Utilizzare l'elettrificazione e l'automazione per creare reti elettriche più efficienti e sostenibili - Parte 1 di 2

La sostituzione delle fonti energetiche tradizionali per la rete elettrica con fonti ecologiche sostenibili si chiama elettrificazione. In questo articolo, Parte 1 di 2, vengono discusse alcune delle sfide associate all'elettrificazione e il modo in cui l'automazione può contribuire alla sua efficienza e sostenibilità. La Parte 2 è dedicata alle certificazioni LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) e ZEB (Zero Energy Building) e spiega in che modo queste possano contribuire a ridurre le emissioni di carbonio e a migliorare la sostenibilità.

L'elettrificazione è la sostituzione dei sistemi che utilizzano combustibili fossili come il petrolio, il carbone e il gas naturale per la generazione di elettricità con il fotovoltaico e altre tecnologie "verdi" e la sostituzione dei veicoli con motore a combustione interna (ICE) con veicoli elettrici (EV). I sistemi elettrificati e l'uso dell'automazione che li collega e supporta le smart grid e le microgrid sono fattori importanti che portano la società verso un futuro più sostenibile ed ecologico.

La rete elettrica attuale non è stata progettata per sostenere la ricarica di grandi numeri di veicoli elettrici e si pensa che smart grid e microgrid saranno tecnologie fondamentali per supportare la sostituzione diffusa dei veicoli ICE con gli EV. In California il governatore ha recentemente emesso un ordine esecutivo che impone che entro il 2035 tutte le auto e i furgoni leggeri nuovi venduti siano veicoli a emissioni zero (EV). Gli sviluppatori di smart grid e microgrid devono soddisfare una serie di standard internazionali per affrontare questo tipo di sfide. Ad esempio, l'IEEE ha oltre 100 standard approvati o in fase di sviluppo che riguardano le smart grid, compresi gli oltre 20 standard IEEE citati nel Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability del National Institute of Science and Technology (NIST). Oltre agli standard IEEE, le microgrid sono regolate da IEC 62898 e da altri standard.

Questo articolo è la Parte 1 di 2. Analizza le sfide legate all'implementazione dell'elettrificazione, all'integrazione delle risorse energetiche distribuite (DER), alle somiglianze e alle differenze tra smart grid e microgrid e al modo in cui l'automazione ne migliora l'efficienza e la sostenibilità, supportando anche l'adozione universale dei veicoli elettrici. L'articolo inizia con un approfondimento su cosa sono e dove si collocano le DER e si conclude con un'analisi di come l'emergere delle microgrid stia rendendo meno netta la distinzione tra microgrid e smart grid. Qualunque sia l'implementazione, DigiKey fornisce un'ampia gamma di prodotti di automazione industriale a supporto dell'elettrificazione e dell'integrazione delle DER. Il secondo articolo esamina come l'elettrificazione e l'automazione possano essere utilizzate negli edifici ecologici per ottenere le certificazioni Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) e Zero Energy Building (ZEB).

Cos'è una DER?

La definizione della North American Electric Reliability Corporation (NERC) è la seguente: "una risorsa energetica distribuita (o DER) è una qualsiasi risorsa del sistema di distribuzione che produca elettricità e non sia altrimenti inclusa nella definizione formale di sistema elettrico di massa fornita da NERC".

Il termine "sistema di distribuzione" in Nord America si riferisce alle linee elettriche che trasportano fino a 34,5 kV e che di solito vanno dalle sottostazioni agli utenti finali. Il sistema di alimentazione di massa (o BPS) comprende le linee che arrivano alla sottostazione e che spesso trasportano oltre 100 kV su lunghe distanze, collegando gli impianti di produzione di energia elettrica di massa su larga scala con le risorse di interconnessione e le sottostazioni (Figura 1).

Figura 1: Le DER sono presenti nel sistema di distribuzione (blu); le altre risorse energetiche rinnovabili sono presenti nel sistema di alimentazione di massa (verde). (Immagine per gentile concessione di NERC)

Le DER sono tutte le risorse di sistema non di massa, comprese le unità di generazione come le turbine eoliche e gli impianti fotovoltaici, le unità di accumulo dell'energia, la maggior parte dei sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS), i caricabatterie per veicoli elettrici (chiamati anche attrezzature di servizio per veicoli elettrici o EVSE) e le microgrid. Le DER sono presenti sia dietro il contatore che direttamente sul sistema di distribuzione. Le fonti DER dietro il contatore includono array fotovoltaici, BESS, EV collegati alla rete elettrica e fonti di alimentazione ausiliaria, come i grandi generatori diesel installati nei data center e in altri luoghi. Una microgrid è un tipo particolare di DER.

