Nanogrid

Risultato della ricerca:

Il risultato da conseguire è quello di un sistema energetico ad “emissioni zero” attraverso misure ed interventi per dar luogo ad un’importante opportunità di sviluppo economico e crescita occupazionale per la Regione Calabria. Questo percorso è stato rimarcato nella “Seconda relazione sullo Stato dell’Unione dell’energia” che si rifà soprattutto anche alla comunicazione “Accelerare l’innovazione nel settore delle energie pulite”. Sotto questo profilo sono particolarmente interessanti le potenzialità di sviluppo nell’ambito delle Smart Grids sia per gli operatori delle reti elettriche – Transmission System Operators (TSO) e i Distribution System Operators (DSO) – sia per le aziende che operano nel settore dell’energia e delle tecnologie abilitanti per la gestione avanzata ed attiva degli utenti per tutta e sola la parte del loro impianto, posto a valle del contatore installato nel punto di prelievo (POD) ovvero “behind the meter”.

In particolare, si tratta di soluzioni evolute di sistemi ibridi capaci di gestire contemporaneamente più tipologie di sorgenti di generazione e/o sistemi di accumulo, di differente tecnologia, che nell’ambito della presente proposta, rappresentano l’architettura della nanogrid. Per nanogrid si intende: “un sistema ibrido di alimentazione elettrica a servizio di una singola utenza/unità immobiliare, di potenza nominale non superiore ai 5kW ed in grado anche di alimentarne i carichi in isola, in aree prive di rete di distribuzione; oppure un sistema ibrido di alimentazione elettrica a servizio di una singola utenza/unità immobiliare, di potenza nominale sino a 100kW, se connesso alla rete elettrica di distribuzione in grado di alimentarne i carichi anche in isola intenzionale”. La possibilità di poter gestire con un unico sistema (nanogrid) diverse tipologie di generazione e di sistemi di accumulo, costituisce un’importante opportunità di coinvolgimento del singolo cittadino utente sia Consumer (solo carichi), Consumage (accumulo senza generazione), Prosumer (generazione) e Prosumage (generazione ed accumulo). Infatti, le nanogrids, in modalità grid connected, sono lo strumento ideale per soddisfare le esigenze e le richieste del DSO e, quindi, possono concorrere all’erogazione di diversi tipi di servizi (energia, potenza e regolazione della tensione) e al soddisfacimento di esigenze con orizzonti temporali diversi, che vanno dai pochi millisecondi (ultracapacitori) ai giorni e/o mesi nel caso delle tecnologie Power to Gas (P2G) e biodiesel o dei sistemi di accumulo idrico/termico di adeguate dimensioni, passando per quello delle ore per quanto concerne le tecnologie al litio.

Si vogliono proseguire e migliorare i risultati ottenuti da esperienze progettuali precedenti. In particolare, attraverso il progetto RES NOVAE (PON 04a2_E) si è potuto sviluppare ed implementare un primo prototipo di nanogrid denominato “Smart User Network” (SUN) caratterizzato da un’architettura capace di integrare diverse tipologie di utenze, carichi elettrici e termici, dispositivi per la mobilità elettrica, sistemi di produzione di energia elettrica da FER e sistemi di accumulo, attraverso una connessione su un bus in corrente continua giungendo così ad un TRL 4 da quanto già sviluppato e sperimentato, in scala di laboratorio (TRL 3), nel precedente progetto Microperla (PON01_ 01840).

Successivamente si è potuto migliorare la SUN, giungendo a realizzare un dimostratore per validare la nuova tecnologia, definita nanogrid for Home Application (nGfHA), in ambiente rilevante raggiungendo così un TRL 5. Questo è stato ottenuto attraverso i progetti DOMUS Energia (PON03PE_00050_2) e il progetto Power Cloud (F/050159/03/X32 – HORIZON 2020 PON I&C 2014-2020).

Riferimento a finanziamenti precedenti:

La presente proposta si inserisce nel filone delle attività di ricerca, già avviate presso l’Università della Calabria, con diversi progetti di ricerca:

