Reti energetiche intelligenti

Si stima che la domanda globale di energia cresca di circa il 2,2% all'anno. Ciò significa che l'attuale consumo energetico globale di oltre 20 petawattora aumenterà a 2030 petawattora nel 33. Allo stesso tempo, l'accento viene posto sull'utilizzo dell'energia in modo più efficiente che mai.

1. Auto nella rete intelligente

Altre proiezioni prevedono che i trasporti consumeranno più del 2050% della domanda di elettricità entro il 10, in gran parte a causa della crescente popolarità dei veicoli elettrici e ibridi.

se ricarica della batteria del veicolo elettrico non è gestito correttamente o non funziona da solo, c'è il rischio di picchi di carico dovuti a troppe batterie caricate contemporaneamente. La necessità di soluzioni che consentano di ricaricare i veicoli a orari ottimali (1).

I classici sistemi energetici del XX secolo, in cui l'elettricità veniva prodotta prevalentemente in centrali elettriche centrali e consegnata ai consumatori tramite linee di trasmissione ad alta tensione e reti di distribuzione a media e bassa tensione, non sono adatti alle esigenze della nuova era.

Negli ultimi anni si assiste anche al rapido sviluppo dei sistemi distribuiti, piccoli produttori di energia che possono condividere le proprie eccedenze con il mercato. Hanno una quota significativa nei sistemi distribuiti. fonti di energia rinnovabile.

Glossario delle reti intelligenti

AMI - abbreviazione di Advanced Metering Infrastructure. Indica l'infrastruttura di dispositivi e software che comunicano con i contatori elettrici, raccolgono dati energetici e analizzano questi dati.

generazione distribuita - produzione di energia da parte di piccoli impianti di generazione o impianti collegati direttamente alle reti di distribuzione o situati nel sistema elettrico del destinatario (dietro dispositivi di controllo e misurazione), solitamente producendo elettricità da fonti energetiche rinnovabili o non tradizionali, spesso in combinazione con la produzione di calore (cogenerazione distribuita ). . Le reti di generazione distribuita possono includere, ad esempio, prosumer, cooperative energetiche o centrali elettriche comunali.

metro intelligente – un contatore elettrico a distanza che ha la funzione di trasmettere automaticamente i dati di misura dell'energia al fornitore e offrire così maggiori opportunità per un uso consapevole dell'energia elettrica.

Micro fonte di alimentazione – un piccolo impianto di produzione di energia elettrica, solitamente utilizzato per autoconsumo. La microsorgente può essere costituita da piccoli impianti solari domestici, idroelettrici o eolici, microturbine alimentate a gas naturale o biogas, unità con motori alimentati a gas naturale o biogas.

Prosumer – un consumatore consapevole di energia che produce energia per il proprio fabbisogno, ad esempio in microfonti, e vende l'eccedenza non utilizzata alla rete di distribuzione.

Tariffe dinamiche – tariffe che tengono conto delle variazioni giornaliere dei prezzi dell'energia.

Spazio-tempo osservabile

Risolvere questi problemi (2) richiede una rete con un'infrastruttura flessibile "pensante" che indirizzerà l'energia esattamente dove è necessaria. Una tale decisione rete energetica intelligente – rete elettrica intelligente.

2. Le sfide del mercato energetico

In generale, una rete intelligente è un sistema elettrico che integra in modo intelligente le attività di tutti i partecipanti ai processi di produzione, trasmissione, distribuzione e utilizzo al fine di fornire energia elettrica in modo economico, sostenibile e sicuro (3).

La sua premessa principale è il collegamento tra tutti i partecipanti al mercato dell'energia. La rete collega le centrali elettriche, grandi e piccoli e consumatori di energia in un'unica struttura. Può esistere e funzionare grazie a due elementi: l'automazione basata su sensori avanzati e un sistema ICT.

Per dirla semplicemente: la rete intelligente “sa” dove e quando si verificano il maggior fabbisogno di energia e la maggiore fornitura e può indirizzare l'energia in eccesso dove è più necessaria. Di conseguenza, una tale rete può migliorare l'efficienza, l'affidabilità e la sicurezza della catena di approvvigionamento energetico.

