Il futuro dell'energia è già iniziato

Il comparto energetico, dove da tempo convergono importanti investimenti nella digitalizzazione e nell’innovazione tecnologica, ha dato prova di immediata reattività alla crisi generata dalla pandemia, dimostrando nell’ultimo anno sia la propria resilienza che un’inarrestabile accelerazione verso il traguardo della transizione energetica. Infatti, il settore non è apparso impreparato di fronte alle conseguenze generate dall’iniziale lockdown, che ha comportato un drastico calo della domanda. Ciò ha causato una riduzione delle emissioni di anidride carbonica, ma, come sottolineato dall’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA), la maggiore sfida del settore elettrico in tale situazione di esercizio è consistita nell’operare il sistema con una forte penetrazione di energia da fonti rinnovabili non programmabili. In un recente studio, CESI ha evidenziato come quanto avvenuto nel sistema elettrico durante il primo lockdown in Europa, quello imposto in concomitanza con la first wave di COVID-19 – in termini di penetrazione delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) rispetto al carico – coincida con il dato su base annua previsto a partire dal 2026, ovvero il 44% rispetto al 30% registrato nel 2019. Da questa analisi è emersa la necessità di implementare misure di flessibilità che garantiscano condizioni sicure quando il mercato è soggetto a quote elevate di utilizzo di FER non programmabili. Questo richiede una maggiore flessibilità del sistema attraverso pompaggi, batterie, storage non convenzionale e demand response, ma anche mediante la realizzazione di progetti infrastrutturali di interconnessione, nonché opportuni modelli di mercato che consentano lo scambio transfrontaliero delle risorse di flessibilità. Per CESI questo significa progredire quotidianamente in termini di innovazione tecnologica e digitalizzazione: l’obiettivo è quello di innovare le reti intelligenti e renderle capaci di rispondere a repentini cambiamenti esterni dovuti non solo a mutamenti climatici, ma anche a fattori nuovi, sconosciuti e imprevedibili.

A chiarire le tendenze in atto nel settore energetico è la classificazione elaborata da IRENA (International Renewable Energy Agency), che ha raccolto in quattro categorie le innovazioni utili a garantire la maggiore resilienza delle reti elettriche e la riduzione delle emissioni. Si comincia dalle “tecnologie abilitanti” che presentano un ruolo chiave nell’integrazione delle rinnovabili (ad esempio, batterie, ricariche dei veicoli elettrici, blockchain, IoT e big data). Seguono i “business model”, modelli innovativi di business per creare nuovi servizi che implementano la flessibilità del sistema (è il caso dell’energy-as-a-service o del peer-to-peer trading). Si procede con il “market design” che progetta nuove strutture di mercato per creare opportunità di business in un sistema decarbonizzato (nello specifico, l’utilizzo di tariffe time-of-use e l’introduzione di nuovi servizi nei mercati ancillari). A concludere l’elenco di IRENA la voce “System operation”, volta a implementare modalità innovative di esercizio del sistema elettrico attraverso previsioni meteo avanzate e nuove configurazioni di cooperazione DSO-TSO.

La digitalizzazione è il “cross-enabler” di queste quattro dimensioni dell’innovazione e la pervasività della digitalizzazione a tutti i livelli è imminente. Riferendosi all’IoT (Internet of the Things) si prevedono ben 75 miliardi di dispositivi connessi alla rete nel mondo entro il 2025.

A questa analisi l’AIE aggiunge un importante tassello: gli investimenti sulle reti elettriche stanno assumendo sempre più una veste digital. Secondo uno studio dell’Agenzia Internazionale dell’Energia la quota di spesa relativa all’infrastruttura digitale è aumentata in maniera sostanziale negli anni, raggiungendo nel 2019 un 15% degli investimenti totali nel settore power, con una crescita annua pari a circa l’8%.

Gli investimenti messi in campo da CESI per essere al centro della trasformazione tecnologica e all’avanguardia nei processi di digitalizzazione hanno permesso una continuità nell’erogazione di servizi innovativi anche in pieno lockdown.

