Risposte alle domande d'esame - parziale 2

La rete in cui esse si inseriranno nel prossimo futuro dovrebbe essere:

• A basso costo: ottenibile grazie all’ottimizzazione di:

o Efficienza energetica: mira a ridurre i costi di sistema e le emissioni

o Efficienza di servizio: mira a ridurre i costi di esercizio delle smartgrids, in

particolare quelli riguardanti la rete di distribuzione, attraverso l’implementazione

di manutenzione e riparazione attiva, la previsione e l’analisi dei guasti,

l’allungamento della vita utile delle apparecchiature

o Demand side management (DSM): l’obiettivo è quello di ridurre la domanda di

picco (peak shaving), riducendo immediatamente i carichi partendo da quelli con

priorità inferiore in maniera automatica, grazie alla partecipazione attiva dei

consumatori finali che devono essere più consapevoli e incentivati

• Pulita: attraverso l’utilizzo di fonti rinnovabili e sistemi di generazione distribuita,

implementati da sistemi di storage

• Affidabile: mira a selezionare, in base a sistemi opzionali a pagamento o alla località, i

carichi che hanno bisogno di energia di alta qualità e affidabilità, senza sovraccaricare

globalmente la rete

• Capace di supportare una società ed una economia dinamica: ovvero di seguire i trend di

mercato (che puntano sempre di più alle fonti rinnovabili), di creare posti di lavoro, servizi

alla persona, e di coinvolgere attivamente il consumatore e di renderlo più consapevole.

8. Il ruolo dei consumatori nelle smartgrid [smartgrid 38-42]

il ruolo dei consumatori finali è di fondamentale importanza per far sì che le smartgrids e le

tecnologie implicate raggiungano importanti obiettivi nazionali, regionali o locali di efficienza

energetica, penetrazione delle fonti rinnovabili e contemporaneamente andare incontro ai bisogni

economici e sociali delle stesse comunità (creando posti di lavoro, servizi alla persona, nel campo

biomedico o dell'assistenza). Attualmente, infatti, il consumatore accende e aggiunge nuovi carichi,

senza avere consapevolezza delle proprie azioni sulla rete, mentre l’obiettivo per il prossimo futuro

è che diventino sempre più, con le loro scelta, soggetto attivo nella ottimizzazione energetica ed

economica dei loro consumi e di quelli della rete stessa, attraverso l'utilizzo di software intelligenti

ed adattivi che interagiscono con gli elettrodomestici e la rete per ottimizzare le loro esigenze (di

comfort, di riduzione della bolletta, di consumare energia rinnovabile...)

Nessun consumatore infatti, singolarmente, ha impatto sulla rete, a parte qualche grande utente

industriale. Tuttavia, la domanda aggregata del settore domestico costituisce il 30% dei consumi

nazionali. Inoltre, l’utilizzo domestico di molte apparecchiature che richiedono un’alta qualità ed

affidabilità della fornitura sta sfumando anche la distinzione classica tra utente residenziale,

commerciale ed industriale.

9. Prospettive per le rinnovabili (SMART GRIDS, 43-46)

I vantaggi dell’utilizzo delle fonti rinnovabili sono:

• Minor impatto ambientale e riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera

• Diversificazione delle fonti energetiche

• Sicurezza energetica

• Riduzione delle perdite di trasmissione sulla rete nazionale

• Alleggerimento delle reti grazie alla contemporaneità della produzione con la domanda di picco

D’altra parte, esse presentano problematiche che attualmente non hanno ancora una soluzione definitiva:

• L’incapacità della rete attuale di supportare un flusso di energia bidirezionale, cioè la reimmissione

in rete di piccole quantità di energia da parte di molteplici microproduttori

• Intermittenza e non programmabilità della disponibilità delle fonti, risolvibile però attraverso

l’accumulo di energia rinnovabile (energy storage)

10. STORAGE DI UNA SMART GRID (SMART GRIDS, 47-56)

L’accumulo di energia è strettamente legato alla gestione degli impianti rinnovabili, fronte su cui le

smartgrids prevedono di operare. Può essere infatti usato:

- per ridurre i consumi di energia e quindi il suo prelievo dalla rete (peak shaving)

- come interfaccia tra la fonte rinnovabile e la rete, minimizzando lo scambio di energia tra

impianto e rete e massimizzando l’accumulo di energia

- compensando i problemi di intermittenza e non programmabilità di alcune fonti rinnovabili (es:

solare, eolico, …)

I principali sistemi di accumulo sono quello cinetico (idroelettrico di pompaggio, aria compressa,

volani ad alta velocità), adatti all’applicazione lato generazione, e quelli elettrochimici (batterie),

più idonei ad applicazioni a livello di rete distributiva locale, vicino all’utente finale.

Attualmente, le maggiori sfide per l’energy storage riguardano:

- l’aumento della potenza e dell’energia accumulata

- l’estensione della vita utile

- l’aumento di efficienza

- l’aumento dell’affidabilità

- la riduzione dei costi

11. Microgrids (SMART GRIDS, 57-71)

Le microgrids rappresentano la tecnologia di transizione tra le future smart grids e le tecnologie di

generazione distribuita a servizio degli utenti/consumatori finali sempre più attivi, attraverso un trasporto

bidirezionale dell’energia. Esse sono essenzialmente dei conglomerati di sistemi di generazione distribuita e

differenti carichi a livello di tensione di distribuzione. Devono essere dotate di interfaccia elettronica di

potenza e controlli che forniscano la flessibilità necessaria ad assicurare un’operatività come un singolo

sistema aggregato e a mantenere la qualità di potenza specificata e l’energia in uscita: esse possono infatti

fornire ininterrottamente energia, ridurre le perdite di alimentazione e fornire supporto di tensione locale.

