Le reti elettriche tradizionali non sono in grado di supportare le esigenze di un settore in rapida evoluzione.La convergenza di numerosi fattori, tra cui la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili e la generazione distribuita, promuove lo sviluppo delle smart grid del futuro.

La forma di energia più versatile e ampiamente utilizzata è l’energia elettrica, una risorsa accessibile a oltre 5 miliardi di persone in tutto il mondo. Le reti elettriche che ne garantiscono la disponibilità sono tra i sistemi più grandi mai realizzati, visibili nelle ore notturne addirittura dallo spazio.

Oggigiorno l’erogazione di energia elettrica proviene essenzialmente da centrali di grandi dimensioni alimentate principalmente da combustibile fossile, energia nucleare e idroelettrica che operano tramite sistemi di trasmissione e distribuzione ormai consolidati. Sebbene questi sistemi offrano un servizio efficiente in tutto il mondo da oltre un secolo, i tempi stanno cambiando. La domanda di energia è in rapida crescita a causa dei rapidi sviluppi sociali in numerose parti del mondo, ma anche in ragione del fatto che le economie digitali moderne dipendono in misura sempre maggiore dalla disponibilità di energia elettrica. Tale rapporto di dipendenza impone nuovi sviluppi strutturali al fine di evitare problemi sulle reti, il cui costo grava notevolmente sulle economie mondiali.

Informazioni generali

Smart GridUn’evoluzione radicale nel settore dell’energia elettrica

Smart GridIntroduzione

A. Evoluzione del fabbisogno energetico e delle emissioni di anidride carbonica, 2007-2030

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Rinnovabili

Efficienza energetica

* Cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica

Scenario INessun intervento

Scenario IISfruttamento intensivo delle tecnologie esistenti

Soluzioni tecnologiche:impatto sulle emissioni

Fonte: IEA World Energy Outlook 2009I leader mondiali riuniti a Copenhagen a dicembre del 2009 per la conferenza sul clima hanno accettato di impegnarsi per limitare l'aumento della temperatura globale di 2°C entro la fine del secolo rispetto all'era preindustriale. Il secondo scenario prospettato dall'IEA preparerebbe il mondo al conseguimento di questo obiettivo. Tuttavia, per garantire un'implementazione efficace delle soluzioni tecnologiche identificate sarebbero necessari notevoli sforzi di sviluppo e adattamento delle reti elettriche.

2 Introduzione | Smart Grid

Allo stesso tempo, le società moderne hanno compreso che, per combattere il cambiamento climatico, occorre ridurre le emissioni. A un impiego ottimale delle fonti tradizionali deve affi ancarsi lo sviluppo della produzione da fonti non tradizionali, quali ad esempio impianti eolici, ad energia mareomotrice, solari, geotermici e a biomasse. Si assiste quindi alla diffusione di un’ampia gamma di fonti energetiche che comportano numerose complessità in termini di progettazione delle reti elettriche.

L’infl uenza delle condizioni climatiche sulla disponibilità di energia eolica e solare, congiuntamente alla necessità di sviluppare impianti distribuiti (ad esempio impianti fotovoltaici domestici), complica ulteriormente lo scenario, imponendo l’esigenza di reti locali in grado di ricevere ed erogare energia elettrica. La rete elettrica stessa viene utilizzata secondo nuove modalità. Invece di servire aree geografi che relativamente ridotte con collegamenti ad altre regioni per garantire la sicurezza dell’approvvigionamento, le reti vengono attualmente impiegate come canali per il commercio di energia su distanze sempre più lunghe.

Non essendo state concepite per rispondere a tali esigenze, le reti elettriche tradizionali non sono quindi in grado di offrire prestazioni soddisfacenti a lungo termine. È necessaria un’evoluzione globale e capillare.

Le misure necessarie includono: - l’applicazione di nuovi criteri di progettazione e l’impiego di

materiali avanzati per le apparecchiature quali trasformatori e interruttori allo scopo di migliorarne l’effi cienza, la sicurezza e le prestazioni

- la diffusione di dispositivi elettronici per ottimizzare le risorse esistenti e migliorare la fl essibilità della rete in caso di interruzioni

- l’impiego di tecnologie di stoccaggio a tutti i livelli per mitigare i picchi di domanda ed estendere lo sfruttamento dell’energia prodotta a partire da fonti rinnovabili

- l’utilizzo di metodi di trasmissione e distribuzione più fl essibili per bilanciare le fl uttuazioni dell’approvvigionamento, aumentare l’effi cienza e ottimizzare le prestazioni

- l’integrazione di sistemi di monitoraggio e controllo per prevenire interruzioni

Il termine “smart grid”, ovvero “reti elettriche intelligenti”, racchiude tutte queste caratteristiche in un unico sistema tramite tecnologie di comunicazione in grado di permettere ingenti scambi di dati tra i dispositivi intelligenti distribuiti nel sistema elettrico. Pike Research, una delle principali società specializzate nelle ricerche di mercato, stima un investimento mondiale complessivo intorno a 200 miliardi di dollari in infrastrutture per smart grid nel periodo compreso tra il 2010 e il 20151. Di

Smart GridIntroduzione

B. Una Smart Grid può livellare i picchi di domanda, riducendo i costi e le emissioni

Tempo

Fabbisogno energetico in una rete elettrica tradizionale

Fabbisogno energetico in una rete elettrica intelligente.L'abbassamento dei picchi della domandacomporta la riduzione del numero di centrali elettriche necessarie

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In una rete elettrica intelligente, la tecnologia "demand-response" sposta parte della domanda nei periodi in cui il costo dell'energia è più basso. In una rete elettrica tradizionale, i picchi nei consumi in determinati orari del giorno vengono parzialmente soddisfatti sfruttando centrali elettriche mantenute appositamente in stand-by.Un simile approccio è tanto dispendioso quanto inefficiente, proprio come avviene guidando in città, dove una serie ripetuta di fermate e partenze consuma più carburante rispetto a un tragitto su lunga distanza a velocità costante. In una rete elettrica intelligente, la condivisione di dati tra utenti e fornitori consente una ripartizionedell'utilizzo di energia elettrica su un periodopiù lungo, abbattendo i picchi della domandae riducendo il numero di centrali elettriche necessarie per soddisfare la richiesta.

