Descrizione del progetto
Il progetto eCube gestisce tutti gli scambi di energia, sia dal punto di vista tecnologico (riconoscimento dei soggetti, autorizzazione alla cessione ed al prelievo, misurazione dell’energia scambiata, coerenza con i vincoli imposti per la gestione dei carichi e per l’energia minima nei dispositivi di accumulo ecc.), sia per gli aspetti economici connessi (definizione del valore di scambio, addebito ed accredito, operazioni di saldo ecc.).
Si motiva quindi chiaramente la denominazione conferita di "Banca dell’Energia", per la stretta similitudine delle operazioni sopra descritte con quelle tipiche di un Istituto di Credito.
Lo scopo
L’impiego esteso del progetto eCube genera benefici in termini di efficienza energetica e, conseguentemente, in termini economici che sono condivisi tra Enegan ed i propri clienti, attraverso opportuni contratti di partecipazione alla Banca, generando margini per Enegan e minori costi della bolletta energetica per i clienti.
Obiettivi
L’obiettivo primario di efficienza energetica e di miglior utilizzo dell’energia verde, già di per sé comporta risultati diretti di importante valore sociale, riguardanti la diminuzione di emissioni di gas effetto serra e di consumo di combustibili fossili non rinnovabili.
Saranno ottenuti, anche se con una prospettiva di lungo periodo, altri vantaggi quali:
- un contributo allo sviluppo della mobilità elettrica, che costituisce un importante strumento per la riduzione dei consumi di combustibili fossili;
- un contributo alla soluzione delle criticità dovute alla presenza degli impianti di generazione da fonte rinnovabile non programmabile.
Le problematiche che il Sistema Banca dell’Energia si propone di contribuire a risolvere, derivano direttamente o indirettamente, dalle evoluzioni che hanno caratterizzato il Sistema Energetico Nazionale (SEN) negli ultimi anni e che inducono gli esperti a parlare di un vero e proprio “cambiamento di paradigma”.
Per una analisi dettagliata di questa trasformazione, dei benefici e delle criticità che ne derivano e per la piena comprensione dell’idea progettuale, è necessario riassumere schematicamente tali opportunità/condizioni che hanno generato l’idea progettuale:
- nell'ultimo decennio, in Italia, il Sistema Elettrico Nazionale (SEN) è passato da poche migliaia a circa 700.000 impianti GFR con una potenza installata totale di circa 28 GW e si prevede che la crescita si mantenga su questi ritmi anche nei prossimi anni;
- questo grande sviluppo ha permesso di raggiungere gli obiettivi di tutela dell’ambiente stabiliti dagli organismi internazionali e di alleggerire la dipendenza del Paese dalle importazioni di combustibili fossili;
- Il numero dei veicoli elettrici circolanti in Italia, pur nel ritardo rispetto ad altri Paesi, è previsto in forte crescita principalmente di tipo plug-in ma con la tendenza ad essere superati dai sistemi a ricarica wireless.
Il team del progetto eCube affronta le problematiche sopra descritte attraverso la progettazione e la sperimentazione di un prototipo di Sistema Banca dell’Energia e delle tecnologie ad esso associate che ottimizzi i flussi energetici all’interno di una “community” di propri clienti, chiamati a mettere a disposizione le loro risorse di generazione e di accumulo, accettando la gestione dei loro consumi/produzione da parte di Enegan, in vista di significativi vantaggi reciproci.
Con questo obiettivo, il team di eCube dovrà svolgere studi e sviluppi indirizzati a dotarsi degli strumenti tecnologici che gli consentano di portare avanti l’idea progettuale e dimostrarne l’effettiva validità, quali:
- modelli analitici a carattere statistico previsionale per l’ottimizzazione degli scambi energetici e lo sviluppo di un sistema ottimo di controllo dei sistemi di accumulo/scambio dell’energia;
- sistemi bidirezionali di accumulo/fornitura di energia da fonti rinnovabili;
- sistemi di ricarica per batterie sia di tipo plug-in sia a ricarica wireless bidirezionali.
L’interscambio automatico delle informazioni provenienti dalle apparecchiature e l’integrazione di funzioni e sistemi complessi, connessi in aggregazioni fra di loro che riguardano produzione e consumo, risponde alle modalità organizzative previste in Industria 4.0 grazie allo sfruttamento delle nuove frontiere delle tecniche digitali.
In particolare eCube crea un sistema produttivo (dell’energia) e commerciale (“banca”) in grado di gestire, interpretare e valorizzare la grande mole di dati disponibile grazie all’utilizzo delle tecnologie digitali, coadiuvato da potenti metodi analitici di calcolo basati su modelli.