Dal punto di vista ambientale, esse riducono l’inquinamento e il riscaldamento globale attraverso l’utilizzo

di tecnologia low-carbon.

Le modalità di azione delle microgrids sono due:

1. Grid-connected: esse rimangono connesse alla rete principale totalmente o parzialmente, e

scambiano potenza con la stessa

2. Standalone: in caso di disturbi nella rete principale, le microgrids si rendono indipendenti

continuando a fornire energia ai carichi principali.

12. Thermal energy storage (ENERGY STORAGE, 8-16)

Sono sistemi che accumulano calore sfruttando la capacità termica della sostanza stoccata. Si distinguono

in: • Sensible heat thermal energy storage (SHTES): sfruttano solo la parte sensibile della capacità

termica della sostanza stoccata; durante la carica, utilizza il sistema di condizionamento dell’edificio

per riscaldare/raffreddare la sostanza all’interno del vessel; durante la scarica, sfrutta l’energia così

accumulata per riscaldare/raffreddare l’edificio; hanno bassi costi di investimento, flessibilità di

applicazione/integrazione, alta affidabilità dei sistemi meccanici in gioco, ma necessitano di

un’accurata progettazione della vasca, e hanno basse densità di energia ed efficienza;

• Phase change material thermal energy storage (PCM TES): sfruttano sia la componente sensibile

che quella latente della capacità termica della sostanza stoccata; durante la carica, utilizza il

sistema di condizionamento dell’edificio per riscaldare/raffreddare la sostanza all’interno del vessel

e forzarne il cambiamento di fase; durante la scarica, sfrutta l’energia così accumulata per

riscaldare/raffreddare l’edificio, forzando il cambiamento di fase inverso; hanno una densità

energetica maggiore rispetto ai sistemi sopra citati, un ampio range di applicazioni/integrazioni, ma

non beneficiano della standardizzazione, hanno costi di investimento più alti e problemi di utilizzo

di sostanze tossiche.

13. STORAGE CINETICO (ENERGY STORAGE, 18-23)

I sistemi di storage cinetico sono un sottoinsieme dei sistemi meccanici di stoccaggio di energia che

prevede di sfruttare l’energia cinetica della materia.

Possiamo distinguere:

- PumpHydro Energy Storage (PHES): durante la carica, elettricità viene consumata per pompare

acqua dal bacino di valle verso quello di monte; durante la scarica, elettricità viene prodotta

sfruttando il salto geodetico attraverso un generatore. È una tecnologia matura e diffusa,

adatta a applicazioni centralizzate, ma è sottoposta a vincoli geologici per l’installazione;

- Flywheels energy storage: sfrutta energia cinetica di rotazione. Durante la carica, essa viene

accumulata, mettendo in rotazione la massa inerziale, in maniera proporzionale alla velocità

angolare, trasformando potenza elettrica in energia cinetica per mezzo di un motore; durante

la scarica, la velocità di rotazione della massa diminuisce ed elettricità viene estratta tramite lo

stesso sistema di trasmissione. Ha alte velocità di risposta, densità energetica e numero di cicli,

ma è un sistema molto costoso e delicato;

- Compressed Air Energy Storage (CAES): utilizza l’aria come sostanza di stoccaggio; durante la

carica, essa viene compressa ed immagazzinata all’interno di un serbatoio; durante la scarica,

viene estratta dal serbatoio, riscaldata al fine di aumentare il salto entalpico ed espansa

attraverso una turbina. Questi sistemi hanno alta efficienza e basso impatto ambientale,

utilizzano sistemi meccanici maturi ed affidabili, sono adatti ad applicazioni centralizzate, ma

sono sottoposti a vincoli geografici per applicazioni underground, mentre la tecnologia

aboveground non è ancora matura.

14. Liquid Air Energy Storage (ENERGY STORAGE, 24-27)

È un Sistema di accumulo meccanico che sfrutta l’aria come materiale per lo stoccaggio di energia. Durante

la carica, viene estratto calore dall’aria atmosferica fino a provocarne il cambiamento di fase, per poi

stoccarla in un serbatoio a bassa pressione; durante la scarica, essa viene estratta dal serbatoio, pompata

ad alta pressione e poi espansa tramite uno scambiatore. Il sistema può essere integrato per ottimizzare

l’utilizzo dei vettori energetici ed aumentare l’efficienza complessiva, utilizzando il calore di scarto per

aumentare il salto entalpico durante l’espansione o recuperare energia frigorifera durante la liquefazione.

Ha un’alta densità energetica, nessun tipo di vincolo geografico, una lunga vita utile, basso impatto

ambientale, ma è una tecnologia ancora giovane e la cui efficienza è compromessa per piccole taglie.

15. Battery Energy Storage (ENERGY STORAGE, 28-37)

Sono accumulatori di energia elettrica formati da celle elettrochimiche connesse in serie e parallelo. Il

materiale più largamente usato negli ultimi anni è il litio, in quanto ha una lunga vita utile, un depth of

discharge vicino al 100%, possibi