• i progetti RES NOVAE (PON 04a2_E) e DOMUS (PON03PE_00050_2) che hanno avuto come finalità lo sviluppo, la realizzazione e il testing in ambiente rilevante della nanogrid;
• il progetto “Power Cloud (F/050159/03/X32 – HORIZON 2020 PON I&C 2014-2020)” l’attenzione si è spostata sull’uso della nanogrid per fornire, attraverso opportuni programmi di Demand Response (DR), servizi ad un eventuale Aggregatore, se si parla di comunità energetica, e/o ad un operatore di rete nel caso di singolo utente o aggregato;

i due progetti in essere, Community Energy Storage – ComESto (CUP B56G18000360005 – PON Ricerca e Innovazione 2014/2020 MIUR) e ZNEWh (CUP J97H18000300006 – POR Calabria FESR 2014/2020 Azione 1.2.2). Nel progetto ComESto si sperimenta l’uso della nanogrid per la gestione coordinata di sistemi di accumulo distribuiti in una comunità energetica, mentre in ZNEWh si sperimenta la nanogrid quale applicazione in ambito edilizia sostenibile al fine di rendere un utente proattivo dal punto di vista energetico, quindi capace non solo di soddisfare i propri consumi anche in assenza di connessione alla rete ma di fornire servizi ad altri utenti o al sistema elettrico in generale.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

La nanogrid proposta rispetto a soluzioni standard quali ad esempio un inverter tradizionale permette di:

• sfruttare l’energia da fonti di energia rinnovabile (FER) anche in assenza di rete elettrica;
• effettuare il monitoraggio dei profili di generazione e carico con maggiore dettaglio in termini di tempi di acquisizione e quindi maggiore consapevolezza da parte degli utenti della propria produzione e consumo, consentendogli la possibilità di gestire il loro consumo e di partecipare attivamente nella transizione dall’uso delle fonti fossili a quelle rinnovabili;
• integrare diverse sorgenti e/o sistemi di accumulo elettrochimici e termici in un unico sistema con relativa gestione ottimale delle risorse;
• abilitare l’utente alla partecipazione a comunità energetiche grazie alla possibilità di effettuare un controllo dei profili di prelievo ed immissione in tempo reale;
• migliorare l’efficienza del sistema riducendo le perdite di conversione per la particolare configurazione come sistema integrato su bus comune in corrente continua;
• ottenere una maggiore modularità e flessibilità del sistema nel caso di integrazione di ulteriori sistemi di generazione e/o accumulo.

Ciò andrebbe nella direzione del concetto di Smart Cities, fornendo un reale contributo allo sviluppo di un modello energetico ed ambientale sostenibile delle aree urbane.

La possibilità, quindi, di poter gestire con un unico sistema (nanogrid) diverse tipologie di generazione e di sistemi di accumulo, costituisce un’importante opportunità di coinvolgimento del singolo cittadino utente sia Consumer (accumulo senza generazione) che Prosumer (generazione ed accumulo). Infatti, le nanogrids, in modalità grid connected, sono lo strumento ideale per soddisfare le esigenze e le richieste di un operatore di rete e di un Aggregatore, quindi, possono concorrere all’erogazione di diversi tipi di servizi di supporto al funzionamento della rete elettrica.

Titoli di proprietà intellettuale:

Allo stato attuale i risultati della ricerca relativamente alla tecnologia abilitante quale la nanogrid non sono protetti da titoli di proprietà industriale.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

La nanogrid ha molteplici applicazioni in quanto rappresenta la tecnologia abilitante per attribuire un ruolo molto avanzato non solo ai Prosumers (utenti attivi, ovvero dotati di sistemi di generazione), ma anche e, soprattutto, ai Consumers (utenti passivi), che va ben oltre le già ambiziose intenzioni di considerarli utenti di una “smart home” i cui carichi siano coordinati da sofisticati programmi di DR (Demand Response) per la flessibilità della domanda, in quanto intende dotare i Consumer di una ulteriore risorsa flessibile mediante l’implementazione di sistemi di accumulo distribuito (Consumage). Ciò andrebbe nella direzione del concetto di Smart Cities, fornendo un reale contributo allo sviluppo di un modello energetico ed ambientale sostenibile delle aree urbane.

Inoltre, la nanogrid troverebbe applicazioni non solo in utenze connesse alla rete elettrica ma anche in utenze isolate (off-grid) garantendo così la possibilità di sfruttare le fonti rinnovabili anche in assenza di rete elettrica.

La nanogrid trova applicazione anche in utenze dove si vuole effettuare il solo monitoraggio dei profili di generazione e carico con maggiore dettaglio in termini di tempi di acquisizione e quindi fornisce la possibilità anche agli utenti Consumer di aggregarsi e fare sistema, con conseguenti vantaggi economici in termini di consumi. Aggregando una varietà di soggetti, Prosumers, Consumers e Producers, è quindi possibile implementare sistemi di gestione aggregata della domanda seguendo il paradigma dei Virtual Power Plant (VPP) e consentendo all’aggregato di contribuire su richiesta del DSO e del TSO ad una corretta gestione del sistema elettrico, al fine di raggiungere i necessari livelli di affidabilità e adeguatezza, sicurezza e resilienza del sistema.