3. Smart grid - schema di base

4. Tre aree delle reti intelligenti, obiettivi e benefici che ne derivano

Reti intelligenti consentono di rilevare a distanza i contatori elettrici, monitorare lo stato di ricezione e della rete, nonché il profilo di ricezione dell'energia, identificare consumi energetici illeciti, interferenze nei contatori e perdite di energia, scollegare/collegare a distanza il destinatario, cambiare tariffa, archivio e fattura per valori letti e altre attività (4).

È difficile determinare con precisione la domanda di energia elettrica, quindi di solito il sistema deve utilizzare la cosiddetta riserva calda. L'utilizzo della generazione distribuita (vedi Glossario Smart Grid) in combinazione con la Smart Grid può ridurre notevolmente la necessità di mantenere pienamente operative grandi riserve.

Pilastro reti intelligenti c'è un ampio sistema di misurazione, contabilità intelligente (5). Comprende sistemi di telecomunicazione che trasmettono i dati di misurazione ai punti decisionali, nonché algoritmi intelligenti di informazione, previsione e processo decisionale.

Sono già in costruzione le prime installazioni pilota di sistemi di misura "intelligenti", che coprono singole città o comuni. Grazie a loro, puoi, tra l'altro, inserire tariffe orarie per i singoli clienti. Ciò significa che in determinate ore del giorno il prezzo dell'elettricità per un tale singolo consumatore sarà inferiore, quindi vale la pena accendere, ad esempio, una lavatrice.

Secondo alcuni scienziati, come un gruppo di ricercatori del Max Planck Institute tedesco di Göttingen guidato da Mark Timm, milioni di contatori intelligenti potrebbero in futuro creare un sistema completamente autonomo rete di autoregolazione, decentralizzato come Internet e sicuro perché resistente agli attacchi a cui sono esposti i sistemi centralizzati.

Forza dalla pluralità

Fonti elettriche rinnovabili A causa della piccola capacità dell'unità (RES) sono sorgenti distribuite. Queste ultime comprendono fonti di potenza unitaria inferiore a 50-100 MW, installate in prossimità del consumatore finale di energia.

Tuttavia, in pratica il limite per una fonte considerata come fonte distribuita varia notevolmente da paese a paese, ad esempio la Svezia è 1,5 MW, la Nuova Zelanda 5 MW, gli USA 5 MW, il Regno Unito 100 MW. .

Con un numero sufficientemente elevato di sorgenti disperse su una piccola area del sistema elettrico e grazie alle opportunità che offrono reti intelligenti, diventa possibile e redditizio combinare queste fonti in un unico sistema controllato dall'operatore, creando una "centrale virtuale".

Il suo obiettivo è concentrare la generazione distribuita in un unico sistema logicamente connesso, aumentando l'efficienza tecnica ed economica della produzione di energia elettrica. La generazione distribuita situata nelle immediate vicinanze dei consumatori di energia può anche utilizzare risorse di carburante locali, inclusi biocarburanti ed energie rinnovabili, e persino rifiuti urbani.

Una centrale elettrica virtuale collega molte diverse fonti di energia locali in una determinata area (centrali idroelettriche, eoliche, fotovoltaiche, turbine a ciclo combinato, motogeneratori, ecc.) e di accumulo di energia (serbatoi d'acqua, batterie) che sono controllate a distanza da un rete informatica estesa.

Una funzione importante nella creazione di centrali elettriche virtuali dovrebbe essere svolta dai dispositivi di accumulo di energia che consentono di adeguare la produzione di elettricità ai cambiamenti quotidiani della domanda dei consumatori. Di solito tali serbatoi sono batterie o supercondensatori; le stazioni di pompaggio possono svolgere un ruolo simile.

Un'area energeticamente equilibrata che forma una centrale elettrica virtuale può essere separata dalla rete elettrica mediante moderni interruttori. Tale interruttore protegge, esegue lavori di misurazione e sincronizza il sistema con la rete.

Il mondo sta diventando più intelligente

W reti intelligenti attualmente investiti da tutte le più grandi compagnie energetiche del mondo. In Europa, ad esempio, EDF (Francia), RWE (Germania), Iberdrola (Spagna) e British Gas (Regno Unito).

6. Smart grid combina fonti tradizionali e rinnovabili

Un elemento importante di questo tipo di sistema è la rete di distribuzione delle telecomunicazioni, che fornisce una trasmissione IP bidirezionale affidabile tra i sistemi applicativi centrali e i contatori elettrici intelligenti posti direttamente all'estremità del sistema elettrico, presso i consumatori finali.