Un motivo in più
L’ARPAT (Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale della Toscana) in una nota dell’ottobre 2016, sottolinea: “Nel 2050 i mezzi elettrici alimentati da fonti rinnovabili copriranno l’80% del parco auto su scala EU con una riduzione pari a circa il 10% del totale delle emissioni annue di CO2. Nel complesso, per ricaricare le auto elettriche sarà necessaria una potenza elettrica aggiuntiva di 150 GW, gran parte della quale ottenuta da fonti rinnovabili. Questo incremento dovrà essere corredato dal potenziamento delle reti e dalla creazione delle infrastrutture necessarie, come per esempio le stazioni di ricarica”. In linea con quanto indicato da questo autorevole Ente, il progetto eCube risponde perfettamente a quanto previsto.
I Sottosistemi
Il progetto "Banca dell'energia" si articola in sottosistemi che sono fra di loro interconnessi tramite tecnologie e gli standard più idonei (Web, WiFi, 4G/5G, LAN, LPWAN, ecc.). I sottosistemi sopracitati sono:
Sottosistema Gestione Banca
Sottosistema Gestione Energia
Sottosistema Gestione Utente
Sottosistema Social
SSGB
Il Sottosistema Gestione Banca, gestito da Enegan, ha il compito di verificare e registrare le transazioni energetiche, tra i prosumer, che sono richieste dagli altri sottosistemi della piattaforma e di registrare le corrispondenti transazioni economiche. Questo SS ha il compito di ricevere ed elaborare le informazioni in tempo reale dal SS Gestione Utenti riguardo le transazioni di scambio dell’energia e contabilizza le transazioni energetiche fra Clienti e le premialità derivanti dalle transazioni svolte da ciascun membro della community. L'SSGB Regola il “saldo” delle operazioni a scadenze prestabilite, collegandosi con il Sistema gestionale per le operazioni di amministrazione e regola anche i rapporti con i gli altri provider di energia che contrattualizzano utenti di ricarica esterni alla community della Banca dell’Energia, durante la ricarica del veicolo elettrico.
SSGE
Il Sottosistema di Gestione Energia, gestito da Enegan, Ergon e UniFi DINFO, ha il compito di coordinare le varie azioni e rappresenta il vero e proprio cervello della presente invenzione. Enegan ha apportato al progetto di questo SS la propria conoscenza in tema di modalità di scambio energetico e di approvvigionamenti. Ergon ha contribuito con le proprie competenze specialistiche di sistemi gestionali aziendali e di gestione dei database. UniFi Dinfo rappresenta il soggetto esperto nello sviluppo di modelli di simulazione e di algoritmi di previsione dei profili di consumo. L’SSGB utilizza una blockchain e le transazioni economiche sono gestite sotto forma di token posseduti dai wallet di ciascun Utente (Prosumer).
SSGU
Il Sottosistema Gestione Utenti è gestita da Enegan e UniFi DINFO. Enegan apporterà al progetto di questo SS la propria conoscenza in tema di sistemi di energy management, invece UniFi Dinfo apporterà le proprie competenze sui dispositivi di telemisura e per la progettazione di eventuali dispositivi non approvvigionabili sul mercato. L'SSGU ha il compito principale di gestire l'invio di comandi e della raccolta verso i dispositivi locali installati presso i clienti e di gestire lo scambio di dati tra SSGE e SSGB ed è costituito dall’insieme di dispositivi per il monitoraggio e controllo (smart meter, storage e attuatori) delle operazioni degli utenti nonché dalle SRVE (Stazione di Ricarica Veicolo Elettrico) sia wireline che wireless.
SSSC
Il Sottosistema Social ha il compito di supportare la community e far interagire i vari utenti al fine di massimizzare la consapevolezza nell'uso dell'energia e la salvaguardia ambientale. La ragione primaria dell’esistenza del SSSC deriva dalla necessità di attivare e mantenere nei Clienti quei comportamenti di partecipazione attiva che costituiscono un elemento chiave per il funzionamento del Sistema. L’esperienza fatta da Enegan nella collaborazione già in corso con Greenapes dimostra che, a questi fini, il coinvolgimento con le modalità tipiche delle web-community ha un’importanza almeno equivalente ai vantaggi economici che potrebbero derivare dalla partecipazione alla Banca dell’Energia.
I tipi di Utente per la quale il sistema Banca dell'Energia è stato ideato sono:
Smart
Sono utenti che possiedono, o potrebbero possedere, un impianto di produzione da FR, sono dotati di appositi misuratori per i consumi energetici (smart meter), sono dotati, o potrebbero dotarsi, di sistemi di accumulo, e sono proprietari, o potrebbero dotarsi, di una SRVE.
