Un contatore intelligente, o in inglese “smart meter”, può essere definito genericamente come un sistema che – oltre a visualizzare un valore di consumo totale, come fanno da sempre i tradizionali contatori meccanici – è in grado anche di misurare periodicamente il consumo istantaneo e di comunicare in modo bidirezionale con il sistema remoto della società che fornisce il servizio e con apparati locali di monitoraggio rivolti all’utilizzatore. La combinazione tra queste due funzioni permette un’interazione continua tra la singola utenza e il gestore del servizio, aprendo la strada non solo alla telelettura ma anche a molte altre possibilità di gestione della domanda. Spesso il concetto di contatore intelligente è associato a quello di “smart grid”, la futura rete di distribuzione dell’energia elettrica che consentirà di smussare i picchi di consumo e integrare i piccoli impianti di generazione privati. È importante sottolineare, però, che le tecnologie di smart metering possono essere applicate anche alle utenze del gas e dell’acqua. Dal punto di vista elettronico, i contatori intelligenti devono essere dotati di due funzioni principali: la misura e la comunicazione. Le soluzioni di misura variano ovviamente a seconda dell’utenza considerata: nel caso del gas e dell’acqua, ad esempio, è necessario anche l’impiego di trasduttori, cioè sensori di flusso. In questo articolo, comunque, ci occuperemo prevalentemente degli aspetti legati alla comunicazione, maggiormente soggetti ad evoluzioni tecnologiche.
Architetture di rete
Con particolare riferimento alle utenze elettriche, in futuro l’impiego dei contatori intelligenti comporterà la creazione di un’infrastruttura di raccolta dati composta da reti a quattro livelli:
1) Han (Home Area Network), la rete domestica che collega il contatore, gli elettrodomestici intelligenti, un sistema di monitoraggio locale e un “home gateway” per l’accesso alle reti di livello superiore;
2) Nan (Neighborhood Area Network), la rete di aggregazione che concentra un certo numero di contatori;
3) Man (Metropolitan Area Network), una rete dedicata o condivisa per l’accesso cittadino in grado di fornire supporto a un numero anche elevato di punti di accesso;
4) Wan (Wide Area Network), la rete a lunga distanza di tipo dedicato o condiviso per il collegamento con centri di gestione e controllo regionali o nazionali.
Per quanto riguarda le reti Han, le tecnologie candidate a una possibile standardizzazione comprendono ZigBee, WiFi, e Plc (Power Line Communication, cioè la trasmissione di onde convogliate). Va rilevato che la ZigBee Alliance ha recentemente definito un profilo “Smart Energy” specificamente rivolto a queste applicazioni e il mercato offre già numerosi apparati dotati di certificazione per questo standard. La tecnologia Plc è già ampiamente utilizzata nelle reti di media e alta tensione, oltre che - in bassa tensione - per i contatori elettronici di prima generazione. La sua candidatura come tecnologia utilizzabile in ambito Han è legata anche a iniziative come quella della HomePlug Alliance (www.homeplug.org). Ancora per quanto riguarda il livello Han va segnalata la Home Gateway Initiative (www.homegatewayinitiative.org), che promuove la creazione di una piattaforma aperta per questo elemento del sistema. Per quanto riguarda il livello Nan, tra le tecnologie utilizzabili sono comprese le reti wireless mesh basate su WiFi e ponti radio HyperLan, lo standard Wireless M-Bus e soluzioni come Wavenis, nata come tecnologia proprietaria sviluppata dalla società Coronis e ora promossa come standard aperto da un’alleanza industriale (www.wavenis-osa.org). Anche in ambito Nan, tuttavia, ZigBee potrebbe giocare un ruolo significativo: nella città svedese di Göteborg, ad esempio, la lettura di 270.000 contatori elettrici è basata su questa tecnologia. Ogni nodo ZigBee funge anche da router, cosicché i contatori si collegano automaticamente tra loro per far giungere i dati ai concentratori. La soluzione impiega sistemi prodotti da Nuri Telecom, basati su chip Ember.
