Controllo Decentralizzato di una Rete di Buffer di Energia Distribuita

Una Distributed Energy Buffer Network (DEBN) è una serie di batterie "smart" situate negli edifici di vari consumatori di elettricità e interconnesse tra loro allo scopo di trasferire energia elettrica e per comunicare ed eseguire vari algoritmi al fine di realizzare i seguenti compiti: massimizzare l'efficienza energetica riducendo al minimo le perdite di distribuzione, abbassare i costi dell'elettricità per i consumatori mediante tecniche di trasferimento di potenza ottimizzate, e aiutare a risolvere il problema dell'elevata domanda di energia/potenza e il relativo problema dell'instabilità della rete. Un DEBN è quindi vantaggioso sia per il gestore della rete che per il consumatore di energia.

Di seguito è riportato uno schema a blocchi di un singolo nodo residenziale di un DEBN. In questo caso è stata incorporata la produzione fotovoltaica, ma non necessaria. Un tale sistema renderebbe tuttavia più favorevole un sistema domestico di energia rinnovabile.

Un esempio del vantaggio per il consumatore di questa tecnologia sarebbe nel caso dell'acquisto di un veicolo elettrico. Senza un DEBN, il consumatore dovrebbe passare a un servizio elettrico di potenza superiore al fine di ricaricare il veicolo rapidamente e, a seconda della comodità del consumatore, potrebbe non essere in grado di effettuare la ricarica in un particolare momento della giornata in cui le tariffe elettriche sono più basse (nella fascia oraria alta). In questo caso il consumatore pagherà un corrispettivo maggiore per il servizio di maggiore potenza (kW massimo di potenza istantanea disponibile), nonché un tasso di consumo maggiore (prezzo per kWh di energia consumata) se l'energia viene acquistata nella fascia oraria alta. Con un DEBN, tuttavia, il consumatore può risparmiare su entrambi questi costi perché l'accumulatore può caricare dalla rete a bassa potenza durante la fascia oraria bassa, e poi caricare il veicolo ad alta potenza durante la fascia oraria alta. In questo caso il consumatore non necessita di un servizio di potenza superiore per la ricarica rapida, né acquista l'energia elettrica nella fascia oraria alta.

Il gestore della rete, invece, trarrebbe vantaggio dalla possibilità di implementare una smart grid completo, in grado di eliminare il problema dei picchi di richiesta e dell'instabilità della rete. A causa della crescente richiesta di energia elettrica e dell'aumento della produzione di energia rinnovabile, l'instabilità della rete elettrica è diventata un problema crescente in tutto il mondo. La radice di questo complesso problema risiede nel sovraccarico della rete e nella generazione di energia derivata da fonti non controllabili (rinnovabili come eolico e solare). Di conseguenza, si verificano fluttuazioni indesiderate di tensione e frequenza dovute a variazioni estreme del carico della sorgente di alimentazione, e caduta di tensione della linea di trasmissione dovuta al surriscaldamento del conduttore causato dall'eccessiva potenza attiva e reattiva che scorre nella rete.

Un DEBN si basa su un'architettura di controllo distribuita, in cui ogni nodo condivide una parte del lavoro di elaborazione e svolge un ruolo nel prendere decisioni per conto dell'intera rete. Il gestore di rete può tuttavia monitorare tutti i nodi della rete da una stazione di controllo centrale, dove tutti gli altri dati della rete elettrica vengono raccolti in modo convenzionale, tramite contatori smart di rete situati negli edifici dei consumatori, nelle sottostazioni di rete e negli impianti di generazione. Sulla base dell'analisi dei dati storici, il gestore della rete può decidere se aggiornare o meno gli algoritmi di controllo riprogrammando da remoto ogni nodo. Un esempio del software di controllo potrebbe essere quello di semplicemente caricare tutti gli accumulatori di un'area specifica quando c'è una produzione di energia rinnovabile in eccesso nelle vicinanze, e di riconsegnare quell'energia alla rete in un secondo momento, quando c'è meno produzione di energia rinnovabile e un picco di domanda di potenza. Ciò garantirà l'uso locale dell'energia generata ed eviterà eccessive perdite nella linea di trasmissione, oltre a prevenire il sovraccarico della rete. Pertanto, è possibile ottenere la stabilità della rete elettrica e ciò può tradursi in risparmi sui costi anche per il gestore della rete.

Uno dei motivi principali per la scelta di un'architettura di controllo distribuito è un maggiore livello di tolleranza ai guasti. Poiché la rete non è controllata direttamente da una stazione di controllo centrale, ma è invece solo monitorata e aggiornata da essa, un guasto grave nel centro di controllo non influenzerebbe necessariamente il funzionamento della rete. Anche se il guasto provoca la caduta di alcune sezioni della rete, quelle specifiche sezioni possono essere isolate dalla rete principale e possono continuare a funzionare come microgrid indipendenti, utilizzando l'energia immagazzinata nei vari accumulatori di pertinenza di tali sezioni. L'altro motivo principale per l'architettura distribuita al contrario di uno centralizzato è per la compatibilità. Non tutte le reti in tutto il mondo sono attrezzate per svolgere tale compito, e anche se molte sono attrezzate a livello hardware, sarebbe necessario uno sforzo significativo per sviluppare il software di controllo e non tutti gli operatori di rete sarebbero pronti a fare un tale investimento così presto. Ciò che può essere proposto per lo sviluppo è un metodo particolare per implementare il controllo decentralizzato di un DEBN, in modo tale che i sistemi possano essere installati e pienamente funzionanti senza la dipendenza da una specifica infrastruttura nella rete elettrica.