Storage
Sono utenti che sono già dotati, o potrebbero dotarsi, di sistemi di accumulo, sono dotati di appositi misuratori per i consumi energetici (smart meter) e sono proprietari, o potrebbero dotarsi, di una SRVE.
Costumer
Sono singole utenze, o gruppi di utenze, afferenti allo stesso POD dotati di appositi misuratori per i consumi energetici (smart meter).
Flywheel
Sono singole utenze, o gruppi di utenze, he sono dotati di appositi attuatori per il controllo a distanza dei carichi energivori e di appositi misuratori per i consumi energetici (smart meter).
Il DAM
Per il corretto funzionamento del sistema eCube è stato ideato il DAM (Dispositivo Accumulo Mobile), è un dispositivo mobile dotato di funzionalità V2G (Vehicle To Grid) che si interfaccia con la rete elettrica o con FR (Fonte Rinnovabile), attraverso sia prese tradizionali sia un sistema wireless. Il suo scopo è quello di recarsi fisicamente in un punto di criticità dove l'energia scarseggia o abbonda e di conseguenza carica o scarica attraverso le sue batterie così da ottimizzare l'energia nella rete.
Architettura del sistema DAM
Il sistema di ricarica bi-direzionale DAM è composto dai seguenti elementi:
- Una stazione di ricarica con connessione al veicolo via cavo, con connettore custom e supporto sia per la carica del veicolo che per il trasferimento di energia dal veicolo alla stazione (funzionalità V2G, o vehicle to grid).
- Un sistema di ricarica wireless uni-direzionale, installato a terra.
- Elettronica di controllo a bordo veicolo, che coordina le diverse modalità di carica/scarica disponibili e si interfaccia con il BMS (Battery Managemen System) e con caricabatteria a bordo veicolo tramite linea dati.
Sistema di ricarica bi-direzionale con energy storage
La colonna di ricarica è dotata di un connettore con cavo custom per permettere, a comando, la ricarica del veicolo conformemente alla presa di tipo 3, oppure il trasferimento di energia dal veicolo alla rete.
Il controllo della ricarica, sia in fase di carica che in fase di scarica, avviene attraverso lo stack di comunicazione per il controllo della colonna via OCPP 1.6 (Open Charge Point Protocol), che è stato espanso con funzioni custom per la funzionalità V2G, fra cui:
- identificazione del Cliente che si collega (tramite lettore RFID montato a colonna o tramite remote transaction inviata dal server);
- avvio/chiusura della modalità operativa “ricarica” o “fornitura”, su disposizione del Cliente tramite funzione custom OCPP;
- comunicazione con il SSGB per l’invio dei dati relativi alla transazione.
La colonna è munita di display LCD per interfaccia utente, lettore RFID ed è predisposta per la connessione in rete tramite ethernet.
Colonnine di ricarica per il sistema di ricarica V2G
Colonnina di ricarica bi-direzionale
Energy storage system alloggiato in scavo pre-esistente
Ricarica Wireless
Il sistema di ricarica wireless permette di trasmettere energia al veicolo (fino a una potenza massima di c.a 1000W) attraverso il principio della ricarica a induzione senza, cioè, il collegamento via cavo tra veicolo e sistema di ricarica. La potenza di ricarica è stata sperimentata con successo fino a 1 kW. E’ un sistema indicato pertanto nelle situazioni di soste medio/lunghe come quelle che si verificano per i veicoli aziendali nei periodi di inattività ( es.: di notte).
Il sistema di ricarica wireless è costituito da 2 moduli, rispettivamente una piattaforma a terra (transmitter) e di una a bordo della vettura (receiver).
Il sistema è stato dimensionato per garantire la massima efficienza di trasferimento a una distanza di c.a. 15 cm fra Transmitter e Receiver. Si noti che tale distanza è stata determinata come la più piccola distanza in grado di garantire al contempo un’elevata efficienza di trasferimento (> 80%) e uno spazio adeguato fra il fondo del veicolo (in particolare il dispositivo Receiver fissato sul fondo) e il piano strada.
Inoltre sono state svolte numerose prove sperimentali al fine di determinare la dipendenza dell’efficienza del trasferimento da parametri quali la variazione della distanza fra Transmitter e Receiver, dis-allineamenti translazionali e dis-allineamenti rotazionali.
Una volta fissata la distanza nominale (15 cm), le variazioni che il sistema può subire nel tempo porteranno a ridurre tale distanza (ad es. Nel caso in cui le gomme del veicolo si sgonfino), il che andrebbe a vantaggio dell’efficienza del sistema. D’altro canto i dis-allineamenti rotazionali fra il Transmitter e il Receiver sono limitati dalla geometria del sistema e dal montaggio su un veicolo a 4 ruote (ben diversa sarebbe la situazione, ad esempio, in caso di sistema applicato alla ricarica di motociclette).