Allo stato attuale, le più grandi reti di telecomunicazioni del mondo per le esigenze Rete intelligente dai maggiori operatori energetici nei loro paesi - come LightSquared (USA) o EnergyAustralia (Australia) - sono prodotti utilizzando la tecnologia wireless Wimax.

Inoltre, la prima e una delle più grandi implementazioni pianificate del sistema AMI (Advanced Metering Infrastructure) in Polonia, che è parte integrante della rete intelligente di Energa Operator SA, prevede l'utilizzo del sistema Wimax per la trasmissione dei dati.

Un importante vantaggio della soluzione Wimax rispetto ad altre tecnologie utilizzate nel settore energetico per la trasmissione dati, come il PLC, è che non è necessario spegnere interi tratti di linee elettriche in caso di emergenza.

7. Piramide energetica in Europa

Il governo cinese ha sviluppato un ampio piano a lungo termine per investire nei sistemi idrici, aggiornare ed espandere le reti di trasmissione e le infrastrutture nelle aree rurali e reti intelligenti. La Chinese State Grid Corporation prevede di introdurli entro il 2030.

La Japan Electricity Industry Federation prevede di sviluppare una rete intelligente a energia solare entro il 2020 con il sostegno del governo. Attualmente in Germania è in fase di attuazione un programma statale per testare l'energia elettronica per le reti intelligenti.

Nei paesi dell'UE sarà realizzata una “super rete” energetica, attraverso la quale sarà distribuita l'energia rinnovabile, principalmente da impianti eolici. A differenza delle reti tradizionali, non sarà basata su alternata, ma su corrente elettrica continua (DC).

I fondi europei hanno finanziato il programma di ricerca e formazione relativo al progetto MEDOW, che riunisce università e rappresentanti dell'industria energetica. MEDOW è l'abbreviazione del nome inglese "Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind".

Il programma di formazione dovrebbe durare fino a marzo 2017. Creazione reti di energia rinnovabile su scala continentale e un collegamento efficiente alle reti esistenti (6) ha senso per le caratteristiche specifiche dell'energia rinnovabile, che è caratterizzata da periodiche eccedenze o carenze di capacità.

Il programma Smart Peninsula operante nella penisola di Hel è ben noto nell'industria energetica polacca. È qui che Energa ha implementato i primi sistemi di telelettura di prova del Paese e dispone dell'infrastruttura tecnica adeguata al progetto, che sarà ulteriormente potenziata.

Questo posto non è stato scelto a caso. Questa zona è caratterizzata da elevate fluttuazioni dei consumi energetici (consumi elevati in estate, molto meno in inverno), il che crea un'ulteriore sfida per gli ingegneri energetici.

Il sistema implementato dovrebbe essere caratterizzato non solo da un'elevata affidabilità, ma anche da flessibilità nel servizio al cliente, che consenta loro di ottimizzare i consumi energetici, modificare le tariffe elettriche e utilizzare fonti energetiche alternative emergenti (pannelli fotovoltaici, piccoli aerogeneratori, ecc.).

Di recente, sono emerse anche informazioni sul fatto che Polskie Sieci Energetyczne desidera immagazzinare energia in potenti batterie con una capacità di almeno 2 MW. L'operatore prevede di costruire impianti di stoccaggio dell'energia in Polonia che sosterranno la rete elettrica, garantendo la continuità della fornitura quando le fonti di energia rinnovabile (FER) smetteranno di funzionare a causa della mancanza di vento o dopo il tramonto. L'elettricità dal magazzino andrà quindi alla rete.

Il test della soluzione potrebbe iniziare entro due anni. Secondo informazioni non ufficiali, i giapponesi di Hitachi offrono PSE per testare potenti contenitori per batterie. Una di queste batterie agli ioni di litio è in grado di fornire 1 MW di potenza.

I magazzini possono anche ridurre la necessità di espandere le centrali elettriche convenzionali in futuro. I parchi eolici, caratterizzati da un'elevata variabilità della potenza erogata (dipendente dalle condizioni meteorologiche), obbligano l'energia tradizionale a mantenere una riserva di potenza tale da poter sostituire o integrare in qualsiasi momento i mulini a vento con potenza ridotta.

Gli operatori di tutta Europa stanno investendo nello stoccaggio di energia. Di recente, gli inglesi hanno lanciato la più grande installazione di questo tipo nel nostro continente. La struttura di Leighton Buzzard, vicino a Londra, è in grado di immagazzinare fino a 10 MWh di energia e fornire 6 MW di potenza.