Smart Grid | Introduzione 3

tale somma, oltre quattro quinti sarebbero spesi nei settori in cui ABB opera, ovvero trasmissione di energia, automazione di sottostazione e distribuzione.

Il quadro completo

Sulla base delle politiche e delle tendenze attuali, il fabbisogno energetico globale dovrebbe crescere del 40% entro il 2030, con un aumento conseguente delle emissioni di anidride carbonica2. La comunità scientifica è unanime nel ritenere che un simile incremento delle emissioni potrebbe avere un notevole impatto sotto il profilo economico, ambientale e sociale3.

I motori del fabbisogno energetico sono la crescita demografica e l’innalzamento delle condizioni di vita nei mercati emergenti, che continueranno a fare aumentare i consumi. La sfida consiste nello spezzare il legame tra crescita economica e fabbisogno energetico e tra produzione di energia ed emissioni di anidride carbonica.

L’agenzia internazionale per l’energia (IEA) ha definito una strategia per i prossimi due decenni volta a perseguire questi due obiettivi tramite l’implementazione decisa di alcune tecnologie a bassa emissione di anidride carbonica

(cfr. Figura A). Secondo questa strategia, più della metà dei risparmi proverrebbe dall’implementazione di misure di efficienza energetica, mentre un quinto deriverebbe dall’aumento della generazione di energia da fonti rinnovabili.

Adattare il sistema di fornitura dell’energia elettrica è una mossa fondamentale, per due ragioni: innanzitutto la generazione di energia elettrica rappresenta la più grande percentuale di emissioni di CO2 antropogeniche ed è pari al 40% delle emissioni globali di CO2 riconducibili alla produzione di energia. In secondo luogo il tasso di crescita dei consumi di energia elettrica è quasi il doppio rispetto all’aumento del consumo energetico generale, quindi ridurre le emissioni generate dalla produzione di energia è sempre più urgente.

Ripensare la gestione dell’energia elettricaRidurre le emissioni alla fonte è solo uno dei modi per abbattere i livelli di CO2. Come evidenziato dall’analisi dell’IEA, migliorare l’efficienza energetica rappresenta il mezzo più importante per porre un limite al consumo energetico primario. L’obiettivo principale delle reti del futuro

Smart GridIntroduzione

4 Introduzione | Smart Grid

resta quindi uno sfruttamento più efficiente dell’energia, con l’implementazione di tecnologie orientate al risparmio energetico in ogni fase, dalla produzione, alla trasmissione e alla distribuzione all’utente finale in ambito industriale, commerciale e domestico.

Oltre all’abbassamento dei consumi, la smart grid del futuro dovrà essere in grado di ridurre i livelli di picco della domanda tramite una ripartizione dei consumi più efficiente nell’arco della giornata.

In questo modo sarebbe possibile limitare la quantità di risorse mantenute in stand-by per garantire livelli di consumo massimi e far sì che gli impianti siano sufficientemente flessibili da poter gestire variazioni repentine nell’erogazione di energia tramite un portafoglio sempre più esteso di centrali basate su fonti rinnovabili.

Un sistema di questo tipo richiede cambiamenti sostanziali a livello di gestione degli approvvigionamenti e della domanda.

L’energia elettrica è probabilmente la materia prima più deperibile in commercio: infatti deve essere consumata non appena prodotta, ma deve anche essere prodotta nel momento in cui è richiesta. Oggigiorno la domanda sfugge in gran parte a ogni controllo: gli impianti aumentano la produzione all’aumentare della domanda (ad esempio quando le persone tornano a casa di sera e accendono le luci, cucinano, guardano la televisione, ecc.) e riducono i ritmi produttivi quando la domanda cala.

In una smart grid la domanda viene gestita in modo più attivo, consentendo agli operatori di bilanciarla meglio conl’approvvigionamento. A tale scopo, gli utenti fi nali dell’energiadevono poter contare su sistemi di monitoraggio e controllo che offrano informazioni dettagliate sulle modalità e i tempi di utilizzo e indichino come contribuire attivamente alla riduzione dei picchi di domanda.

Una comunicazione in tempo reale tra fornitori e consumatori consentirà agli utenti di reagire direttamente alle variazioni di condizioni e prezzi, pur consentendo talvolta al sistema di limitare il consumo escludendo determinati apparecchi per far sì che la domanda non superi la quantità di energia elettrica disponibile.

Nel settore della fornitura di energia elettrica questo processo è conosciuto come “demand-response” (domanda-risposta) e ha lo scopo di abbattere i picchi facendo sì che i consumatori indirizzino i consumi non essenziali su periodi in cui la domanda è più bassa (cfr. Figura B). Sebbene la tecnologia necessaria sia già disponibile, resta da capire quanto questo tipo di comunicazione bidirezionale verrà utilizzato e in quale misura potrà contribuire alla riduzione dei picchi della domanda.

Le sfide dell’energia rinnovabile

Secondo le stime dell’IEA, la produzione globale di energia da fonti rinnovabili subirà un notevole aumento entro il 2030 attraverso un investimento cumulativo di 5,5 trilioni di dollari4, pari a circa la metà di tutte le proiezioni di investimento nella generazione di energia elettrica per il periodo in questione.

Sebbene i vantaggi ambientali legati alla riduzione della dipendenza da combustibili fossili siano evidenti, lo stoccaggio di grandi quantitativi di energia da fonte rinnovabile e la produzione su scala ridotta rappresentano tuttora una grande sfida per la stabilità e la disponibilità di energia elettrica.