Per quanto riguarda i componenti elettrici, CESI ha garantito sempre il massimo supporto ai produttori e alle utility per raggiungere l'obiettivo di una rete resiliente, eseguendo test di alta qualità sulle apparecchiature T&D secondo gli standard globali e le specifiche del cliente. La Divisione Kema Labs ha sfruttato la realtà aumentata per consentire da remoto ai clienti di interagire con i tecnici presenti in laboratorio e svolgere in tempo reale tutte le attività necessarie a testare i prodotti attraverso speciali visori. Grazie alla nuova Remote Lab Experience, la Divisione Testing, Inspection e Certification di CESI ha garantito senza sosta l’assemblaggio locale dei prodotti da testare da parte di esperti qualificati guidati a distanza dai clienti, effettuando i test con risultati condivisi in tempo reale, grazie anche alla presenza in laboratorio di esperti qualificati per fornire supporto in caso di imprevisti. Ma non si parla solo di realtà aumentata. CESI prevede remote-testing in video- streaming nei propri laboratori italiani, tedeschi, olandesi, cechi e statunitensi. Anche in questo caso il flusso continuo di riprese da angolazioni diverse assicura un’interazione efficace con i clienti: sempre nel rispetto di procedure specifiche che garantiscano obiettività e qualità nel servizio di certificazione e ispezione.

Relativamente alle reti di distribuzione, un elemento chiave è lo Smart Meter, un contatore intelligente che – tenendo traccia dell'energia scambiata tra i gestori del sistema e gli utenti finali – rappresenta una tecnologia digitale critica per i gestori dei sistemi di distribuzione. Per verificare come i contatori interagiscono con i carichi di potenza reali (e per garantirne la massima efficienza, funzionalità e sicurezza), sono stati messi a punto gli Smart Metering Laboratories, dove la Divisione KEMA Labs testa l'affidabilità delle comunicazioni su linea elettrica tra 700 contatori intelligenti monofase e 300 polifase, utilizzati nelle reti di distribuzione e nelle abitazioni. In uno spazio di 400 m2 vengono effettuati una serie di test con più di 2.000 carichi elettrici contemporaneamente in funzione, inclusi elettrodomestici, luci, dispositivi elettronici di vario tipo e apparecchiature industriali, equivalenti a una città di circa 1.400 residenti. Recentemente, E-Distribuzione ha avviato una collaborazione con i laboratori di certificazione di comprovata esperienza nel mondo dei test di componenti elettronici, con particolare riferimento alle trasmissioni di dati via powerline, per l'esecuzione dei test di integrazione di Dispositivi Utente (DU) con i misuratori di energia elettrica intelligenti "Open Meter" di E-Distribuzione. Proprio grazia alla nostra esperienza e all’unicità delle nostre strutture, la Divisione di Testing, Ispezione e Certificazione di CESI – KEMA Labs – è stata selezionata tra i partner principali di E-Distribuzione per questa iniziativa. I test di cui si parla hanno lo scopo di verificare la compatibilità, dal punto di vista della comunicazione, tra i DU e i misuratori Open Meter mediante il protocollo di comunicazione utilizzato sul canale Chain 2. E-Distribuzione metterà a disposizione la propria conoscenza per la preparazione dei test di integrazione, che saranno effettuati nei nostri laboratori in completa autonomia, per le società che intenderanno sottoporre a verifica il proprio DU. La verifica di compatibilità e, in generale, il superamento dei test di integrazione da parte dei DU sono propedeutici all'attivazione del servizio di Chain 2 Full 2.0.

La penetrazione crescente di fonti rinnovabili nel mix di produzione del sistema elettrico e la progressiva dismissione di impianti termoelettrici tradizionali rendono sempre più critica la gestione della rete elettrica di trasmissione. A questo contesto si aggiunge il fatto che la maggior parte delle risorse di generazione a fonte rinnovabile sono connesse alle reti di distribuzione in media e bassa tensione, la cosiddetta generazione distribuita, che rappresenta un ulteriore problema per la gestione in sicurezza e secondo criteri di ottimizzazione economica della rete di trasporto, poiché tali risorse oltre a non essere controllabili non sono spesso nemmeno monitorate.

Al momento, gli operatori di rete di trasmissione sono in grado di acquisire in tempo reale segnali e misure provenienti dagli impianti di generazione direttamente connessi in alta tensione, ma ciò che avviene all’interno delle reti di distribuzione non è osservabile ed i dati di misura provenienti dalle cabine primarie sono fuorvianti, poiché sono la somma algebrica di generazione distribuita e carico elettrico sottostante.

Una improvvisa variazione della misura, poiché non è noto se dovuta ad una perdita di generazione o ad un aumento di carico, potrebbe portare a prendere contromisure completamente sbagliate.