L’unico parametro in grado di influenzare in modo significativo l’efficienza del sistema è costituito dall’allineamento transazionale fra i 2 sistemi, come confermato dalle prove sperimentali.
Dalle prove sperimentali è emerso che al fine di permettere un trasferimento ottimale di energia è necessario garantire un corretto allineamento fra la i dispositivi Transmitter e Receiver. Per questo motivo è stato progettato un sistema di centraggio che permette un allineamento ottimale. Il sistema di crcentraggio permette all’utente di parcheggiare il veicolo in posizione ottimale e di avviare la ricarica semplicemente dal display della colonnina.
Il progetto meccanico del trasmitter prevede un alloggiamento in una struttura a dosso, per permettere di diminurire la distanza fra Transmitter e Receiver senza sacrificare l’altezza del veicolo dal piano strada durante la circolazione. Inoltre, sul Transmitter sono presenti dei led di stato che permettono all’utente di verificare immediatamente lo stato della ricarica.
Posizionamento del veicolo sul sistema di ricarica Wireless nelle due figure successive
Risultati ottenuti
Nella figura 1 vengono mostrati due grafici: in quello in alto vengono presentati i valori tipici assunti nello scenario Baseline in un giorno di simulazione dalle principali variabili relative al prosumer, come SOC(t), la potenza prodotta da FV , la potenza di carica e scarica dello storage e la potenza dei carichi del prosumer; nel grafico in basso le stesse variabili sono riportate per lo stesso giorno di simulazione ma nello scenario CE (Comunità Energetica).
Figura 1: andamento dei principali parametri di stato del Prosumer negli scenari Baseline e CE
La riduzione del SOC a fine giornata è evidente, così come la riduzione complessiva del surplus di potenza FV. Questo è uno dei principali risultati degli scambi di energia che avvengono all'interno della CE e porta direttamente ad un aumento dei guadagni del prosumer. Un effetto collaterale legato all'utilizzo di una parte della capacità dello storage per gli scambi di energia all'interno della CE, è un possibile piccolo aumento dell'acquisto di energia dalla rete da parte del prosumer.
Nei grafici a destra vengono mostrati gli andamenti di SOC(t) su 72 periodi misurati in 1 giorno. Essi sono analizzati per entrambi gli scenari. Dai grafici emerge chiaramente che il SOC di fine giornata dello storage viene costantemente ridotto nello scenario CE rispetto al Baseline; ciò conferma che l'algoritmo funziona correttamente in tutte le situazioni analizzate. Osservando gli stessi grafici, si può notare come il surplus di potenza FV lasciato dopo l'ottimizzazione sia completamente ridotto nello scenario CE in tutti i periodi.
Figura 2: andamento dello SOC dello storage e surplus di generazione FV dopo la condivisione con la CE per le varie giornate della simulazione.
Figura 3: andamento statistico dei principali KPI relativo alla simulazione.
Infine, un'analisi dei valori dei KPI, come mostrato nella Figura 3, fornisce una panoramica dei miglioramenti relativi all'implementazione del modello di ottimizzazione della CE proposto: in primo luogo, la dipendenza dalla rete per l'elettricità è ridotta in media di oltre 40%, e di conseguenza la quota di risparmio di CO2 è aumentata. In termini assoluti ciò si traduce in una media di circa 10 kWh/giorno di elettricità condivisa all'interno della Comunità.
Inoltre l'autoconsumo, in media, aumenta più di due volte, passando dallo scenario Baseline, in cui solo i prosumer sono coinvolti nell'ottimizzazione, allo scenario CE, in cui lo sono anche i consumer. Questo si traduce in oltre 15 kWh/giorno di autoconsumo all'interno della CE, di cui circa 10 kWh/giorno sono condivisi e il resto viene utilizzato dal prosumer. Tenendo conto dell'economia dell'operazione, il risultato è piuttosto positivo, dato che i guadagni del prosumer nello scenario CE sono, in media, quasi due volte superiori a quelli dello scenario di base, e i risparmi dei consumer si aggirano intorno a 15÷20%.
Il risparmio di CO2 legato alla riduzione dell'acquisto di energia dalla rete è direttamente proporzionale ad essa; per il calcolo è stata utilizzata l'intensità di CO2 2018 del Fuel Mix italiano per la produzione di energia elettrica, per un valore di 303 gCO2eq/kWh (fattore emissivo da Ispra).
