Lo scopo di questo articolo è illustrare la possibilità di sfruttare l'infrastruttura delle linee elettriche esistenti per poter diffondere tecnologie sempre più compatibili con l'ambiente in un numero crescente di applicazioni e a costi vantaggiosi. Di seguito verranno presentati tre casi applicativi tipici per illustrare gli elementi chiave che permettono alla normale linea elettrica di proporsi come un mezzo economico e ad alte prestazioni di connessione con il mondo esterno e garantire nel contempo un'elevata efficienza energetica. I tre esempi presi in considerazione sono relativi alle “smart grid”, all'energia solare e all'illuminazione a Led. Le strategie “verdi” si focalizzano sull'analisi della modalità di utilizzo delle diverse tecnologie di comunicazione allo scopo di garantire un'interconnessione economica e ad alte prestazioni con il mondo esterno caratterizzata da una maggiore efficienza energetica che copra l'intera gamma di applicazioni elettroniche. Oltre ad assicurare sensibili risparmi in termini economica grazie alla riduzione dei consumi, tali strategie mirano a diminuire l'onere delle importazioni dei prodotti energetici. Per i progettisti che operano nelle tre più importanti tecnologie “verdi” - smart grid, energia solare e illuminazione a Led - la possibilità di riutilizzare le infrastrutture Plc (Power Line Communications) è un elemento fondamentale per potere aggiungere un certo grado di “intelligenza” alle applicazioni basate su queste tecnologie. Il fatto da tenere in considerazione è che la connettività è il fattore che permette di aggiungere funzionalità di controllo avanzato e di “intelligenza” a un dispositivo in quanto consente di implementare quelle strategie operative e di manutenzione che in ultima analisi si traducono in una drastica diminuzione dei consumi. La conoscenza di tempi, luoghi e modalità di consumo dell'energia fornisce agli utenti e agli algoritmi che girano sui computer le informazioni necessarie per prendere decisioni efficaci.
La smart grid
Il termine smart grid viene utilizzato in diverse accezioni. Una definizione potrebbe essere la seguente: una griglia di nodi interconnessi per la generazione di energia (prodotta da centrali a carbone o idroelettriche, impianti fotovoltaici o eolici, pile a combustibile e così via), la trasmissione dell'energia (linee elettriche, trasformatori), l'immagazzinamento dell'energia (batterie) e il consumo dell'energia (elettrodomestici o apparecchiature in generale). Il termine smart si riferisce ovviamente all'aggiunta di una certa “intelligenza” grazie alla quale è possibile prendere decisioni riguardo la generazione, la trasmissione, l'immagazzinamento e i consumi, sfruttando informazioni in tempo reale circa la provenienza e la destinazione dell'energia. Sebbene nella rete di distribuzione dell'energia odierna si possa individuare un certo livello di intelligenza a livello macro - espresso dalla capacità delle aziende di servizi pubblici di bilanciare l'erogazione della potenza in funzione della richiesta degli utilizzatori - esso non è certamente sufficiente a supportare le future richieste a causa della crescita esponenziale dei nodi per la generazione, l'immagazzinamento e il consumo di energia. Per esempio, poiché sui tetti di molte abitazioni sono stati installati pannelli solari che incominciano a fornire energia alla rete di distribuzione, la gestione dell'equilibrio tra domanda e offerta si presenta come un problema la cui risoluzione risulta abbastanza ardua. Per quanto concerne invece i consumi, la maggiore diffusione di macchine elettriche che funzionano mediante batterie si traduce nella necessità di avere un numero decisamente superiore di nodi per l'immagazzinamento dell'energia sulla rete di distribuzione. Per garantire un funzionamento efficace e armonioso della rete, è necessario disporre di informazioni relative alla quantità e ai luoghi in cui l'energia viene prodotta, immagazzinata e consumata. Nel momento in cui sono disponibili queste informazioni, gli algoritmi che girano sui sistemi di elaborazione possono iniziare ad agire per trovare i giusti compromessi che assicurino armonia di funzionamento e disponibilità di energia sull'intera rete.
Per conseguire questo obbiettivo la rete stessa deve essere in grado di scambiare informazioni a livello di singolo nodo (livello micro) a essa connesso. In tale contesto, l'Italia ha avuto un ruolo guida. La prima rete smart grid funzionante su larga scala è infatti la rete elettrica italiana.