La difficoltà principale deriva dalla natura intermittente delle energie rinnovabili. Sebbene le fonti idroelettriche offrano un approvvigionamento di energia elettrica altamente prevedibile, la disponibilità di gran parte delle risorse rinnovabili può letteralmente cambiare con il vento. La produzione di energia nei parchi eolici è caratterizzata da periodi di produttività elevata seguiti da momenti di stasi, mentre le prestazioni degli impianti fotovoltaici vengono meno in caso di tempo nuvoloso o nelle ore notturne (cfr. Figura C).

Inoltre non sono disponibili metodi pratici ed economici per garantire lo stoccaggio di ampi quantitativi di energia generata in periodi di domanda scarsa, determinandone il mancato utilizzo e lo spreco. Il metodo di stoccaggio più conveniente consiste nel pompare l’acqua a monte all’interno di sbarramenti; tuttavia ciò è possibile unicamente in regioni montane con potenziale idroelettrico. Per le aziende, un’interruzione di corrente, anche per periodi limitati, comporta enormi inconvenienti, che si traducono

Smart GridIntroduzione

Smart Grid | Introduzione 5

C. Le energie rinnovabili comportano sfide specifiche che vanno affrontate con soluzioni tecnologiche

Tempo

Produzione di energia elettrica da fonti eoliche e solari

Produzione di energia eolica e solare in eccesso in condizioni climatiche favorevoli

Cali o abbassamenti di tensione nell'erogazione di energia

Variazioni nel prezzo dell'energia in base alla sua disponibilità o scarsità

Sfide Soluzioni tecnologiche

Il crescente ricorso a fonti energetiche intermittenti introdurrà nuove variabili in termini di disponibilità e qualità dell'energia sulla rete. Molte delle tecnologie necessarie per superare le difficoltà legate all'utilizzo di energie rinnovabili su larga scala sono attualmente disponibili, mentre altre sono in fase di sviluppo.

Le interconnessioni tra reti consentono l'esportazione dell'energia in eccesso o l'importazione da altre regioni durante i periodi di insufficienza della fornitura

Lo stoccaggio permette di sfruttare l'energia in eccesso durante i periodi di condizioni climatiche sfavorevoli

Le tecnologie di trasmissione fanno sì che le fluttuazioni improvvise della domanda non si ripercuotano sulla qualità dell'energia

Le tecnologie informatiche permettono ai fornitori di gestire le fluttuazioni tramite la pianificazione della disponibilità e della domanda e l'adattamento automatico della capacità di generazione

Le tecnologie "demand-response" permettono ai consumatori di regolare automaticamente il proprio consumo

Disponibili In fase di sviluppo Emergenti

in perdite di produttività e costi supplementari legati all’approvvigionamento di energia per ripristinare le normali condizioni operative.

Secondo un rapporto del 20055 le interruzioni della fornitura di energia e i blackout negli Stati Uniti costano all’economia nazionale all’incirca 80 miliardi di dollari all’anno. Gran parte della perdita, 57 miliardi di dollari, riguarda il settore commerciale, dove ogni singola interruzione colpisce numerosi consumatori. Stando alle stime, la perdita per il settore industriale è quantificabile in 20 miliardi di dollari, in quanto ogni disservizio interessa un numero inferiore di consumatori, ma con un costo individuale superiore. Ulteriori problemi sono causati da problemi qualitativi, abbassamenti e picchi di tensione, che si ripercuotono sulle prestazioni dei dispositivi elettronici e causano danni anche permanenti ad apparecchiature costose. I fornitori di energia sono quindi pienamente consapevoli dell’importanza di offrire un servizio affidabile e qualitativamente valido e compiono notevoli sforzi per garantire l’integrità dell’erogazione.

L’aggiunta di grandi quantitativi di energia rinnovabile non equivale necessariamente a un aumento del rischio di blackout, ma richiede indubbiamente maggiori investimenti in tecnologie intelligenti che consentano un contenimento e una correzione rapida ed efficace dei disturbi durante l’erogazione. Le smart grid sono destinate ad assumere un’importanza sempre maggiore data la crescente dipendenza delle economie mondiali dall’energia elettrica.

Un’ulteriore sfida legata all’energia rinnovabile riguarda l’ubicazione delle fonti. Quelle su larga scala, offshore o in mezzo al deserto spesso sono lontane dai centri di domanda, mentre i piccoli produttori si trovano spesso in aree residenziali o a basso sfruttamento industriale, in cui la rete di distribuzione locale non è strutturata per la ricezione e l’erogazione di energia elettrica.

Rispetto alle prestazioni altamente prevedibili delle centrali tradizionali, di cui la maggior parte può essere costruita in prossimità delle comunità servite, gli impianti alimentati

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6 Introduzione | Smart Grid

Capacità

L’agenzia internazionale per l’energia (IEA) prevede che la domanda di energia arriverà quasi a raddoppiare entro il 2030. Se così fosse, sarebbe necessario costruire una centrale elettrica da 1 GW e la rispettiva infrastruttura a settimana per i prossimi vent'anni.

Sostenibilità

L'espansione della capacità energetica con l'attuale mix di fonti, dominata dai combustibili fossili, provocherebbe un aumentodelle emissioni di CO2. La rete elettrica del futuro deve prendere in considerazione fonti energetiche alternative, soprattutto rinnovabili.

Efficienza

L'IEA ritiene che un utilizzo più efficiente dell'energiaoffra una soluzione più valida rispetto a tutte le altre opzioni messe insieme per porre un limite alle emissioni di CO2 nelcorso dei prossimi vent'anni. La rete elettrica del futuro deve consentire ai consumatori di ottenere di più dall'energiautilizzata.

