Ottimizzazione dei sistemi smart grids ed energy harvesting nelle smart cities

Abstract

Sempre più spesso si sente parlare di Smart City. In effetti il termine "smart" sta diventando quasi una moda, ed è utilizzato in una grande quantità di contesti differenti. L’idea più moderna di Smart City nasce invece negli anni Novanta in concomitanza con la liberalizzazione delle telecomunicazioni ed il grande sviluppo di Internet, in quanto è proprio nella infrastruttura ICT che risiede la chiave di volta dell’intelligenza urbana dove il termine intelligente sta ad indicare un utilizzo concreto, efficace ed esteso delle tecnologie digitali. Le accezioni di Smart City oggi esistenti sono pertanto molteplici, per lo più declinate in base al punto di vista del singolo proponente. Volendo tentare una sistematizzazione per tipologia di stakeholder proponente (istituzionale, accademico o imprenditoriale) e per ambiti di focalizzazione, è possibile rilevare che la sostenibilità ambientale è l’unico aspetto comune a tutte le differenti definizioni, con la priorità rivolta ad un corretto ed efficiente uso delle risorse, che sta diventando sempre più essenziale soprattutto rispetto alle future generazioni che risiederanno nelle città. Le interpretazioni degli enti europei sono tendenzialmente più restrittive. Il focus è sulle infrastrutture di rete (energia, mobilità e ICT) ipotizzando un modello di sviluppo urbano “wired” dove la connettività è considerata fattore di crescita nel breve periodo. Si pongono, invece, in secondo piano le sfaccettature della Smart City connesse alla qualità della vita. Gli interventi sono focalizzati fondamentalmente su: - Mobilità pulita; - Riqualificazione energetica di edifici pubblici e privati; - Energy saving ed energy harvesting, senza tralasciare l’importante contributo derivante da una efficace sensibilizzazione dei cittadini in tema di consumi energetici; - Infrastrutture urbane (teleriscaldamento, illuminazione pubblica, smart grids, etc.). Si tratta, dunque, di una città in cui le fonti di energia rinnovabile sono integrate nel sistema energetico e le soluzioni per l’efficienza energetica sono applicate nei settori industriale, residenziale, infrastrutturale e nei trasporti. Un città in cui si producono meno rifiuti, ed i rifiuti prodotti vengono gestiti in maniera differenziata per produrre energia. Ed infine una città dove gli sprechi idrici ed elettrici vengono evitati grazie a sistemi di rilevamento e monitoraggio avanzati, sistemi di telecontrollo e sensori su lampioni pubblici, impianti di irrigazione e nuove tecnologie per il recupero energetico. Da un nostro punto di vista una smart city è pertanto una città in cui il tema centrale è l’energia. Recuperare energia è il tema su ci si è soffermati nella prima parte del Dottorato di Ricerca. In particolare abbiamo realizzato un dispositivo in grado di recuperare interessanti quantità di energia elettrica dal transito di veicoli in movimento che sarà trattato nel dettaglio nel paragrafo che segue. Tecnologia e produzione di energia elettrica sono trattati nel primo capitolo. Nella prima parte del Dottorato ci siamo interessati allo sviluppo di una nuova tecnologia che sia in grado di recuperare energia elettrica dal passaggio degli autoveicoli. Il dispositivo realizzato è essenzialmente un dosso artificiale che racchiude in se un sistema di recupero dell’energia dal passaggio di mezzi in movimento grazie all’utilizzo di pedane piezoelettromeccaniche. Ciò che viene convertito è il quantitativo di energia cinetica e potenziale dei mezzi in movimento. In particolare queste forme di energia vengono recuperate grazie all’utilizzo di due tecnologie: - La prima tecnologia sfrutta la legge dell’induzione elettromagnetica, per il recupero dell’energia cinetica; - La seconda tecnologia invece utilizza la capacità dei materiali piezoelettrici di produrre una differenze di potenziale sulla superficie del cristallo stesso se sottoposto a pressione. Questo principio è stato perciò utilizzato per la conversione dell’energia potenziale posseduta dal mezzo generico. Altro tema trattato riguarda il tema Smart Grids. Negli ultimi 5 / 6 anni in Italia si è verificata una vera e propria rincorsa alla realizzazione e connessione di impianti fotovoltaici in primo luogo, ma anche di impianti eolici, a biogas, a biomassa etc. Nel nostro Paese infatti si rileva, dai