Le Macro e Micro Grid. Nuovi concetti e terminologia

In un contesto mondiale caratterizzato dalla crescente consapevolezza del ruolo competitivo svolto da modelli di sviluppo ecocompatibili ed in presenza di un favorevole quadro regolatoriointernazionale in ambito energetico – non solo negli USA, Europa e Giappone, ma anche nelle aree di forte crescita nella regione Asia Pacific a partire dalla Cina -il tema del cambiamento climatico sta diventando centrale per lo sviluppo e l’esercizio del sistema energetico ed elettrico in particolare. Questa attenzione allo sviluppo sostenibile, all’efficienza energetica ed al rispetto ambientale e del territorio sta modificando in maniera drastica il sistema elettro-energetico in generale.

In riferimento all’attuale Sistema Elettrico Europeo ed alle sue evoluzioni, proponiamo una sintesi dei principali concetti (e le terminologie collegate)  che caratterizzano il nuovo paradigma di sviluppo del sistema elettrico (sia a livello di alta ed altissima tensione che di media e bassa).

L’impressionante evoluzione del sistema elettrico è dovuta ai seguenti fattori
• Attenzione alla crescita ed allo sviluppo sostenibile con forte attenzione agli aspetti ambientali e sociali e di risparmio energetico;
• Collegamento nelle reti di Media e Bassa Tensione di generazione rinnovabile e distribuita sul territorio, spesso di tipo volatile (fotovoltaico ed eolico);
• Collegamento nelle reti di Alta e Altissima Tensione di generazione rinnovabile concentrata;
• Il ruolo del mercato che sta dando sempre più spazio e potere all’utente/consumatore (cittadino) ed ai cittadini organizzati  (utenti/consumatori), favorendo lo sviluppo di nuove  tecnologie ed applicazioni relative alle Micro Grid, Smart Community and Smart City;
• La gestione sempre più delocalizzata e decentralizzata (per certi aspetti federalista) dei sistemi elettrici che sta favorendo una maggiore partecipazione delle comunità locali alla pianificazione e gestione energetico-ambientale.

Quanto detto comporta l’utilizzo delle seguenti tecnologie ed applicazioni

• Energie Rinnovabili Localizzate (Bulk Renewable Source)  che devono essere trasferite da aree periferiche del sistema (Nord Europa per Wind Offshore, Mediterraneo del Sud per PV Solar Plant e Siberia per grandi bacini idroelettrici) al baricentro Europeo dei carichi attraverso le Super Grid;
• Sistemi di elettronica di Potenza (Facts – Flexible Active CurrentTransmission System) che governano i flussi di potenza  in funzione a considerazioni commerciali e di operation (es. risoluzione dei problemi di congestione della rete);
• Tecnologie avanzate in corrente continua per applicazioni in Alta Tensione, ma in prospettiva anche in Media e Bassa Tensione;
• Tecnologie di  Smart Metering con particolare riguardo ai Contatori Digitali (Digital Meter) e sistemi gestione dati ed informazioni (AMI – Advanced Metering Interface)
• Tecnologie Smart Grid applicate alla Media tensione, quali teleconduzione delle reti MT, automazione cabine secondarie (MT/BT);
• Energie Rinnovabili e Distribuite installate in Media e Bassa tensione;
• Tecnologie di accumulo;
• Sistemiavanzati e low cost di EMS (Energy Management System) e DMS (Distribution Management System);
• Qualità del servizio ritagliata sulle effettive esigenze del consumatore attraverso una gestione eterogenea di questo servizio;
• Nodi di rete che possono essere nel contempo carichi e generatori: prosumer(producer + consumer);

Questo nuovo scenario ha introdotto nuovi concetti ed esteso la base terminologica di settore secondo le linee che in quanto segue vengono sinteticamente indicate. Il Sistema Elettrico Europeo nel suo assieme, è costituito da:
– Macro Grid:svolgono una funzione pubblica, indipendentemente dalla natura della loro proprietà. Esse consistono di sistemi di alta ed altissima tensione, ma anche di Media e Bassa Tensione con tecnologie AC/DC e forniscono servizi pubblici secondo i parametri standard di qualità e affidabilità (PQR);
– Micro Grid, topologicamente connesse con le Macro Grids e che forniscono servizi di  PQR (PowerQuality and Realibility)  ritagliati sulle effettive esigenze del cliente/utente.

