Smart Domo Grid, a Brescia un quartiere smart per studiare le reti in bassa tensione

Favorire una maggiore interazione tra la rete elettrica e le abitazioni con l’obiettivo di promuovere un’offerta di servizi reciproca. Analizzare nuove soluzioni tecnologiche innovative per rendere la rete elettrica una vera smart grid. Favorire una gestione efficiente degli elettrodomestici smart attraverso una programmazione mirata in modo da metterli in funzione quando è più conveniente per l’utente finale (quindi ottimizzare l’utilizzo dell’energia elettrica quando è maggiormente disponibile). Simulare nuovi piani tariffari che tengano conto delle previsioni da fotovoltaico. Rendere l’utente finale parte attiva del sistema elettrico, cercare di ridurre le perdite sulla rete e ottimizzarla, migliorare l’efficacia dei processi operativi e gestire in maniera efficace le informazioni in un’ottica di smart city.

Sono questi i principali obiettivi del progetto Smart Domo Grid, finanziato grazie al programma della Ricerca di Sistema della CSEA (Cassa per i Servizi Energetici e Ambientali). L’iniziativa ha coinvolto 21 famiglie del quartiere Violino a Brescia dall’agosto del 2011 al marzo del 2015 e ha visto la partecipazione di A2A Reti Elettriche (ora Unareti), del Politecnico di Milano – Dipartimento Energia e di Whirlpool. In particolare nell’ambito del progetto quasi tutte le abitazioni sono state dotate di elettrodomestici “intelligenti” (frigorifero, lavatrice e lavastoviglie) connessi alla rete internet e gestibili da remoto, contatori e inverter di ultima generazione, sistemi di accumulo e tablet. Tutti questi dispositivi venivano “governati” da un’applicazione remota denominata Domestic Energy Management System, in grado di ottimizzare i consumi dell’abitazione in funzione delle specifiche richieste dell’utilizzatore finale e di comunicare in tempo reale i consumi energetici dell’appartamento.

Insieme al Professor Roberto Faranda, del Dipartimento Energia del Politecnico di Milano abbiamo approfondito alcuni aspetti relativi al progetto.

Il focus del progetto  

Qual è l’elemento cardine attorno cui ruota il progetto? 

Già dal nome del progetto è facile intuire che l’elemento cardine intorno a cui far ruotare le attività è associato all’interazione tra il distributore dell’energia elettrica e l’utente domestico. Lo spirito del progetto è stato quello di analizzare proprio le reti in bassa tensione, per capire come gestirle al meglio grazie alla cooperazione tra le due tipologie di attori principali: il distributore dell’energia elettrica, e quindi il proprietario della rete di distribuzione in bassa tensione, e l’utente finale domestico, che è collegato ad essa. Ovviamente la volontà di rendere il consumatore partecipe e coinvolgerlo attivamente è stato un elemento cardine dell’attività che ha anche permesso di agevolare il lavoro. L’idea è stata quella di coordinare diversi concetti di interesse del distributore e del cliente finale che normalmente operano in modo disgiunto, come ad esempio comprendere come incrementare l’interoperabilità di macchine elettroniche per regolare la tensione di rete o la generazione di un po’ di potenza reattiva. In particolare il focus su cui volevamo concentrarci era il binomio rete in bassa tensione/carico domestico, e il supporto di Whirpool è stato fondamentale per interfacciare attivamente il distributore al cliente finale e quindi per permettere al cliente di monitorare i propri carichi elettrici e per farlo partecipare al meglio alla gestione dell’assorbimento di energia in bassa tensione. 

Perché avete ritenuto interessante studiare la bassa tensione e il carico domestico?

Uno studente che ho seguito per la tesi un po’ di tempo fa mi ha fatto riflettere sul fatto che ormai anche l’Europa sta seguendo un trend legato al controllo del carico domestico, perché costituisce circa il 30% del consumo elettrico. Questa è una percentuale molto significativa, in crescita, anche se è un elemento poco analizzato in quanto gli utenti da contattare sono troppi. Inoltre in campo domestico l’ottimizzazione del consumo è questione di pochi utenti. Solo le industrie puntano all’efficienza energetica, gli utenti domestici, invece, fanno un po’ più fatica ad andare in quella direzione. In questo senso la percentuale di energia utilizzata dagli utenti domestici potrebbe iniziare ad avere un peso significativo e potrebbe avere una importanza strategica significativa. Inoltre il concetto di smart grid è sempre più associato alle reti BT di piccole dimensioni che coinvolgono pochi utenti. Così abbiamo deciso di studiare la rete e i clienti in bassa tensione.

Quali sono le caratteristiche dell’applicazione DEMS?