Smart grid, microgrid ed elettrificazione

Una microgrid è una DER, ma non tutte le DER sono microgrid. Dal punto di vista del BPS, i termini "microgrid" e "DER" si riferiscono a tipi di risorse di generazione o accumulo di energia. Il termine "smart grid" si riferisce alle tecnologie di comunicazione e controllo utilizzate dal BPS per assicurare un funzionamento resiliente ed efficiente. Un altro fattore di differenziazione è che le microgrid includono risorse di generazione e di accumulo, più i carichi. Una smart grid, invece, è composta principalmente da risorse di generazione, con alcune risorse di accumulo, ma niente carichi. La smart grid può comunicare con i carichi, ma questi sono separati dalla rete.

L'elettrificazione influisce sulle microgrid, sul BPS e sulle smart grid in modi diversi. Nel BPS, l'elettrificazione si aggiunge a una rete esistente e, se non gestita correttamente, può avere conseguenze operative negative non volute. È qui che entra in gioco la tecnologia delle smart grid.

Il controllo e le comunicazioni bidirezionali sono il principale elemento di differenziazione delle smart grid. Questi sistemi di controllo includono sensori per monitorare la stabilità della rete e contatori avanzati per monitorare la domanda di elettricità. Utilizzano inoltre una serie di dispositivi di commutazione di potenza e di qualità dell'energia controllabili per gestire i flussi di elettricità. I sensori sono fondamentali per consentire una maggiore penetrazione delle fonti di energia rinnovabile e dell'elettrificazione nel BPS e per assicurare la stabilità della rete. Inoltre, i sensori e gli elementi di controllo consentono di reagire in modo più rapido ed efficace ai disturbi dell'alimentazione e di bilanciare e proteggere la rete, soprattutto nei periodi di picco della domanda e in presenza di una disponibilità variabile di energia. Le tecnologie smart grid supportano anche il coordinamento e l'integrazione delle microgrid con il sistema di distribuzione e il BPS.

Al contrario, una microgrid è progettata per accogliere le tecnologie di elettrificazione come le fonti rinnovabili, i BESS e i veicoli elettrici. Le microgrid e le smart grid richiedono controlli automatizzati, come un sistema di gestione delle risorse energetiche distribuite (DERM).

I sistemi DERM sono imprescindibili

I sistemi DERM e l'automazione sono definiti e implementati in modo differente nelle smart grid e nelle microgrid. Le smart grid comprendono diverse fonti di generazione e gli utenti dell'elettricità sono distribuiti su un'ampia area con un centro di controllo centralizzato per la gestione della rete elettrica (Figura 2). La gestione della rete elettrica è il concetto chiave per il controllo della smart grid nel BPS. I BPS esistenti sono stati progettati e costruiti prima che vi fosse la necessità di supportare l'elettrificazione e possono essere soggetti a un funzionamento inaffidabile, in quanto la generazione dispacciabile (controllabile) alimentata da combustibili fossili viene sempre più sostituita da fonti di energia rinnovabile imprevedibili (e quindi meno controllabili). Inoltre, la ricarica di un gran numero di veicoli elettrici sarà per lo più non dispacciabile e non direttamente controllabile dall'azienda elettrica. Il controllo centralizzato e automatizzato consentito dalla tecnologia delle smart grid è necessario per compensare il fatto che le fonti di energia rinnovabile utilizzate per l'elettrificazione e la ricarica di EV non sono prevedibili come gli elementi della rete elettrica convenzionale.

Figura 2: Una smart grid si basa su controller automatici e sistemi DERM per la gestione della rete elettrica in tempo reale. (Immagine per gentile concessione di ETAP)

I controller di smart grid e microgrid hanno bisogno di informazioni provenienti da vari sensori per monitorare le risorse collegate in tempo reale. Con l'avvento degli EV e delle EVSE, i controller vengono utilizzati anche per gestire la domanda di potenza della ricarica e possono utilizzare la comunicazione veicolo-rete (V2G) per coordinare il collegamento degli EV alla rete elettrica o a una microgrid per fornire una capacità di accumulo dell'energia incrementale.

Oltre a monitorare lo stato delle risorse collegate, i controller per le microgrid collegate alla rete elettrica devono anche monitorare lo stato della rete elettrica locale. L'apparecchiatura di controllo è un componente essenziale delle smart grid e delle microgrid e deve rispondere nel giro di millisecondi per garantire un funzionamento affidabile. Le dimensioni di queste apparecchiature variano da pochi kilowatt per le microgrid di piccole dimensioni a diversi megawatt per le microgrid di grandi dimensioni e per la rete elettrica. Per le microgrid di piccole dimensioni, le apparecchiature di controllo e il controller possono trovarsi nello stesso armadio, riducendo i costi e accelerando l'installazione. I sistemi DERM per smart grid e microgrid comprendono la misurazione intelligente della produzione e del consumo di energia, utilizzata da analisi basate su cloud per massimizzare i benefici economici delle DER e supportare alti livelli di resilienza. Le architetture esatte dei sistemi DERM possono variare con le tipologie di microgrid.