Le Macro Grid possono essere così suddivise:
• Super Grid (EHV Macro Grids):sistemi di trasmissione di energia elettrica, basato principalmente sulla tecnologia della corrente continua, destinato a facilitare la produzione di energia rinnovabile su larga scala in aree remoteper la trasmissioneai centridi consumo. Le Super Grid rappresentano quindi un quarto livello che si aggiunge a quelli della Trasmissione, Distribuzione in Media Tensione e Distribuzione in Bassa Tensione;

• HV Macro Grid: rappresentano le attuali reti di trasmissione elettrica (380/220kV con tecnologia AC);
• MV & LV Macro Grid: rappresentano le attuali reti di distribuzione elettrica in Media Tensione (20/10kV con tecnologia AC) e Bassa Tensione (380/220V con tecnologia AC).
Le Micro Grid sono così suddivise:

• Milli Grid: spesso denominate come MV Micro Grid. Si tratta di sistemi elettrici che raggruppano generatori e carichi in grado di funzionare in isola e che includono spesso anche sezioni di distribuzionetradizionale. Sono reti progettate per fornire energia anche a bassaPQRper quei  dispositiviche lo richiedono. Queste reti sono oggi soggettea diverserestrizioni normative e legali che variano secondo i vari contesti europei (in alcuni paesi europei queste reti non sono al momento permesse, se non in via sperimentale). In prospettiva questi sistemi dovranno disporre di procedure operative che garantiscono il servizio pubblico non più offerto a livello Macro Grid. Queste reti sono anche definite come “utilitymicrogrid” o “community grid”;

• Micro Grid: sono sistemi elettrici di media e prevalentemente di bassa tensione che contengono generazione (energia rinnovabile distribuita, ma anche tradizionale), carichi, sistemi di accumulo ed una rete elettrica che collega tra di loro questi nodi. Queste reti sono gestite in maniera locale e possono funzionare in maniera isolata o collegata alla Macro Grid. Sono reti progettate per fornire energia anche abassaPQRper quei dispositiviche lo richiedono. Un’altra importante definizione è quella che una Micro Grid  è una Customer Micro Grid, cioè una rete formata soprattutto da un numero limitato (e. 100–300) di prosumer (carichi che possono divenire anche generatori) e quindi di digitalmeter (contatori intelligenti). In questo caso la Macro Grid vede la Micro rete come semplice nodo di carico (che può divenire anche attivo) e l’infrastruttura elettrica interna alla rete può essere concettualmente vista come rete di raccordo tra generatori e piccoli carichi, anziché una rete di distribuzione in bassa tensione di servizio pubblico. Questo nuovo approccio potrà avere in un prossimo futuro fortissime implicazioni di tipo legale e normativo. Le Micro Grid sono progettate per un funzionamento autonomo (elettricamente isolato) dalla Macro Grid, anche se molte di queste sono normalmente interconnesse alle Macro Grid acquistando/vendendo Energia e servizi elettrici collegati. In questa ottica le  Micro Grid liberano la Macro Grid della responsabilità della qualità del servizio (continuità, interrompibilità, etc.) ed affidabilità; responsabilità che passerà sulle spalle delle Micro Grid stesse. E’ da notare poi che queste possono riguardare gli aspetti energetici nel loro assieme, inclusi  la produzione e la distribuzione di calore;

• Nano Grid (carichi intelligenti): sono reti che richiedono carichi critici e prioritari. Interessante è il caso (spesso non  considerato nella pianificazione di sistema di distruzione a bassa tensione) dei sistemi di telecomunicazione che hanno caratteristiche completamente diverse dalle normali reti di distribuzione elettrica e che sono in forte crescita. Si tratta diretia basso consumo energetico, spesso (ma non sempre) in corrente continua, progettate  per fornire energiaad altaPQRper quei  dispositiviche lo richiedono. Sono spesso a 48 V in corrente continua e prestazioni di PQR elevati.  Negli edificifuturi (edifici intelligenti) così come nelle Micro Grid in genere, le Nano Grid saranno onnipresenti e dovranno essere trattate come carichi (e nodi) indipendenti.

La figura sopra indicata sintetizza il nuovo sistema elettrico europeo composto da Macro Grid e più Micro Grid,  tenendo conto dei 4 livelli di tensione (super grid, trasmissione, distribuzione in media tensione e distribuzione in bassa tensione), della generazione, carichi, sistemi di accumulo, Micro Grid e  prosumer (Milli Grid, Micro Grid e Nano Grid).

Diego Bernini (Università Bicocca- Milano), (Gianluca Colombo (C2T – Milano), Ferruccio Giornelli (DeMEPA – Milano) e Pasquale Motta (DeMEPA – Milano). L’articolo sintetizza progetti e studi condotti dagli autori in collaborazione anche  R. Avigni, R. Iorio e F. Leopaldi