Più in generale l'Europa sta assumendo un ruolo da protagonista nello sviluppo di implementazioni di smart grid della prossima generazione a livello micro. Startup come TekPea stanno lavorando a stretto contatto con le aziende pubbliche preposte all'erogazione del servizio per il progetto e la successiva installazione di smart grid nelle abitazione in grado di misurare e comunicare informazioni relative all'utilizzo dell'energia sfruttando la tecnologia Plc. L'obbiettivo è duplice: far sì che l'utente finale acquisti una maggiore consapevolezza circa i propri consumi energetici e creare una smart grid domestica che possa contribuire alla “rivoluzione verde”. I consumatori, oltre a soddisfare obbiettivi di natura prettamente ecologica, possono beneficiare di incentivi di tipo economico. Nella fase iniziale, i consumatori che adotteranno la tecnologia smart grid potranno risparmiare in funzione della loro capacità di ridurre o ottimizzare i consumi energetici. Nelle fasi finali di questa rivoluzione, lo scenario è destinato a mutare. Gli utenti che non avranno adottato la tecnologia smart grid pagheranno cifre significative a causa della loro incapacità di gestire in maniera “intelligente” i loro consumi sulla base della disponibilità di energia e delle fasce di tariffazione che evolvono in maniera dinamica. L'elettricità, per esempio, ha un costo maggiore durante le ore di punto (solitamente a metà giornata) e risulta più economica in altre fasce orarie (tipicamente verso mezzanotte, periodo in cui la richiesta di energia è senz'altro inferiore). Una smart grid domestica, inoltre potrebbe operare anche come sistema di automazione, consentendo all'utente non solo di controllare dispositivi e apparecchiature in modalità remota, ma anche di misurare il consumo d energia della famiglia. Gli utenti potranno così risparmiare denaro o, in alternativa, questo grado di “intelligenza” permette di informare le apparecchiature circa i mutamenti dei carichi e dei flussi energetici. Nei Paesi in fase di rapida espansione come Cina e India, smart grid non è solamente uno slogan. Esigenze oggettive e leggi emanate dai rispettivi Governi ne rendono indispensabile l'implementazione prtaica. In questi Paesi, infatti, la richiesta supera l'offerta. Da questo punto di vista, ogni Watt/ora risparmiato è un quantitativo di energia finalizzato a favorire la crescita.
L'energia solare
In questo contesto, la “parola d'ordine” più attuale è micro-inteverter. Si tratta di dispositivi in grado di effettuare la conversione Dc-Ac a livello di singolo pannello solare. Al posto di incanalare tuta la potenza Dc prodotta in un singolo convertitore Dc-Ac di ampie dimensioni, i micro-inverter possono essere connessi a ciascun pannello solare per rifornire di potenza Ac utilizzabile un'abitazione o una rete di distribuzione. Poiché ciascun pannello è equipaggiato con un proprio inverter e la conversione è controllata a livello di pannello, il sistema può garantire migliori prestazioni complessive e una maggiore efficienza rispetto a quelle offerte dai sistemi tradizionali con inverter centralizzato.
Dispositivi ideali per le installazioni poste sui tetti, i micro inverter consentono anche di semplificare il cablaggio e minimizzare gli ingombri. In questo caso lo svantaggio è rappresentato dall'insorgere di problematiche legate al monitoraggio di un gran numero di micro-inverter invece di un singolo inverter di stringa. Ad esempio, quando un micro-inverter cessa di funzionare, la difficoltà per l'utilizzatore o il tecnico è individuare il componente da riparare. In maniera del tutto analoga, se un sistema per qualche ragione non è in grado di erogare la capacità richiesta, è necessario individuare una modalità che consenta di diagnostica il problema in modo remoto in tempi brevi e con la massima accuratezza. Considerato il fatto che i micro-inverter e i pannelli solari sono collegati tra loro sulla linea elettrica, la tecnologia Plc si propone come il mezzo più semplice, elegante e subito disponibile per fornire la connettività richiesta. Poiché tale tecnologia utilizza i cavi della linea elettrica esistente, non è richiesta l'installazione di ulteriori cablaggi, con conseguenti risparmi in termini di costi di materiale, di installazioni e operativi. Tutti questi elementi sono critici per mantenere prezzi e assorbimenti di potenza a livelli tali da rendere praticabile l'implementazione di soluzioni che sfruttano energie rinnovabili. Il pannello centrale (hub) raccoglie i dati diagnostici e le misure provenienti da tutti i pannelli periferici e li visualizza in una forma di semplice e immediata comprensione per l'utente. Nelle installazioni industriali di ampie dimensioni, è utile prevedere un link di comunicazione che consenta il monitoraggio remoto di ciascun micro-inverter. La ragione è molto semplice: poichè la potenza viene venduta a una rete di distribuzione, ogni minuto che un pannello non garantisce le massime prestazioni si tramuta in una perdita economica. Il monitoraggio su base continuativa può ottimizzare il ritorno dell'investimento dell'installazione e la tecnologia Plc, oltre a permettere di implementare in maniera semplice ed economica un sottosistema di comunicazione, assicura significativi incrementi in termini di efficienza e affidabilità.
