinua e a diverse scale di potenza e tensione, necessitando una conversione prima di poterla immettere nella rete primaria. Il metodo di gestione della rete globale necessita quindi di essere rivisto, in modo da prevedere e sostenere l’aumento di questi sistemi di generazione distribuita (distributed generation – DG) che andranno in futuro a sostituire i grandi generatori di energia, come le centrali a carbone e a metano.

Una soluzione a tutto ciò è rappresentata dalle microgrids (MG, in italiano microreti), ovvero porzioni ristrette di rete che interconnettono carichi elettrici e fonti di generazione distribuita così da avere la capacità di operare sia autonomamente (nella modalità cosiddetta “ad isola”) che in connessione alla rete elettrica nazionale, in base alle condizioni fisiche ed economiche del momento. Esse consentono infatti un controllo e un coordinamento localizzato delle risorse energetiche rinnovabili che risultano così installate vicino ai consumatori finali, permettendo un miglior efficientamento dell’intera gestione dell’energia, riducendo al minimo le perdite di trasporto e assicurando la fornitura di energia in caso di guasto alla rete primaria. Quest’ultimo aspetto, definito in inglese UPS – Uninterrupted Power Supply, è particolarmente importante nelle aree remote come nelle zone rurali o nelle isole e in complessi di importanza strategica come strutture militari e sanitarie.

In questo articolo andremo a vedere quali sono le tipologie di microreti esistenti, come si controllano e come si stanno sviluppando sul nostro territorio. Prima però cerchiamo di capire meglio quali sono i componenti principali che le compongono.

Componenti di una Microgrid

Una microrete è quindi un sistema multisorgente che combina:

• Vari generatori distribuiti (DG), tra cui le fonti di energia rinnovabili, come le microturbine eoliche e il fotovoltaico, la cogenerazione di calore ed energia, le celle a combustibile (Fuel Cells, FC) e i generatori classici (monofase, trifase a induzione e sincroni). La tecnologia delle celle a combustibile è una delle più promettenti per la sua elevata efficienza, modularità, scalabilità e basse emissioni inquinanti. Tra queste le tipologie più comuni sono: FC a membrana a scambio protonico (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC), FC alcalina (AFC), FC ad acido fosforico (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC), FC a carbonato fuso (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC), FC a ossido solido (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC) e FC a metanolo diretto (Direct Methanol Fuel Cell – DMFC).
• Sistemi di accumulo dell’energia (Energy Storage Systems – ESS): svolgono diverse funzioni fondamentali, tra cui garantire la qualità dell’alimentazione, compresa la regolazione della frequenza e della tensione, regolare la produzione delle fonti di energia rinnovabili e creare una riserva di energia, cruciale nell’ottimizzazione dei costi. Il sistema può sfruttare diverse tecnologie come l’accumulo chimico, elettrico, a pressione, gravitazionale, a volano e termico. Quando in una microgrid sono disponibili più accumulatori di energia con diverse capacità è preferibile coordinare la loro carica e scarica in modo che gli accumulatori di energia più piccoli non si scarichino/carichino più velocemente di quelli con capacità maggiori. Se si utilizzano più sistemi di accumulo di energia (anche con tecnologie diverse) e questi sono controllati da un’unica unità di supervisione (un sistema di gestione dell’energia – EMS), un controllo gerarchico basato su un’architettura master/slave può garantire le migliori operazioni, in particolare in modalità isolata.
• I carichi (controllabili e non controllabili): una microgrid può alimentare diversi tipi di utenze, come quelle residenziali, commerciali e industriali. In generale, le utenze commerciali e industriali sono carichi cruciali che richiedono un’elevata qualità e affidabilità dell’energia. Pertanto, la microgrid deve gestire i carichi svolgendo i seguenti compiti:
• Monitoraggio, analisi e previsione del carico.
• Bilanciamento del carico e risposta alla domanda.
• La riduzione del carico per i carichi non cruciali in modo da soddisfare l’importazione/esportazione netta di energia in modalità on-grid.
• Stabilizzazione della tensione e della frequenza in modalità isolata.
• Miglioramento della qualità dell’energia e dell’affidabilità dei carichi critici.
• Programmazione dei carichi e pianificazione delle risorse per un funzionamento resiliente.
• Sistemi di interfacciamento: la maggior parte dei sistemi di generazione dell’energia hanno bisogno di un convertitore per rendere la loro potenza di uscita compatibile con le richieste degli utilizzatori. Oltre a ciò, sono necessari anche filtri, elementi di misura e sistemi di protezione.
• Sistemi di gestione, controllo e misura: questi apparati consentono all’utente di gestire e supervisionare le sorgenti e i sistemi di accumulo. Per essere efficaci hanno bisogno di ricevere costantemente i dati da tutti i vari elementi che compongono la microrete.