dati pubblicati dai Gestori di Rete, che alla fine del 2012 sono stati connessi più di 400.000 impianti da fonti rinnovabile, la maggior parte dei quali sono fonti non programmabili a causa della loro totale dipendenza dagli agenti atmosferici. Questa crescita esponenziale di connessioni è dovuta essenzialmente a tre ragioni: - La riduzione dei costi delle tecnologie di conversione e generazione; - L’erogazione di incentivi statali (Feed-in Tariff) per la produzione di energia elettrica rinnovabile (fotovoltaica in particolare) che hanno assicurato agli investitori un sicuro ritorno economico; - L’erogazione di mutui agevolati per la realizzazione dei suddetti impianti da parte degli Istituti di Credito. Tutto questo si è tradotto in un radicale cambiamento del sistema elettrico di distribuzione. Infatti se nella rete tradizionale l’energia veniva generata in pochi nodi (le grandi centrali di produzione da fonti fossili), adesso nodi di generazione sono presenti su gran parte del territorio nazionale. Inoltre i suddetti impianti sono nodi di generazione localizzati “randomicamente” sul territorio, in base alla richiesta del produttore, nella maggior parte dei casi un prosumer. Pertanto la rete elettrica deve “adattarsi” alla richiesta per poter distribuire la potenza che verrà immessa dal nuovo generatore distribuito. E non solo. La rete elettrica dovrà essere in grado di gestire impianti in cui anche la produzione di energia elettrica è randomica e che può variare in tempi molto ristretti (la nuvola che copre i pannelli dalla radiazione solare). Per queste e per molte altre ragioni che vedremo nel dettaglio nel seguito è richiesta una vera e propria evoluzione delle reti di distribuzione. La situazione sulle nostre reti può essere schematizzata nel circuito che segue in Figura 1: Figura 1 - Impatto della generazione distribuita s È evidente come la generazione distribuita abbia un impatto notevole sulla rete. Lo schema sopra presentato evidenzia il radicale mutamento a cui la rete è stata sottoposta. Infatti laddove prima erano presenti dei carichi, ora sono presenti dei generator approssimativamente la rete di distribuzione, le cui linee di media tensione sono alimentate per mezzo del trasformatore AT/MT. viene trasformata in bassa tensione grazie all’util presenti nelle cabine secondarie di trasformazione, dove approssimativamente la situazione si ripete, ovvero sono presenti linee esercite in bassa tensione dove ai nodi di carico si aggiungono i nodi di generazione. verranno introdotte per poter avere u troviamo i componenti di rete potenzialmente critici: - Interruttori di linea e Interruttori di Manovra l’inversione del flusso di potenza potrebbe non fare intervenire le protezioni, e, in caso di instaurazione di isola indesider riportare danni in caso di rialimentazione in controfase (analizzeremo questo fenomeno più in dettaglio nel seguito) - I conduttori, in quanto la sezione degli stessi è dimensionata in funzione dell’energia specifica passante. Ogni generator contribuisce alla corrente di cortocircuito. Quel contributo potrebbe danneggiare permanentemente mpatto sulla rete di distribuzione. generatori. Lo schema elettrico di figura infatti rappresenta A sua volta la tensione all’utilizzo di trasformatori MT/BT le criticità e le problematiche che è necessario superare una corretta gestione della rete elettrica. In primo l Manovra-Sezionatori indesiderata, potrebbero seguito). , generatore connesso alla rete i conduttori con costi di ripristino ulla i. izzo In particolare luogo Sezionatori, in quanto ata, e elevatissimi. Ovviamente il gestore di rete è tenuto a dover allineare gli impianti alle nuove condizioni di esercizio, ma anche questa attività può comportare la sostituzione di km di linee, con costi non trascurabili. - On Load Tap Changer (OLTC), anche conosciuto come Under Load Tap Changer (ULTC), che consiste nel dispositivo che si trova all’interno dell’On Load Tap Changing Transformer (trasformatore con variatore sotto carico). Parliamo del trasformatore AT/MT di cabina primaria, adibito alla trasformazione dell’energia in Alta Tensione in Media Tensione. L’OLTC è essenzialmente il dispositivo che esegue la regolazione della tensione sulla rete di media tensione, andando a variare in tempo reale il rapporto di spire tra primario e secondario del trasformatore AT/MT così da abbassare/elevare la