Illuminazione a Led
Le lampadine e le lampade a Led risultano molto più efficienti dal punto di vista energetico delle tradizionali lampade a incandescenza e non contengono sostanze dannose come il mercurio presente invece nelle lampade Cfl (Compact Florescent Lamp). Le lampade a Led, inoltre, sono caratterizzate da una vita operativa più lunga rispetto a quelle a incandescenza o a fluorescenza. Per il consumatore medio, oggigiorno le lampade a Led risultano abbastanza costose, mentre il loro utilizzo è ampiamente giustificato nelle installazioni commerciali. Sul lungo termine, le installazioni di lampade a Led garantiscono un ottimo ritorno dell'investimento non solo per il fatto che permettono di risparmiare energia, ma anche in virtù dei ridotti costi operativi e di manutenzione: esse richiedono infatti una sostituzione meno frequente, con tutti i vantaggi che ciò comporta. Non va inoltre dimenticato il fatto che il costo delle lampade a Led è destinato a diminuire all'aumentare del loro grado di diffusione. Rispetto alle lampade Cfl, quelle a Led si distinguono per due caratteristiche chiave: la possibilità di variare l'intensità luminosa (dimming) e il colore. In un prossimo futuro, uno dei prodotti che riscuoteranno un sicuro successo saranno le lampade a Led che posso cambiare colore. Esse potranno fornire, all'interno della medesima lampade, vari tipi di colore - dalle classiche luci d'atmosfera ai più semplici colori bianco caldo e freddo. La maggior parte delle lampade a Led attualmente disponibili sono di tipo a retrofit, ovvero che possono essere installate al posto delle tradizionali lampade a fluorescenza o a incandescenza. Le lampade a Led a variazione dell'intensità luminosa sono compatibili praticamente con qualsiasi dimmer presente sul mercato. Con l'infrastruttura di illuminazione esistente, l'installazione di lampade a Led a cambiamento di colore può dar adito a qualche problema non quanto non esiste un meccanismo con il quale l'utilizzatore possa indicare il color che il bulbo a Led dovrebbe assumere.
Anche il questo caso, la tecnologia Plc si propone come la soluzione più idonea. Si immagini che un utente sia in grado di installare un quadro di controllo all'interno di un'abitazione nel luogo desiderato (ovvero in una qualsiasi delle prese di corrente) e di controllare ciascuna delle lampade Led presenti nell'abitazione in modo remoto attraverso la linea elettrica. Con infrastrutture di questo tipo, i consumatori potranno non solo variare l'intensità di ogni singola lampada, ma anche cambiare i loro colori e perfino automatizzare le operazioni di accensione e spegnimento, con indubbi vantaggi in termini di risparmio energetico. Le lampade a Led connesse mediante la tecnologia Plc sono anche in grado di trasmette utili informazioni di natura diagnostica al quadro di controllo relative ai flussi di utilizzo al fine di ottimizzare ulteriormente il controllo automatizzato. Informazioni di questo tipo risultano particolarmente utili nelle installazioni commerciali. Gli addetti alla manutenzione non dovranno più effettuare frequenti ispezioni a ogni lampada e pianificare in maniera accurata un piano di sostituzione delle lampade. Tutto ciò è reso possibile dal fatto che le lampade utilizzano la tecnologia Led e sono connesse tra di loro: connessione che si tramuta in “intelligenza”.