Tipologie di Microgrid

Le microreti sono classificate secondo diversi aspetti, dal tipo di corrente utilizzata nella rete interna, alla grandezza della rete o in base all’applicazione per cui è progettata.

La distinzione più semplice che si può fare è in base al tipo di corrente, alternata o continua, su cui si basano i collegamenti all’interno della rete:

• ACMG (Fig. b), ovvero microgrids a corrente alternata: i convertitori elettronici di potenza collegano i generatori di energia e i sistemi di accumulo alla microrete in corrente alternata (AC). Le fonti di energia a corrente alternata che forniscono energia a frequenza e tensione variabile sono collegate alla rete mediante convertitori, mentre le sorgenti AC controllabili sono collegate direttamente. Diverse sorgenti, come le turbine eoliche e le centrali idroelettriche a bassa prevalenza, possono richiedere convertitori di potenza AC/DC/AC per stabilizzare la tensione. Le sorgenti in corrente continua, come i pannelli fotovoltaici, sono collegate alla rete tramite dei convertitori DC/AC. Infine, i carichi che richiedono la corrente alternata sono collegati direttamente mentre quelli che richiedono corrente continua necessitano anch’essi di convertitori.
• DCMG (Fig. a), ovvero microgrids a corrente continua: la natura in corrente continua di diverse fonti di energia rinnovabile e dei sistemi di accumulo elettrochimico riduce le fasi di conversione dato che in questo caso anche la rete primaria è in corrente continua. Tra la rete e i carichi in corrente alternata sono disposti convertitori AC/DC mentre non sono necessari per collegare i sempre più frequenti carichi in DC. Inoltre, la struttura elettrica semplificata di questo tipo di MG implica un’efficienza più elevata e un controllo più semplice, poiché non sono necessarie sincronizzazioni e controlli complessi. Tuttavia, questi sistemi di alimentazione soffrono ancora di diversi problemi, come gli strumenti di sicurezza e protezione, i codici e gli standard esistenti progettati per i sistemi a corrente alternata e altre questioni.

Figura 1 – Immagine dello schema di connesioni di una microrete in corrente continua, a sinistra, e corrente alternata, a destra. Dall’articolo “Recent advances on energy management and control of direct current microgrid for smart cities and industry: A Survey.” scritto da Seydali Ferahtia, Azeddine Houari, Tudor Cioara, Mohammed Bouznit, Hegazy Rezk, et al.. Applied Energy, 2024

Nella classificazione per modalità operative invece troviamo:

• Microreti isolate o scollegate (modalità off-grid): risolvono il problema o l’esigenza del non poter / non voler allacciarsi alla rete primaria. Queste infrastrutture devono essere totalmente indipendenti energeticamente. Un esempio sono le città remote dell’Alaska come la città di Nome, situata sulla costa meridionale della penisola di Seward sul Mare di Bering.
• Microreti connesse alla rete (modalità on-grid): possono essere collegate alla rete principale o funzionare autonomamente durante le interruzioni o i blackout della rete.

Nella distinzione in base all’applicazione troviamo:

• Microreti urbane: le aree urbane sono dotate di queste microgrid nel tentativo di migliorare la resilienza energetica, l’efficienza e la sostenibilità.
• Microreti rurali: queste microgrid sono installate strategicamente in regioni remote o rurali per fornire elettricità affidabile in assenza di infrastrutture di rete convenzionali, motivo per cui nella maggior parte dei casi lavorano in modalità ad isola.
• Microreti integrate: queste microgrid sono progettate per applicazioni integrate, come quelle di trasporto.
• Microreti a scopi militari: garantendo un’alimentazione affidabile senza dipendere dalla rete primaria le microreti sono spesso impiegate per motivi di sicurezza fisica e informatica nelle strutture militari.

Metodi di gestione delle Microgrid

Ogni microgrid è dotata di un sistema di gestione che comprende monitoraggio, sistemi di controllo e interfacce elettroniche e che agisce sul controllo del livello di tensione, sul bilanciamento dell’energia, sulla condivisione dei carichi e sulle perdite di carico. In base alla strategia di gestione dell’energia implementata nel sistema di controllo (energy management strategy – EMS), la microrete opera in modalità isolata (offgrid), ovvero producendo autonomamente tutta l’energia necessaria in loco così da non doversi connettere alla rete primaria, o in modalità connessa alla rete primaria (on-grid), ovvero assorbendo o cedendo energia a quest’ultima.