Per quanto riguarda le Man, le possibilità comprendono le linee Adsl gestite dagli operatori telecom, WiMax e le reti di telefonia cellulare. Il livello Wan, infine, sembra prestarsi in modo particolare allo sfruttamento delle infrastrutture Internet già esistenti.
Questo modello di architettura di rete a quattro livelli è adatto soprattutto alle utenze elettriche, nelle quali la Han può giocare un ruolo importante: la comunicazione tra il contatore e i carichi elettrici ad esso collegati consente infatti di gestire i singoli elettrodomestici per evitare picchi di consumo, sfruttare le fasce orarie a tariffa ridotta ecc. Naturalmente nulla vieta di realizzare una Han che colleghi il contatore del gas alla caldaia e ai fornelli, oppure il contatore dell’acqua a sensori di flusso posti sui singoli rubinetti, ma queste prospettive appaiono ancora lontane.
Progressi nella Plc
Per quanto riguarda le reti a lunga distanza rivolte alle utenze elettriche la Plc (Powerline communication) sembra essere tuttora la tecnologia più favorita, anche grazie ai progressi che ne hanno migliorato le prestazioni. Le soluzioni Plc tradizionali soffrono di varie limitazioni: i trasformatori tra alta e media tensione bloccano la propagazione del segnale, la velocità di trasmissione è insufficiente per la gestione attiva dei carichi, la banda utilizzata può interferire con le radio Am. La tecnologia, tuttavia, continua ad evolversi e quindi a migliorare la propria competitività. Maxim, ad esempio, ha messo a punto una nuova soluzione a banda stretta denominata G3-Plc, basata su Ofdm (Orthogonal frequency-division multiplexing), che impiega solo frequenze inferiori alla banda AM. Secondo la società, la Ofdm consente di raggiungere velocità di trasmissione molto più alte rispetto alla Fsk (Frequency-shift keying) utilizzata nelle soluzioni tradizionali, anche in presenza di un rapporto segnale/rumore molto più sfavorevole. La nuova soluzione consente inoltre di inviare dati attraverso i trasformatori. In concreto la soluzione consente ai gestori del servizio elettrico di ridurre drasticamente il numero di ripetitori e concentratori necessari per realizzare la rete dati: ad esempio, su una linea a bassa tensione con un intervallo di interrogazione del contatore di 15 minuti, un solo concentratore G3 può gestire oltre diecimila abitazioni, contro le 45 della soluzione tradizionale. Maxim è attivamente impegnata per fare della tecnologia G3 uno standard riconosciuto da Ieee, Itu, Iec e Cenelec
Soluzioni di comunicazione per le utenze gas
Un interessante esempio delle soluzioni di comunicazione utilizzate nel campo del gas è fornito da un recentissimo annuncio riguardante Italgas: il gestore italiano ha infatti firmato un contratto con Itron (società produttrice di soluzioni di smart metering) per dotare di capacità di comunicazione 30.000 contatori esistenti, installati in utenze industriali e commerciali. Il sistema è basato sul protocollo Dlms/Cosem (Device Language Message Specification/Companion Specification for Energy Metering) e la trasmissione dei dati a lunga distanza sfrutta la rete Gprs di Vodafone. La società Italgas ha inoltre condotto, nel 2009-2010, una sperimentazione sulla telelettura che ha coinvolto oltre 5.000 famiglie residenti nei comuni di Albano Laziale, Asti, Cerro Maggiore, Enna, Monopoli e Teor. Entrambe le iniziative descritte sono legate alle norme in vigore in Italia: la delibera 155/08 dell’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas fissa infatti scadenze precise per l’introduzione della telelettura nella distribuzione del gas, tracciando di fatto una roadmap per l’adozione di contatori intelligenti. Nelle applicazioni domestiche la telelettura dovrà entrare in funzione a partire dal 2012 e raggiungere l’80% delle abitazioni entro il 2016; per i contatori di maggiori dimensioni destinati alle imprese e agli impianti industriali, l’obbligo della telelettura è scattato già dal 2010.