Affidabilità

I disturbi nell'erogazione dell'energia elettrica rappresentano un costo(80 miliardi di dollari all'annosolo negli Stati Uniti10). La domanda in crescita e l'utilizzo di fonti rinnovabili soggette a variazioni climatiche rappresentano una sfida distabilità che va affrontata.

D. Gli impianti elettrici del futuro dovranno rispondere a quattro esigenze sociali

da fonti rinnovabili offrono qualche inconveniente in più. Tuttavia, gran parte delle tecnologie necessarie per superare gli ostacoli legati all’utilizzo di energie rinnovabili è già disponibile, mentre altre sono attualmente in fase di sviluppo. Di pari passo con lo sviluppo di nuovi impianti basati su fonti rinnovabili, la rete evolve in modo da offrire un approvvigionamento elettrico sicuro, in linea con la domanda e sostenibile.

Veicoli elettrici e stoccaggio

I veicoli elettrici potrebbero ridurre drasticamente le emissioni di gas serra nel settore dei trasporti, compatibilmente con la tipologia di combustibile impiegato per generare l’energia necessaria. Nel Regno Unito, le emissioni di CO2 derivanti dall’utilizzo di veicoli elettrici sarebbero pari al 40% in meno rispetto a quelle derivanti dai veicoli tradizionali6, mentre il potenziale di abbattimento dell’anidride carbonica dei veicoli elettrici in Cina, dove la produzione di energia elettrica dipende maggiormente dai combustibili fossili, sarebbe attualmente limitata al 19 per cento7.

Una tale diffusione dei veicoli elettrici avrebbe però un impatto sulla rete elettrica. Ad esempio, se il 20% di tutti i nuovi veicoli fosse elettrico (condizione potenzialmente realizzabile nel corso dei prossimi 10 anni in località altamente incentivate quali, ad esempio, la California meridionale)8-9, la quota di energia destinata alla ricarica di tali mezzi corrisponderebbe al 2% della domanda totale.

Le strutture destinate alla ricarica dei veicoli elettrici stanno conoscendo una rapida diffusione ma, per comprendere appieno il potenziale di questi mezzi, sono ancora necessari numerosi progressi tecnologici. Il costo delle batterie per auto dovrà essere ridotto notevolmente e sarà necessario realizzare molte altre stazioni di ricarica.

Per quanto riguarda la creazione di smart grid, l’idea di impiegare i veicoli elettrici per lo stoccaggio dell’energia in eccesso come fonte di riserva è particolarmente interessante. La maggior parte delle automobili viene impiegata solo per un’ora o due al giorno e rimane inattiva per il resto del tempo.

Le utility potrebbero potenzialmente utilizzare le batterie dei veicoli elettrici parcheggiati e collegati alla rete elettrica per lo stoccaggio dell’energia in eccesso. Al contrario, in caso di carenza di energia, i veicoli elettrici potrebbero costituire una riserva rapida in grado di soddisfare i picchi di domanda, allentando la pressione sulle utility legata alla disponibilità di riserve di energia e offrendo allo stesso tempo ai proprietari dei veicoli una forma di compenso monetario.

La realizzazione di un simile scenario è ancora incerta ma, data la scarsità di metodi alternativi per lo stoccaggio dell’energia elettrica su larga scala, l’idea sta destando un certo interesse.

La rete del futuro dovrà essere una versione ottimizzata dell’attuale, provvista di sistemi estesi di monitoraggio e comunicazione, nuove interconnessioni, un fl usso bidirezionale di energia e informazioni, strutture per lo stoccaggio dell’energia elettrica e una porzione più ampia dedicata alla produzione proveniente da fonti distribuite e rinnovabili. Il sistema dovrà essere altamente automatizzato per garantire la disponibilità di approvvigionamenti sicuri ed effi cienti destinati all’uso industriale, commerciale e domestico, su richiesta.

ABB considera il concetto di smart grid come un sistema basato sugli standard di settore, in grado di offrire energia elettrica in modo costante, sicuro e sostenibile. Tale sistema dovrà essere in grado di oltrepassare le frontiere nazionali e internazionali, così da consentire il commercio di energia tra regioni limitrofe, e dovrà essere provvisto di sistemi di monitoraggio e controllo in tempo reale in grado di contenere e correggere automaticamente le anomalie per garantire ai consumatori la disponibilità di energia elettrica di qualità elevata, trovando il giusto equilibrio tra domanda e offerta.

Oggi questo concetto sta trovando applicazione pratica. La Danimarca, ad esempio, che trae il 20% della sua energia dal vento, si avvale di una rete elettrica stabile con l’ausilio di connessioni in corrente continua ad alta tensione alle reti dei paesi confi nanti (Norvegia, Svezia e Germania), il tutto grazie a soluzioni ABB. Attraverso queste interconnessioni, la Danimarca esporta l’energia elettrica in eccesso e importa energia quando i suoi parchi eolici evidenziano un volume di produzione insuffi ciente.

Un altro esempio riguarda il modo in cui i fornitori sfruttano le più recenti tecnologie informatiche e di comunicazione per l’elaborazione di dati dettagliati in tempo reale sulle condizioni delle reti su migliaia di punti della rete elettrica. Questi dati offrono ai consumatori l’opportunità di rivestire un ruolo attivo, consentendo loro di adottare decisioni consapevoli sulle modalità e sui tempi di utilizzo dell’energia elettrica e aiutandoli addirittura a generare autonomamente energia, reindirizzando i surplus sulla rete.

Sebbene una smart grid completa sia attualmente solo un’idea per il futuro, da alcuni anni ABB studia le tecnologie e gli standard necessari, di cui diversi sono già in uso. Potendo vantare un’ampia gamma di tecnologie per l’energia e l’automazione, ABB sta assumendo un ruolo di spicco nella fornitura di soluzioni integrate per lo sviluppo delle smart grid.