Infine, la nanogrid trova applicazione anche nei settori impiantistici in cui si vogliono integrare in un unico sistema le diverse sorgenti e/o sistemi di accumulo elettrochimici e termici con il vantaggio di un sistema di gestione ottimale delle risorse.

Lo sviluppo per il mercato interno, di tecnologie e modelli innovativi di gestione di sistemi di generazione e/o accumulo energetico, distribuiti ed integrati in un unico sistema quale la nanogrid, per applicazioni di piccola-media taglia a livello locale trova ampi spazi di mercato nel settore impianti tecnologici ed edilizia residenziale. Tale tecnologia è ampiamente richiesta nei paesi in via di sviluppo per le applicazioni off-grid, e l’utilizzo di nanogrids destinate a singole utenze isolate in aree rurali, nelle quali non è presente una rete elettrica di distribuzione, rappresenta la soluzione ideale al fine di garantire l’accesso all’elettricità.

Secondo un recente report di Navigant Research il mercato mondiale dei dispositivi funzionanti in corrente continua (DC) nel settore delle costruzioni passerà dai 609,1 milioni dollari del 2013 a 9,7 miliardi dollari nel 2020. Più che una crescita si prevede un vero e proprio boom, che comporterà una serie di cambiamenti e di probabili evoluzioni. “I vantaggi dei sistemi di alimentazione DC diventano particolarmente evidenti se si considera poi le microgrids per l’integrazione energetica con le fonti rinnovabili”, afferma Eric Woods, responsabile del report di Navigant Research. “I sistemi fotovoltaici ed eolici solari nascono originariamente come sistemi a correnti continua. Inserirli, quindi, in un sistema di distribuzione a DC elimina la necessità di punti di conversione energetica nel passaggio di corrente sia al sistema distributivo che ai singoli dispositivi, evitando le perdite”. Questo significherebbe creare una rete energetica a livello di microgrid o addirittura a livello di singolo edificio.

Dal punto di vista tecnico, scientifico e non ultimo economico e sociale, i vantaggi offerti dalle microgrid sono ampiamente confermati dalla letteratura tecnica internazionale e dalle principali ricerche del settore (condotte in ambito EPRI, Berkeley National Laboratory, DoE, Cigre, CIRED, IEEC, TRI e DEMEPA). Questa è la soluzione per la quale si prevede il massimo sviluppo nei prossimi 15 – 20 anni e che a livello di investimenti globali supererà la soluzione tradizionale “Bulk Power Plants & Bulk EHV/HV infrastructures” (grandi centrali concentrate, trasmissione ad altissima tensione e gestione centralizzata). Il nuovo approccio delocalizzato comporta vantaggi non solo per le micro-reti locali, bensì impatti favorevoli sulle macro reti geografiche e conseguentemente sull’intero sistema elettro-energetico globale.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Il TRL raggiunto allo stato attuale è pari a 5 ovvero la tecnologia proposta è stata validata in un ambiente rilevante. Quello che si vuole ottenere è un TRL 7, ovvero dimostrare il funzionamento della nanogrid in ambiente operativo, attraverso test e prove sperimentali con un processo di ottimizzazione dei componenti in modo da migliorarne le performance dal punto di vista tecnico con riduzione dei costi.

Per fare ciò sarà necessaria una fase di ingegnerizzazione del prototipo di nanogrid tenendo in conto, sin da subito, i vari aspetti legislativi e quindi i requisiti minimi che dovrà avere la nanogrid per rispettare le direttive delle comunità europea. In particolare, la nanogrid dovrà rispettare la direttiva 2014/53/UE (Radio Equipment Directive, RED) che definisce gli obblighi dei fabbricanti per la messa a disposizione sul mercato e in servizio delle apparecchiature radio e al contempo impone il rispetto di altre due direttive riguardanti:

• la protezione della salute e della sicurezza di persone e di animali domestici e beni, compresi gli obiettivi riguardanti i requisiti di sicurezza previsti dalla direttiva 2014/35/UE5 (Low Voltage Directive, LVD) e la relativa normativa di attuazione, ma senza applicazione di limiti minimi di tensione;
• il livello di compatibilità elettromagnetica ai sensi della direttiva 2014/30/UE6 (ElectroMagnetic Compatibility, EMC) e la relativa normativa di attuazione.

Infine, per l’ulteriore sviluppo della nanogrid, si prevede anche una fase di ingegnerizzazione relativa alla catena di produzione ottimizzandola e prevedendo anche una fase di testing che ne verifichi le perfomance e certifichi la qualità.