Tipologie di microgrid

Le microgrid possono essere classificate in base alle loro applicazioni e alla loro architettura. In base alla loro architettura, le microgrid possono essere remote, connesse in rete o collegate alla rete elettrica. Le microgrid remote si trovano in luoghi quali isole oppure siti minerari o agricoli remoti. Vengono chiamate anche "microgrid off-grid" e sono fisicamente separate da qualsiasi BPS. Devono essere completamente autosufficienti.

Le microgrid connesse in rete o annidate sono reti di molte DER o microgrid singole collegate a un sistema di distribuzione comune. Di solito sono controllate da un sistema di supervisione centralizzato che bilancia le esigenze di funzionamento della microgrid con il supporto alla rete di distribuzione più ampia. Il controller spesso assegna una gerarchia di importanza alle microgrid e alle DER per assicurare la protezione degli elementi più critici. Le applicazioni per le microgrid connesse in rete comprendono microgrid di comunità, città intelligenti e la categoria emergente delle microgrid di utenze.

Le microgrid connesse in rete sono una sottocategoria delle microgrid collegate alla rete elettrica. Tutte le microgrid collegate alla rete elettrica sono fisicamente collegate alla rete di distribuzione e dispongono di un dispositivo di commutazione nel punto di accoppiamento comune (PCC) in cui avviene il collegamento alla rete di distribuzione. Durante il normale funzionamento, una microgrid collegata alla rete elettrica è collegata alla rete di distribuzione. Può fornire servizi alla rete elettrica, come la regolazione della frequenza e della tensione, il supporto alla potenza reale e reattiva e la risposta alla domanda per mitigare le limitazioni di capacità.

Nel funzionamento a isole, la microgrid non è collegata alla rete di distribuzione. Il passaggio al funzionamento a isole può verificarsi a causa di un'interruzione della rete di distribuzione o per altre esigenze, come ad esempio la manutenzione. Quando passano dal funzionamento a isole a quello collegato alla rete elettrica, queste microgrid devono rilevare la frequenza della distribuzione e sincronizzare il funzionamento prima di ricollegarsi.

Sono numerose le applicazioni per le microgrid: campus, ospedali e centri medici, installazioni commerciali, comunità e impianti industriali. La categoria di applicazioni più recente è quella delle microgrid di utenze (Figura 3).

Figura 3: Le microgrid vengono spesso classificate in base alla loro applicazione. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Linea di demarcazione sfumata

Con l'aumento della diffusione delle microgrid di utenze, la linea di demarcazione che separa le smart grid dalle microgrid va sfumandosi. Al contempo la definizione di una DER cambia da risorsa energetica distribuita a risorsa energetica dedicata. Le microgrid di utenze sono progettate per ridurre le interruzioni di corrente dovute a eventi meteorologici estremi, incendi e altre sfide impreviste. Con le architetture esistenti, ampie sezioni della rete elettrica vengono disalimentate per sicurezza durante gli eventi estremi.

Come conseguenza importante e spiacevole di queste interruzioni di corrente impreviste ed estese, viene scoraggiato l'uso di veicoli elettrici. Le microgrid di utenze sono considerate la chiave per un'adozione diffusa dei veicoli elettrici. Le microgrid di utenze sono in fase di proposta e di implementazione in tutti gli Stati Uniti. Ad esempio, Southern California Edison (SCE) ha proposto lo sviluppo di microgrid PSPS (Public Safety Power Shutoff) per assicurare la più ampia disponibilità di energia elettrica possibile durante gli incendi. Altre utenze si riferiscono alla nuova architettura della rete elettrica come microgrid di comunità (Figura 4).

Figura 4: Le microgrid di utility possono includere un'ampia gamma di risorse distribuite su aree geografiche relativamente ampie e sfumano la linea di demarcazione tra smart grid e microgrid tradizionali. (Immagine per gentile concessione di Edison International)

La capacità di funzionamento a isole delle microgrid di utenze è fondamentale per migliorare la disponibilità di energia elettrica a un livello più granulare di quanto sia attualmente possibile. Si prevede l'impiego di microgrid di un'ampia gamma di dimensioni, da comunità residenziali complete a luoghi pubblici, come scuole e altri luoghi strategici come stazioni dei vigili del fuoco, centri medici e centri di evacuazione. Le installazioni di EVSE sono una parte fondamentale del progetto della maggior parte di queste microgrid di comunità. Secondo le previsioni, le EVSE supporteranno il collegamento alla rete elettrica degli EV come fonte aggiuntiva di energia di riserva e per la ricarica dei veicoli.

Conclusione

L'elettrificazione è necessaria per garantire reti elettriche più sostenibili e ridurre le emissioni di CO₂. Molte tecnologie di elettrificazione, come l'energia fotovoltaica e i veicoli elettrici, non sono prevedibili quanto le risorse tradizionali che stanno sostituendo. Ciò significa che l'elettrificazione deve essere supportata da reti di sensori avanzati e sistemi di controllo automatizzati in smart grid e microgrid.