I paragrafi seguenti illustrano alcune delle tecnologie ABB già in uso che stanno trasformando in realtà il sogno delle smart grid.

Produzione ottimizzata di energiaL’effi cienza della produzione di energia varia ampiamente in base alle tecnologie e ai combustibili utilizzati. Nelle centrali tradizionali alimentate a carbone, una quota compresa tra il 30% e il 35% del combustibile consumato è convertita in energia elettrica. Nelle centrali termoelettriche, che impiegano un’ampia varietà

di combustibili e condividono il calore prodotto con gli edifi ci circostanti, l’effi cienza può raggiungere l’85 per cento.

L’ottimizzazione delle operazioni e dei sistemi ausiliari in qualsiasi tipo di centrale tramite sistemi di controllo sofi sticati e apparecchiature effi cienti permette di ottenere notevoli risparmi.

ABB è leader tecnologico e di mercato di gran parte di questi sistemi ausiliari, in grado di ridurre il consumo di energia delle centrali esistenti del 10-30 per cento.

Lo sviluppo di reti elettriche più intelligenti, capaci di fornire dati dettagliati sui consumi e previsioni più accurate sulle fonti rinnovabili, permetterà alle aziende produttrici di ottimizzare l’utilizzo delle rispettive capacità attuali. Attualmente i sistemi di controllo all’interno delle centrali permettono anche ai generatori su larga scala di reagire più rapidamente alle variazioni della domanda e ridurre la dipendenza dei fornitori da riserve meno effi cienti per soddisfare le condizioni di picco.

Gestione della rete e monitoraggio estesoLe tecnologie di gestione di rete e comunicazione offerte da ABB consentono l’evoluzione delle smart grid grazie alle funzioni di gestione in tempo reale delle reti di trasmissione e distribuzione, delle centrali elettriche e dei mercati energetici.

Nel 2009 una soluzione di questo tipo ha consentito l’integrazione in un unico sistema delle reti di trasmissione e distribuzione nello stato dell’India meridionale di Karnataka. Attualmente un’unica piattaforma riunisce i sistemi di monitoraggio e tariffazione per 16 milioni di clienti.

Queste tecnologie permettono di raccogliere, trasmettere, memorizzare, analizzare e comunicare in modo estremamente affi dabile i dati fondamentali provenienti da migliaia di punti sull’intera rete elettrica e attraverso una vasta area geografi ca.

Senza queste tecnologie sarebbe impossibile consentire l’integrazione su larga scala di risorse rinnovabili, il controllo di reti di distribuzione bidirezionali, la trasmissione su lunghe distanze e l’integrazione di veicoli elettrici e stazioni di ricarica.Il monitoraggio esteso migliora le prestazioni dei sistemi di gestione della rete ampliando la portata geografi ca dei sistemi.Le comunicazioni satellitari permettono di accedere rapidamente alle informazioni dalle reti circostanti e di utilizzarle per evitare lo sviluppo di anomalie diffuse.

Sottostazioni automatizzateLe sottostazioni offrono funzioni di monitoraggio, protezione e controllo sulla trasmissione e la distribuzione di energia elettrica. In futuro questi impianti essenziali richiederanno sistemi di comunicazione sempre più sofi sticati per garantire la condivisione

Smart GridSoluzioni ABB

Smart Grid | Soluzioni ABB 7

dei dati su parti diverse della rete, il coordinamento dei fl ussi di energia e l’erogazione ai consumatori in modo affi dabile ed effi ciente.

ABB ha contribuito allo sviluppo e all’integrazione della norma IEC 61850, il primo standard globale sulle comunicazioni per le apparecchiature delle sottostazioni, nonché un importante traguardo nell’ambito delle tecnologie di automazione delle sottostazioni.

Esso rende possibile la comunicazione in tempo reale tra i dispositivi delle sottostazioni, indipendentemente dal produttore, ed è perciò un componente fondamentale per lo sviluppo delle smart grid.

ABB ha fornito centinaia di sistemi e migliaia di prodotti certifi cati IEC 61850 per impianti nuovi ed esistenti in oltre 60 paesi, migliorando le prestazioni, l’effi cienza e l’affi dabilità del funzionamento delle sottostazioni.Tra questi citiamo la prima sottostazione multi-fornitore certifi cata IEC 61850 e le sottostazioni al servizio delle centrali idroelettriche più grandi al mondo: Itaipu in Brasile e Tre Gole in Cina.

FACTS e stoccaggio di energiaFACTS (sistemi di trasmissione fl essibili in corrente alternata) è un termine generico che designa le tecnologie in grado di aumentare

[1 Generazione ottimizzata di energia[2] Gestione della rete[3] Sottostazioni automatizzate[4] FACTS e stoccaggio di energia[5] Trasmissione c.c. ad alta tensione (HVDC)[6] Infrastruttura per veicoli elettrici[7] Sistemi di gestione dell’energia[8] Edifici attivi

in maniera signifi cativa la capacità delle linee di trasmissione esistenti, mantenendo o addirittura migliorando la stabilità e l’affi dabilità di una rete elettrica.

Questi sistemi aumentano l’effi cienza della trasmissione di corrente su grandi distanze rimuovendo i colli di bottiglia e integrando nella rete in modo sicuro fonti energetiche intermittenti, ad esempio quelle eolica e solare. Gli impianti FACTS contribuiscono allo sviluppo delle smart grid.

Oltre a stabilizzare la corrente e la tensione, le più recenti tecnologie FACTS di ABB offrono prestazioni superiori in termini di stoccaggio di energia, un aspetto che assume un’importanza particolare quando le energie rinnovabili rappresentano una porzione importante delle fonti di produzione.

Le potenzialità di stoccaggio su larga scala (fi no a 50 MW per un’ora o più a lungo) permettono di bilanciare la produttività irregolare delle fonti rinnovabili e offrono una riserva di emergenza in caso di blackout.