Dietro di lui ci sono S&C Electric, Samsung, oltre a UK Power Networks e Younicos. Nel settembre 2014, quest'ultima società ha realizzato il primo accumulo di energia commerciale in Europa. È stato lanciato a Schwerin, in Germania, e ha una capacità di 5 MW.

Il documento “Smart Grid Projects Outlook 2014” contiene 459 progetti realizzati dal 2002, in cui l'uso delle nuove tecnologie, le capacità ICT (televisione) hanno contribuito alla creazione di una “rete intelligente”.

Va notato che sono stati presi in considerazione i progetti a cui ha partecipato (era un partner) almeno uno Stato membro dell'UE (7). Ciò porta il numero di paesi trattati nel rapporto a 47.

Finora sono stati stanziati 3,15 miliardi di euro per questi progetti, anche se il 48 per cento non è stato ancora completato. I progetti di ricerca e sviluppo attualmente consumano 830 milioni di euro, mentre i test e l'implementazione costano 2,32 miliardi di euro.

Tra questi, pro capite, la Danimarca investe di più. Francia e Regno Unito, invece, realizzano progetti con i budget più alti, con una media di 5 milioni di euro per progetto.

Rispetto a questi paesi, i paesi dell'Europa orientale sono andati molto peggio. Secondo il rapporto, generano solo l'1% del budget totale di tutti questi progetti. Per numero di progetti implementati, i primi cinque sono: Germania, Danimarca, Italia, Spagna e Francia. La Polonia ha preso il 18° posto nella classifica.

La Svizzera era davanti a noi, seguita dall'Irlanda. Sotto lo slogan della rete intelligente, soluzioni ambiziose e quasi rivoluzionarie vengono implementate in molti luoghi del mondo. prevede di ammodernare il sistema elettrico.

Uno dei migliori esempi è l'Ontario Smart Infrastructure Project (2030), che è stato preparato negli ultimi anni e ha una durata stimata fino a 8 anni.

8. Piano per l'implementazione di Smart Grid nella provincia canadese dell'Ontario.

Virus energetici?

Tuttavia, se rete energetica diventare come Internet, devi tenere conto del fatto che potrebbe dover affrontare le stesse minacce che affrontiamo nelle moderne reti di computer.

9. Robot progettati per funzionare nelle reti energetiche

I laboratori F-Secure hanno recentemente avvertito di una nuova complessa minaccia per i sistemi di servizi del settore, comprese le reti elettriche. Si chiama Havex e utilizza una nuova tecnica estremamente avanzata per infettare i computer.

Havex ha due componenti principali. Il primo è il software Trojan, che viene utilizzato per controllare in remoto il sistema attaccato. Il secondo elemento è il server PHP.

Il cavallo di Troia è stato collegato dagli aggressori al software APCS/SCADA incaricato di monitorare l'andamento dei processi tecnologici e produttivi. Le vittime scaricano tali programmi da siti specializzati, ignari della minaccia.

Le vittime di Havex sono state principalmente istituzioni e aziende europee coinvolte in soluzioni industriali. Parte del codice Havex suggerisce che i suoi creatori, oltre a voler rubare dati sui processi produttivi, potrebbero anche influenzare il loro corso.

10. Aree delle reti intelligenti

Gli autori di questo malware erano particolarmente interessati alle reti energetiche. Forse un elemento futuro sistema di alimentazione intelligente lo faranno anche i robot.

Di recente, i ricercatori della Michigan Technological University hanno sviluppato un modello di robot (9) che fornisce energia ai luoghi colpiti da interruzioni di corrente, come quelle causate da disastri naturali.

Macchine di questo tipo potrebbero, ad esempio, ridare energia all'infrastruttura di telecomunicazioni (torri e stazioni base) al fine di svolgere le operazioni di soccorso in modo più efficiente. I robot sono autonomi, scelgono loro stessi il percorso migliore verso la loro destinazione.

Possono avere batterie a bordo o pannelli solari. Possono nutrirsi a vicenda. Significato e funzioni reti intelligenti andare ben oltre l'energia (10).

L'infrastruttura così creata può essere utilizzata per creare una nuova vita mobile smart del futuro, basata su tecnologie all'avanguardia. Finora possiamo solo immaginare i vantaggi (ma anche gli svantaggi) di questo tipo di soluzione.