La soluzione è stata sviluppata da Whirlpool sulla base di un sistema che stavano già utilizzando per la gestione dei carichi domestici. Lo scopo dell’app era quella di far vedere agli utenti finali i consumi delle loro apparecchiature permettendo loro di controllare i propri carichi da remoto con informazioni di costo. Questo sistema è stato poi adattato introducendo l’ottimizzazione dei carichi e degli altri apparecchi di proprietà del cliente finale (come il sistema di accumulo e la produzione da fotovoltaico). E’ quindi stato creato un manager virtuale, qualcuno che decidesse quando caricare o scaricare l’accumulo in funzione della previsione di gestione dello stesso nella giornata e in funzione del costo della bolletta elettrica oppure che decidesse al posto dell’utente quando azionare, ad esempio, la lavatrice in funzione, sempre, del costo della bolletta elettrica, della disponibilità di energia nell’accumulo o proveniente dall’impianto fotovoltaico. Nell’app l’utente sceglie una finestra temporale in cui azionare il dispositivo e, a valle di questo, il DEMS determina quando attivarlo al fine di rispettare le necessità dell’utente finale (minore costo e potenza limite assorbita dalla rete).

Al fine di eseguire la scelta di ottimo il DEMS ha, quindi, bisogno di una serie di dati, tra cui le tariffe elettriche, le previsioni meteo, i consumi elettrici dell’abitazione etc. Nel progetto sono state perciò simulate da A2A Reti Elettriche delle nuove tariffe orarie (virtuali), differenti nel costo, che il distributore inviava al DEMS e abbiamo anche inserito, visto che i carichi coinvolti nella sperimentazione sono dotati di fotovoltaico, la previsione di produzione fotovoltaica ottenuta tramite l’invio di previsioni meteo al DEMS.

 Sperimentazione sul feeder 7 

Sul feeder numero 7 linea B, in cui è installato l’Open UPQC sviluppato dal Politecnico, è stata portata avanti una sperimentazione particolare, diversa dalle altre. Quali erano gli elementi su cui volevate concentrare la vostra attenzione?

Negli altri feeder gli utenti monitoravano, gestivano e ottimizzavano il loro consumo. Sul feeder 7 è stata fatta, invece, una sperimentazione diversa. Lì ci sono in tutto 15 utenti e 5 utenti che sono stati dotati degli elettrodomestici smart e in più hanno i sistemi di accumulo. Questi clienti sono stati inseriti tutti quanti su una linea B del feeder 7, e su questo feeder è stato montato un dispositivo chiamato Open-UPQCserie monofase che ha delle funzioni di miglioramento della qualità della tensione dell’intera area alimentata. La sperimentazione che è stata effettuata in questo caso è stata differente, è quella che stiamo portando avanti anche adesso. Ma entriamo più in dettaglio.

Il profilo di tensione degli utenti può variare a livello normativo da 253V a 207V. In alcuni casi gli utenti escono da questi limiti di tensione, perché normalmente il controllo della tensione è gestito da trasformatori con un controllo orario, giornaliero, sulla rete di media tensione. La regolazione della tensione nella rete in bassa tensione è quindi del tutto assente e in alcuni casi può anche uscire dai limiti prima definiti.

Per questo motivo è stato implementato l’Open-UPQC serie che permette un controllo di tipo dinamico della tensione di rete, infatti il dispositivo è in grado di stabilizzare il valore della tensione in uscita dalla cabina di trasformazione MT/BT. In questo modo si ottiene una migliore qualità dei carichi. Oggi il distributore paga delle penali se alimenta carichi con qualità scarsa, il fatto di stabilizzare i valori di tensione in uscita può avere dei risvolti molto interessanti. Il distributore, ad esempio, può variare la tensione di alimentazione dei carichi e in questo modo potrebbe avere un controllo indiretto della potenza assorbita dagli stessi carichi, potrebbe perciò creare delle piccole variazioni nell’assorbimento di potenza da parte dell’utente finale migliorando l’efficienza della rete. In questo caso il vantaggio prevalente è per il distributore ma anche del cliente finale che si trova alimentato da una tensione più stabile. Inoltre i clienti dotati di accumulo hanno la possibilità di partecipare alla regolazione, e quindi di fatto garantirsi dei vantaggi, cooperando con il distributore al miglioramento della qualità della tensione di rete. Questo dispositivo, per funzionare, lavora con una certa logica cooperativa: usa solo potenza reattiva. Nel caso in cui la potenza reattiva nella rete non fosse sufficiente a “stabilizzare la tensione”, allora il distributore può chiedere alle unità derivate (Open-UPQCparallelo), che sono in casa dell’utente (in pratica gli accumuli prima definiti), di produrne un po’ in modo da permettere all’Open-UPQCserie di stabilizzare la tensione.

Semplificando il tutto il concetto è questo: l’unità serie ha la possibilità di migliorare la tensione di rete di un’area intera e, grazie al contributo delle unità parallele, ha la possibilità di svolgere meglio il suo lavoro cooperando con loro. Questa cooperazione per l’utente finale vuol dire anche incentivi, perché, oltre ad installare l’accumulo per sé, può ricevere degli incentivi economici quando il distributore gli chiede la potenza reattiva. Il distributore, invece, ha il vantaggio di non doversi dotare di dispositivi che gli costano e può sfruttare quelli dell’utente finale per questa funzione riducendo i costi di investimento nella rete elettrica.