ABB ha fornito più della metà degli impianti FACTS su scala mondiale (più di 700). Un impiego più effi ciente e sicuro della capacità esistente si traduce in una rete elettrica più omogenea e affi dabile.

Corrente continua ad alta tensione (HVDC)Promossa da ABB negli anni ‘50, la corrente continua ad alta tensione è una tecnologia di trasmissione rivoluzionaria che assumerà un’importanza sempre maggiore con lo sviluppo delle smart grid.

Con l’HVDC, i fornitori di energia migliorano l’affi dabilità delle prestazioni offerte tramite l’interconnessione con le reti circostanti (anche a frequenze diverse) e la commercializzazione di energia elettrica.

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La tecnologia permette inoltre di integrare sulla rete l’energia prodotta a partire da fonti intermittenti rinnovabili con un livello di tensione in grado di garantire la stabilità dell’erogazione.

In aggiunta, essendo in grado di trasmettere grandi quantitativi di energia su lunghe distanze in modo effi ciente, la tecnologia HVDC risulta il sistema ideale per garantire l’erogazione di corrente da fonti remote ai centri di domanda.

In questo modo si rendono commercialmente praticabili anche parchi eolici offshore e impianti idroelettrici in regioni montane distanti. Alcune grandi città, come Los Angeles, San Paolo, Shanghai e Delhi si avvalgono già della tecnologia HVDC ad alta effi cienza e minimo impatto per la fornitura di energia elettrica, spesso proveniente da migliaia di chilometri di distanza.

Infrastrutture per veicoli elettriciABB sta attualmente sviluppando tecnologie per preparare le smart grid alle sfi de legate ai veicoli elettrici e offrire soluzioni pratiche di ricarica per soddisfare le esigenze di conducenti, fornitori del servizio e operatori di reti elettriche.

Le unità di ricarica domestiche devono offrire prestazioni effi cienti e un consumo energetico ridotto e devono dimostrarsi in grado di ricaricare le batterie nell’arco della notte, a costi accessibili e con un impatto minimo sulla rete. Unità di questo tipo sono attualmente disponibili, ma gli standard per un’implementazione diffusa sono tuttora in fase di sviluppo e devono garantire la compatibilità con veicoli di ogni tipo.

Le stazioni di ricarica pubbliche devono essere solide e in grado di ricaricare le batterie nell’arco di poche ore, ad esempio mentre il conducente è al lavoro. Devono inoltre incorporare sistemi di autenticazione e/o pagamento.

I sistemi di ricarica ultrarapida dovranno invece offrire ai veicoli elettrici l’equivalente di un rifornimento in autostrada, consentendo la ricarica della batteria nell’arco di pochi minuti.

Nei paesi scandinavi, ABB ha già provveduto all’installazione di stazioni di ricarica di base che, attualmente, sono in fase di sviluppo per integrare funzioni di comunicazione più sofi sticate.

Sistemi di gestione dell’energiaNella rete del futuro, sempre più utenti diventeranno anche produttori, installando pannelli solari o turbine eoliche di piccole dimensioni sui tetti delle loro case. Attualmente, gli unici utenti in grado di partecipare in misura signifi cativa sul mercato dell’energia elettrica sono le centrali industriali intensive che possiedono sistemi di generazione di corrente elettrica di dimensioni discrete.

I software di gestione energetica, quali cpmPlus Energy Manager di ABB, consentono alle aziende di gestire l’utilizzo di energia in modo da massimizzare l’effi cienza e i risparmi. Le opportunità di riduzione dei costi sono maggiori se i consumi e i prezzi sono soggetti a variazioni nel corso del tempo, condizione diffusa nelle industrie di lavorazione e nei mercati aperti dell’energia.

Il software indica il costo dell’energia elettrica e aiuta gli operatori a pianifi care il consumo energetico durante le ore meno intense. Il sistema coordina la compravendita di energia sulla base della capacità di produzione, quindi pianifi ca la produzione nelle ore di picco, quando il prezzo di acquisto è più alto, così da offrire risparmi supplementari.

Edifici attiviGli edifi ci a uso commerciale e residenziale rappresentano all’incirca il 38 per cento del fabbisogno energetico globale degli utenti fi nali, principalmente destinato a impianti di riscaldamento, condizionamento e all’alimentazione di apparecchiature elettriche.

Il consumo degli edifi ci può essere ridotto grazie a tecnologie di risparmio energetico, quali i sistemi di controllo intelligenti in grado di regolare la temperatura del riscaldamento, l’illuminazione e il consumo energetico degli elettrodomestici in base alle esigenze reali. Da questo punto di vista, i prodotti e i sistemi ABB permettono di ottenere risparmi tra il 30 e il 60 per cento.

Attualmente i sistemi per edifi ci intelligenti sono indipendenti dalla rete elettrica. All’interno di una smart grid, essi interagiranno con la rete elettrica per offrire ai consumatori maggiore controllo sulla quantità di energia impiegata e sul periodo di utilizzo. Ad esempio, i clienti potranno confi gurare i sistemi di automazione dei propri edifi ci in modo da abbassare il riscaldamento durante i periodi di picco o in alternativa potranno delegare questo compito a soggetti terzi o al fornitore dell’utenza. Questa soluzione permetterebbe ai clienti di ridurre la bolletta dell’energia, nonché di migliorare l’effi cienza complessiva del sistema.

Per essere totalmente integrati nella rete di erogazione dell’energia elettrica, gli edifi ci devono essere muniti di sistemi di misurazione in grado di raccogliere dati più precisi sul consumo elettrico e di comunicare con i sistemi di automazione della distribuzione o di gestione della rete. ABB è titolare di una piccola azienda che produce sistemi di misurazione intelligenti, la tedesca Striebel & John, e nel luglio del 2010 ha annunciato l’acquisizione di una quota minoritaria della società statunitense Trilliant Inc., che offre soluzioni software in grado di consentire l’integrazione di tutti gli apparecchi domestici nella rete elettrica.