CESI ha pertanto supportato l’operatore di rete di trasmissione nazionale nel mettere a punto un algoritmo di stima che, sulla base di un set limitato di misure gestibile dai sistemi centrali di rete, consente di ottenere con un’opportuna accuratezza la produzione e il carico non direttamente misurati in tempo reale, sfruttando il fatto che la produzione da generazione distribuita rinnovabile è tipicamente funzione delle variabili meteorologiche quali irraggiamento solare, velocità e direzione del vento.

Combinando misure e segnali in real-time disponibili, nonché serie storiche e stime delle suddette variabili con tecniche di analisi dei big data e advanced analytics, si è giunti a stimare in tempo reale e con opportuna accuratezza sia il valore di generazione distribuita differenziato per fonte primaria, eolico e fotovoltaico, sia il carico per ciascuna cabina primaria della rete.

In tema di transizione energetica sostenibile non si può però non parlare di mobilità elettrica, un settore che registra un rapidissimo trend di sviluppo tecnologico e che vede CESI in prima linea. Anche in questo comparto, il Gruppo ha a propria disposizione strumenti, strutture e laboratori di ultima generazione per il testing della mobilità elettrica. Nelle strutture KEMA Labs viene, infatti, verificata l'affidabilità di veicoli elettrici (EV), sistemi di ricarica e interazioni con la rete esistente. Questi test sono in grado di garantire standard elevati ai diversi prodotti e servizi in via di sviluppo nel mercato emergente. Inoltre, la nuova unità KEMA Services & Smart Technologies – che nasce dalla collaborazione tra i laboratori di Milano (DGL) e Arnhem (FPGL) – può fornire una serie di test in grado di verificare i nuovi requisiti richiesti per l’Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE). Ad Arnhem, per le stazioni fisse in corrente continua (CC), vengono condotti test di qualità dell'alimentazione e test del protocollo di comunicazione (CHADEMO e CCS). Inoltre, il sistema KEMA Labs fornisce un equivalente di rete completamente controllabile che può funzionare su un'ampia gamma di frequenze, armoniche, tensioni e livelli di potenza. Nei laboratori di Milano, invece, viene eseguita un'ampia gamma di test di omologazione tra cui sicurezza elettrica, conformità allo standard di prodotto IEC 61851-1, EMC, test ambientali climatici e test meccanici. Nel frattempo, il laboratorio LV di KEMA Services & Smart Technologies di Berlino si sta concentrando su test innovativi di componenti automobilistici elettrici.

Per CESI, stare con un piede nel futuro significa anche sfruttare i vantaggi che il 5G può determinare nel settore energetico e analizzare le tipologie di cambiamento nella gestione e nella sicurezza delle reti elettriche. Grazie alla quinta generazione di reti mobili la distribuzione dell’energia sarà più veloce ed efficiente: si prevede che le società potranno raccogliere dati fino a 20 gigabit al secondo e saranno in grado di rispondere in modo veloce ed efficiente, data la diminuzione esponenziale della latenza, prossima a 1 millisecondo. I fornitori di energia riceveranno dati più tempestivi e dettagliati, che saranno gestiti in enormi database, posti al servizio di sensori intelligenti, capaci di distribuire energia all’occorrenza. Grazie ai dati in possesso nei centri di controllo, i sensori sapranno anche di quanta energia avranno bisogno le utility, garantendo un rifornimento puntuale e adeguato. In questo modo, il sistema energetico diventerà sempre più flessibile e costruito su misura per gli utenti. Si tratta dunque di una rivoluzione annunciata, nella quale CESI, insieme alla sua società americana EnerNex, supporterà sempre più a livello globale le utilities per attuare un percorso di modernizzazione del settore elettrico.

La digitalizzazione spinta a tutti i livelli può rendere però vulnerabili i sistemi elettrici ad attacchi cibernetici, se non sono state introdotte le opportune difese informatiche. Con riferimento agli USA secondo l’Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team (ICS-CERT) si registrano più di 240 attacchi cibernetici e di questi un terzo sono rivolti al settore dell’energia. Circa il 40% di questi attacchi sono stati classificati come “advanced persistent threats”, non avendo le utilities prontamente reagito agli attacchi. Su questo tema, i team di specialisti di CESI ed ENERNEX sono già attivi da anni, supportando le utilities elettriche a costituire opportune barriere anti-hacker, facendo leva non solo su tool software sviluppati in-house combinati con l’esperienza nel settore IT, ma anche sulla dettagliata conoscenza del funzionamento del sistema elettrico.

Occorre rapidità perché il futuro tecnologico dell’energia è già iniziato.