Le funzioni del sistema di gestione comprendono il controllo in tempo reale, la previsione, l’analisi e l’ottimizzazione dei singoli compiti utilizzando come variabili i dati dei generatori di energia, la potenza richiesta dal carico, lo stoccaggio, le condizioni meteorologiche e i prezzi del mercato elettrico.

La strategia di gestione dell’energia deve perseguire plurimi obiettivi rispondendo contemporaneamente a problemi tecnologici, finanziari e ambientali. Gli scopi principali sono migliorare l’affidabilità del sistema, la pianificazione energetica e il funzionamento sia in rete che in modalità isolata. In letteratura i sistemi di gestione dell’energia possono essere classificati in tre principali categorie:

• Strategie basate su regole fisse, a loro volta divise in deterministiche e Booleane. Queste strategie sono semplici da integrare con un sistema di gestione in tempo reale che controlli il flusso di potenza. Le regole sono definite tramite modelli matematici senza informazioni a priori sui profili di carico degli utilizzatori.
• Strategie basate sull’intelligenza artificiale, a loro volta divise in base al metodo utilizzato, se con logica fuzzy, reti neurali o machine learning. Adottando l’AI con logica fuzzy viene favorito un graduale passaggio tra le regole ottenendo una maggiore stabilità e migliori prestazioni. I principali vantaggi sono la semplicità di progettazione, l’offerta di un alto livello di resilienza e la possibilità di modifica e alterazione, il che aumenta il grado di flessibilità dell’intero sistema di gestione dell’energia. Tra gli svantaggi troviamo invece una bassa sensibilità agli errori del modello, la necessità di un design accurato, microcontrollori più veloci e la necessità di codici molto robusti per affrontare eventuali interruzioni di sistema. Adottando l’AI basato su reti neurali si possono ottenere migliori performance, a patto di addestrare sufficientemente il sistema utilizzando un ampio database. Infine, impiegando l’AI con il machine learning, il sistema evolve gradualmente con l’aumento del database a disposizione imparando dai propri errori.
• Strategie basate sull’ottimizzazione, a loro volta divise in online ed offline in base alla capacità di elaborare o meno ottimizzazioni in tempo reale. Esse mirano a minimizzare/massimizzare la funzione obiettivo, la quale può essere rappresentata da emissioni, costi, risparmio energetico, deterioramento del dispositivo o efficienza globale.

Quali sono gli esempi di Microgrdi in Italia?

Le microgrid in Italia si stanno diffondendo di pari passo col mercato europeo, che attualmente vede l’11% di applicazioni di microreti sul totale mondiale. A guidare la classifica sono gli Stati Uniti e l’Asia che detengono circa il 42% del mercato ciascuno, dopo l’Europa troviamo l’America Latina con il 4% e il Medio Oriente e l’Africa con il solo 1%. La capacità totale è stata di circa 1,4 GW nel 2015 e si prevede che cresca addirittura a 32,8 GW di capacità installata entro il 2030.

Un esempio di microgrid in Italia è quello presente nel Campus universitario di Savona, dove è stata realizzata la prima microrete energetica basata sull’Intelligenza artificiale in Italia, e che combina diverse tecnologie quali Internet of Things, Big Data Analytics, machine learning e automazione. L’obiettivo del progetto è “sviluppare, integrare, validare su una microgrid reale e rendere disponibili in un ‘toolkit’ finale un insieme efficace di tecnologie abilitanti per gestire e garantire la resilienza e l’affidabilità dei sistemi energetici”.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come il collegamento di generatori connessi a fonti di energia rinnovabile può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

R+W fornisce soluzioni specifiche in questo campo i giunti più utilizzati sono i giunti lamellari serie LP, ottimi per il loro rapporto tra peso e prestazioni, soprattutto nella versione a singolo pacco lamellare. Con questi è possibile eseguire movimenti ad elevate velocità garantendo sempre un posizionamento perfetto fra le due parti collegate.

Di recente è stata implementata anche la versione sensorizzata serie iPK, in grado di misurare coppia, velocità e vibrazioni della trasmissione, con l’intento di migliorare l’efficienza dell’impianto.

Come tutti i prodotti R+W, è possibile sviluppare soluzioni personalizzate in base alle specifiche esigenze del cliente partendo da quelle standard presenti a catalogo.