Smart GridSoluzioni ABB

Smart Grid | Soluzioni ABB 9

ABB ha fornito numerosi impianti per migliorare le prestazioni delle reti elettriche esistenti. Così facendo è possibile offrire più energia, incrementando la quota proveniente da fonti rinnovabili, a più consumatori, in modo più affi dabile ed effi ciente, collegando i generatori alla rete, realizzando l’interconnessione tra le varie reti e aumentando inoltre la capacità, la produttività e la stabilità dell’intero sistema elettrico.

Ma i progetti realizzati fi nora rappresentano solo una piccola parte dell’intero sistema elettrico. ABB sta attualmente lavorando a più di 20 progetti pilota in tutto il mondo per testare nuove soluzioni e sondare le prestazioni offerte dalle soluzioni esistenti su larga scala. Questi progetti coprono tutti gli aspetti delle smart grid, dallo stoccaggio dell’energia, alla gestione della rete, alle funzioni di misurazione e comunicazione, fi no all’automazione della distribuzione e ai sistemi di automazione domestica.

Boulder (Colorado): nascita di una smart gridNel 2010 ABB ha acquisito Ventyx, fornitore leader di software industriali per i settori dell’energia, dei servizi e delle comunicazioni.

L’acquisizione integra l’offerta di ABB nel settore della gestione energetica; la combinazione delle soluzioni software di entrambe le aziende risulta particolarmente utile in numerose applicazioni per l’energia, in particolare per lo sviluppo delle smart grid.

Il software Ventyx costituisce il fulcro della cosiddetta SmartGridCity di Boulder, in Colorado (95.000 abitanti), entrata in funzione nel 2009. Secondo Xcel Energy, l’azienda americana che ha ideato e realizzato il progetto dimostrativo, SmartGridCity rappresenta la prima smart grid completata e totalmente operativa al mondo. All’incirca 322 km di fi bra ottica connettono approssimativamente 50.000 clienti domestici, commerciali e industriali minori a questa rete automatica, che offre funzioni altamente interattive tra i clienti e il fornitore. La disponibilità di dati in tempo reale offre agli utenti un livello superiore di informazione e controllo sui consumi energetici e consente a Xcel Energy di reindirizzare l’energia in modo da aggirare i colli di bottiglia, oltre a identifi care e reagire in tempi più rapidi a eventuali interruzioni del servizio.

Una delle principali applicazioni software offerte da Ventyx offre ai fornitori e agli operatori della rete le informazioni necessarie per adattare in modo ottimale la produzione di energia ai consumi, anche a livello domestico. Producendo

informazioni in tempo reale sulla domanda di energia, sui prezzi e sulla disponibilità, il software Ventyx rappresenta un modello aziendale pratico in grado di generare profi tti dalle smart grid e dallo scambio delle emissioni.

Altre soluzioni Ventyx, quali software di previsione del carico, permettono alle reti di integrare grandi quantitativi di energia rinnovabile, proveniente ad esempio da fonti eoliche e solari.

Il progetto dimostrativo di Boulder costituisce inoltre un campo di prova per le cosiddette “centrali elettriche virtuali”, sistemi innovativi in grado di monitorare e aggregare con precisione la domanda dei clienti e la produzione in loco, ad esempio l’energia derivante da pannelli solari o generatori eolici. Queste informazioni in tempo reale rappresentano una nuova risorsa virtuale per le utility e costituiscono uno strumento straordinario per la gestione delle complessità legate alle smart grid.

Il software utilizzato da SmartGridCity conferma alcune teorie circa la riduzione delle interruzioni di corrente sui sistemi di distribuzione, nonché sul valore del monitoraggio in tempo reale dello stato delle reti. I primi risultati indicano che la tecnologia delle smart grid permette a Xcel Energy di prevedere i guasti alle apparecchiature ed eseguire preventivamente le riparazioni necessarie. Xcel Energy prevede che SmartGridCity raggiungerà traguardi ambiziosi, tra cui: - una riduzione del 55% della domanda di energia domestica di

picco e una riduzione del 10% del consumo energetico - una riduzione del 30% delle perdite nella distribuzione di

energia - una riduzione delle emissioni di anidride carbonica

Stoccolma (Svezia): sviluppo a basso impatto nel cuore della cittàABB sta collaborando con Fortum, la utility fi nlandese, a un progetto di ricerca e sviluppo che si pone l’obiettivo di testare il concetto di una rete elettrica fl essibile a emissioni ridotte nel distretto di Stoccolma denominato Royal Seaport, ex area industriale oggi fulcro di alcuni tra i progetti di riqualifi cazione urbana più importanti in Europa.

Gli attori dell’iniziativa, volta a ridare vita a questa parte della capitale svedese, vogliono realizzare un’area residenziale e commerciale basata su tecnologie pulite che offra un ambiente caratterizzato da elevata qualità della vita e basso impatto ambientale. Priorità fondamentale per il nuovo sviluppo è uno sfruttamento ottimale delle risorse naturali, inclusa l’energia da fonti rinnovabili.

Smart GridProgetti per l’evoluzione della rete

10 Progetti per l’evoluzione della rete | Smart Grid

ABB e Fortum stanno lavorando a stretto contatto per realizzare una rete in grado di sfruttare e mettere a disposizione delle abitazioni e degli immobili commerciali energia elettrica prodotta all’interno del distretto (attraverso pannelli solari sui tetti degli edifi ci o mini impianti eolici). Il progetto intende offrire anche stazioni di ricarica per veicoli elettrici, che consentano la ricarica delle batterie ma eventualmente anche la re-immissione di energia elettrica sulla rete.