tensione sulla linea di media tensione a valle. Se il carico aumenta, sarà maggiore la caduta di tensione, pertanto l’OLTC aumenterà il livello di tensione al secondario del trasformatore e viceversa, in un range che varia da un ± 5% ad un ±8% della tensione nominale di esercizio. La criticità consiste nel fatto che la presenza di fonti non programmabili può portare il dispositivo a stress notevoli causati non solo dai più frequenti cambiamenti del valore di tensione presenti sulla rete dovuti alla presenza di DG (riduzione della vita utile), ma anche al fatto che le potenze immesse da generatori fotovoltaici si arrestano immediatamente al passaggio di una nuvola, e la velocità con cui il brusco calo si presenta non può essere compensato dal variatore sotto carico (OLTC) del trasformatore. Infatti è giusto in questo caso paragonare le velocità delle giunzioni p-n con la meccanica del variatore del trasformatore. Quindi la regolazione della tensione con DG può essere compromessa, soprattutto nel caso in cui si verifichi l’inversione del flusso di potenza. Altre criticità dovute alla presenza della GD si presentano nel sistema di gestione della rete elettrica ed in particolare: - Regolazione della tensione, come già anticipato parlando del variatore sotto carico (OLTC) del Trasformatore AT/MT di cabina primaria; - Harmonic pollution, ovvero la presenza di armoniche sulla rete dovute alla presenza di inverter connessi alla rete per ogni impianto GD; - Disconnessioni di rete e buchi di tensione; - Fenomeno dell’isola indesiderata; - Perdite di rete; - Presenza di campi elettromagnetici potenzialmente dannosi. Avere un sistema di regolazione della tensione ottimale è un esigenza dalla quale non si può prescindere se si vuole entrare appieno nel contesto Smart Grids. Sono stati pertanto illustrate due possibili soluzioni implementabili sulla rete di media tensione (ma che non esclude a priori un impiego delle stesse soluzioni sulla rete di bassa tensione). In particolare analizzeremo come regolare la tensione attraverso l’utilizzo di: - Energy Storage System (ESS) - Virtual Power Plant (VPP) basandoci essenzialmente sulla possibilità di poter regolare la tensione variando la quantità di potenza attiva e reattiva erogata/assorbita dalla rete. Negli ultimi anni il numero di impianti FER connessi alla rete elettrica è cresciuto esponenzialmente. Questo progresso impiantistico ha coinvolto tutto il sistema elettrico. Ogni impianto, sia esso connesso in alta, media e bassa tensione, porta con se un aumento delle infrastrutture elettriche, e quindi un maggiore quantità di impianti su tutto il territorio. Infatti connettere un impianto in alta tensione (secondo la normativa italiana gli impianti con potenza maggiore di 10 MW devono essere connessi in alta tensione), può portare alla realizzazione di nuove officine elettriche, e sicuramente di nuovi elettrodotti, siano essi interrati o aerei. Il sistema elettrico porta con se un problema assai noto in letteratura: l’emissione di campi elettromagnetici. La minimizzazione delle emissioni comporta un sicuro beneficio per gli organismi biologici in prossimità di tali impianti. Un altro importante tema associato al trasporto di energia elettrica riguarda invece le perdite di rete per Effetto Joule (circa il 10% dell’energia elettrica prodotta in centrale viene dissipata in calore). In una società dove la richiesta di energia elettrica è in continuo aumento (almeno fino agli anni dell’inizio dell’ultima crisi economica), ridurre al minimo tali perdite comporta vantaggi da un punto di vista ambientale. Infatti tutti i MWh consumati per Effetto Joule si traducono in: - Riduzione dei consumi di TEP (Tonnellate Equivalenti di Petrolio) nelle grandi centrali, e quindi una riduzione di carburanti fossili altamente inquinanti; - Riduzione dello stress a cui le linee elettriche sono sottoposte, aumentando pertanto la vita utile di tali infrastrutture. Nell’ultima parte del lavoro è stato analizzato nel dettaglio quanto abbiamo fatto per ottimizzare le tematiche sopra citate, grazie all’utilizzo di algoritmi genetici che ben si prestano ad essere utilizzati nell’ottimizzazione di problemi di power flow. In particolare sono stati utilizzati i seguenti algoritmi: - PSO – Particle Swarm Optimization; - FSO – Flock-of-Starling Optimization; - METEO – Metric - Topological - Evolutionary Optimization.