Il ruolo del protocollo IP e degli operatori telecom
Sebbene alcune specifiche applicazioni siano già affermate e consolidate (è il caso dei contatori elettronici di Enel in Italia), nel complesso il settore dello smart metering è tuttora in evoluzione, soprattutto per quanto riguarda le tecnologie di trasmissione dati. Uno dei fattori in campo è la crescente diffusione del protocollo Internet (IP), che continua a conquistare nuovi spazi applicativi in tutti i settori. Per quanto riguarda le possibili implementazioni di una Han, ad esempio, potrebbe essere utilizzata la soluzione indicata dall’acronimo “6LowPAN”, che sta per “IPv6 over Low Power wireless Area Networks”, cioè l’impiego della versione 6 del protocollo Internet su reti wireless a basso consumo. Una eventuale affermazione del protocollo IP nel campo dei contatori intelligenti potrebbe modificare notevolmente lo scenario complessivo, poiché le altre soluzioni di comunicazione perderebbero terreno. Le evoluzioni future potranno riguardare anche il ruolo degli operatori telecom, attualmente marginale poiché le società che distribuiscono l’energia elettrica utilizzano reti private. La progressiva estensione dei contatori intelligenti anche alle altre utenze potrebbe infatti portare a un’antieconomica proliferazione di reti dedicate (una per l’elettricità, una per il gas, una per l’acqua ecc.), rendendo necessarie razionalizzazioni basate sullo sfruttamento della normale infrastruttura Internet gestita dagli operatori telecom. Queste ultime società, “neutrali” rispetto ai gestori delle utenze, potrebbero anche mettere a disposizione un gateway domestico unificato per collegare a Internet tutti i contatori di casa.
Un futuro in crescita per lo smart metering
Secondo la società di ricerche di mercato Datamonitor, nel 2015 il mercato mondiale dei contatori intelligenti per utenze residenziali avrà un valore di 5,7 miliardi di dollari, con un aumento del 350% rispetto al 2009. Una valutazione delle potenzialità di sviluppo in Europa è sta formulata dalla società di ricerche di mercato Berg Insight, secondo la quale all’inizio del 2009 esistevano in Europa 253 milioni di contatori per utenze elettriche, 109 milioni di contatori per gas e 3 milioni di contatori per teleriscaldamento. Berg osserva che le soluzioni di smart metering possono incorporare una grande varietà di applicazioni riguardanti la telelettura, la gestione dei rapporti con il cliente, la gestione della domanda e i servizi a valore aggiunto. L’applicazione di base è costituita dalla telelettura, cioè dall’invio delle misure di consumo al sistema della società che fornisce il servizio. Le soluzioni di smart metering possono però essere utilizzate anche per sostenere funzioni di Crm (Customer relationship management) e di Dsm (Demand-side management), oltre a servizi a valore aggiunto come l’automazione domestica. In Europa l’adozione dei contatori intelligenti è determinata principalmente dalle leggi dei singoli Stati. La maggioranza dei paesi dell’Europa occidentale ha già adottato leggi che prevedono l’introduzione degli smart meter, ma i tempi sono diversi e in alcuni casi piuttosto lunghi. La Gran Bretagna, ad esempio, ha fissato la scadenza al 2020. L’Italia occupa una posizione del tutto particolare in Europa, poiché – per iniziativa di Enel - è stato il primo paese a installare contatori intelligenti su larga scala; il processo ha avuto inizio nei primi anni 2000 ed è ormai completato. Va detto comunque che i contatori elettronici installati da Enel non possiedono tutte le funzionalità oggi attribuite a un moderno smart meter. Anche in Svezia tutti i contatori delle utenze elettriche sono ormai del tipo intelligente.
Il progetto Open Meter
Il progetto europeo Open Meter, finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro, si propone di mettere a punto un insieme di standard per la Advanced Metering Infrastructure applicabili a tutte le utenze (elettricità, gas, acqua, riscaldamento). L’iniziativa ha preso come punto di partenza gli standard già affermati in questo campo, tra cui Iec 61334 per la powerline communication, Iec 62056 (corrispondente al protocollo Dlms/Cosem), EN 13757 (corrispondete a M-Bus) ecc. Il progetto Open Meter è coordinato da Cen, Cenelec ed Etsi.