La portata del progetto di Royal Seaport segna un grande passo in avanti verso lo sviluppo di una rete urbana più fl essibile e intelligente che integri fonti energetiche distribuite e rinnovabili. Nel nuovo distretto sorgeranno 10.000 abitazioni e 30.000 uffi ci.

Nell’area portuale, le imbarcazioni potranno avvalersi di connessioni di tipo shore-to-ship simili a quelle installate da ABB presso il porto di Gothenburg, così da non dover più utilizzare i generatori diesel a bordo durante l’ormeggio.

Oltre a incentivare la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili e l’uso di veicoli elettrici, Fortum e ABB desiderano creare a Stoccolma un’autentica comunità di consumatori “attivi”. Ciò signifi ca dotare le strutture domestiche e commerciali di tecnologie per la gestione energetica che permettano ai consumatori di monitorare e controllare l’utilizzo dell’energia stessa. Tutto ciò allo scopo di minimizzare gli sprechi e distribuire il consumo lungo l’arco della giornata, evitando il più possibile periodi di picco.

Nel maggio del 2010, ABB ha annunciato un’iniziativa simile presso la capitale fi nlandese, Helsinki. ABB, il fornitore locale Helsingin Energia e Nokia Siemens Networks lavoreranno insieme alla progettazione e all’installazione di una smart grid nel nuovo distretto di Kalasatama.

Friedrichshafen (Germania): un maggiore equilibrio tra domanda e offertaCon l’intento di incentivare lo sviluppo di tecnologie specifi che per le smart grid, ABB collabora con diversi partner, esperti nella comunicazione e nella gestione dei dati. In un progetto di questo tipo, ABB unisce la sua esperienza nel settore dell’energia e dell’automazione con quella di T-Systems, fi liale di Deutsche Telekom specializzata nelle telecomunicazioni.

La partnership intende promuovere lo sviluppo di tecnologie che offrano ai consumatori e ai produttori le informazioni necessarie, in un formato utilizzabile, per cambiare le modalità di interazione con il sistema di erogazione di energia elettrica. Il progetto coinvolge la cittadina di Friedrichshafen, nel sud della Germania.

Le competenze di ABB e T-Systems si integrano reciprocamente.

L’esperienza maturata da ABB nel settore della trasmissione e della distribuzione di energia elettrica e dei sistemi per la gestione di reti e la commercializzazione dell’energia, unitamente alla conoscenza di T-system dei sistemi di tariffazione basati su comunicazioni e telecomunicazioni a banda larga permetteranno a consumatori e produttori di energia elettrica di equilibrare la domanda e l’offerta in modo più effi cace. L’applicazione di tariffe fl essibili che rifl ettano le dinamiche della domanda in tempo reale, in combinazione con funzioni più sofi sticate di controllo degli apparecchi elettrici che consentano agli utenti di avvalersi della fornitura di energia a costi contenuti, ottimizzeranno lo sfruttamento delle risorse esistenti e faranno spazio a fonti meno prevedibili rispetto a quelle tradizionali, quali ad esempio quella da energia eolica e solare.

Un equilibrio più preciso tra domanda e offerta e un migliore sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili sono aspetti fondamentali per garantire l’osservanza degli ambiziosi obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2 imposti in numerosi paesi. Secondo le previsioni di alcuni osservatori di mercato, la quota di energie prodotte a partire da fonti rinnovabili in Germania arriverà al 35% entro il 2020.

Un traguardo simile comporterà nuove sfi de per i sistemi di distribuzione dell’energia elettrica, determinando fl uttuazioni nell’erogazione che dovranno essere rigidamente controllate. Senza un attento controllo, il sistema potrebbe veder ridurre la propria effi cienza se non addirittura incorrere in frequenti interruzioni.

L’introduzione di sistemi più sofisticati di comunicazione e automazione nel sistema di erogazione, attraverso lo sviluppo di una rete intelligente, aiuterà a stabilizzare la fornitura, facendo posto alle fonti rinnovabili e sostenendo l’impegno per combattere il cambiamento climatico.

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A cura di ABB:www.abb.com/smartgridswww.abb.com >> About ABB >> History >> ABB technologieswww.abb.com >> About ABB >> Technology >> Publications >> ABB Review >> ABB Review 1/2010www.ventyx.com >> News >> Smart Grid News

Altro:Dipartimento dell’energia degli Stati Unitiwww.oe.energy.gov >> Our Work >> Smart Grid >> The Smart Grid: An Introduction

Unione Europeawww.smartgrids.eu >> What is a SmartGrid? >> Benefits

Per ulteriori informazioni consultare: www.abb.com/smartgrids

1 Pike Research, dicembre 2009. Cfr. http://www.pikeresearch.com/newsroom/smart-grid-investment-to-total-200-billion-worldwide-by-2015.2 Agenzia Internazione per l’Energia ( IEA), 2009. World Energy Outlook.3 IPCC (comitato intergovernativo per i cambiamenti climatici), 2007. The Fourth Assessment Report.4 Agenzia Internazione per l’Energia ( IEA), 2009. World Energy Outlook.5 Lawrence Berkeley National Laboratory, febbraio 2005.6 Ministero inglese dei trasporti, 2008. Investigation into the scope for the transport sector to switch to electric vehicles and plug-in hybrid vehicles.7 McKinsey and Co., 2008. China Charges Up: The Electric Vehicle Opportunity.8 McKinsey and Co., 2009. Electrifying cars: How three industries will evolve. McKinsey Quarterly.9 Secondo previsioni più generiche, entro il 2020 il 10% dei nuovi veicoli sarà elettrico. Varie fonti, 2009: CS Investment Bank, Boston Consulting, Renault-Nissan, Roland Berger.10 Lawrence Berkeley National Laboratory (febbraio 2005)

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