Watt d'Or per un'alimentazione efficiente e sostenibile con il fotovoltaico

L'Ufficio federale dell'energia ha assegnato per la diciassettesima volta il Premio svizzero per l'energia Watt d'Or. Uno dei vincitori è l'ETH di Zurigo. Ha ricevuto il premio in collaborazione con AEW Energie AG nella categoria "Tecnologie energetiche". Dal 2007 il Watt d'Or premia progetti e risultati pionieristici nel settore energetico.

I ricercatori dell'ETH Lukas Ortmann e Saverio Bolognani del gruppo di Florian D?rfler, professore dell'Istituto di controllo automatico dell'ETH, hanno vinto il Watt d'Or per lo sviluppo di un algoritmo e del relativo software "Online Feedback Optimisation" che può essere utilizzato per risolvere un problema di ottimizzazione nella rete elettrica. Utilizzando la rete elettrica di AEW Energie come esempio concreto, sono riusciti a implementare l'algoritmo in un ambiente reale in modo tale che gli impianti fotovoltaici non solo forniscano elettricità rinnovabile, ma contribuiscano anche all'ottimizzazione della potenza reattiva.

Funzionamento della rete ottimizzato e senza problemi grazie ai dati in tempo reale

La collaborazione tra i ricercatori dell'ETH e AEW Energie è avvenuta attraverso il polo di ricerca nazionale (PRN) Automation. Secondo Lukas Ortmann, oggi professore di ingegneria del controllo presso l'Haute école spécialisée di Rapperswil, nella Svizzera orientale, i ricercatori hanno testato il loro software di ottimizzazione in un progetto pilota su un impianto solare di AEW Energie. Utilizzando le informazioni in tempo reale del software, viene ottimizzata la cosiddetta potenza reattiva del sistema, che tenta così di scambiare la potenza reattiva con la rete il più possibile conforme, ad esempio per ridurre rapidamente le tensioni troppo elevate.

La potenza reattiva è un flusso di elettricità che non viene consumato dal consumatore e che può essere utilizzato in una rete a corrente alternata per regolare la tensione. La potenza reattiva nella rete elettrica è necessaria per un funzionamento sicuro. Gli inverter convertono la corrente continua di un sistema, ad esempio un impianto fotovoltaico, nella corrente alternata della rete. Gli inverter utilizzano poi il software dell'ETH per produrre potenza reattiva in riduzione o in aumento della tensione, che viene utilizzata per ottimizzare la potenza reattiva disponibile nella rete.

L'innovazione e il vantaggio dell'algoritmo dell'ETH è che si basa sui dati in tempo reale della rete elettrica AEW e può adattare la potenza reattiva alla situazione prevalente per ottimizzare il flusso di potenza reattiva a livello locale. L'algoritmo apprende dai valori misurati in tempo reale della tensione e della potenza reattiva come indirizzare la rete verso lo stato operativo ottimale.

Dopo che i ricercatori dell'ETH avevano già dimostrato in laboratorio che il concetto di controllo funziona in teoria e nelle simulazioni, hanno lavorato con AEW Energie per dimostrare che l'algoritmo funziona in modo robusto anche in condizioni reali: Durante la fase di test presso AEW, l'algoritmo ha controllato la rete elettrica senza alcun guasto. L'algoritmo è ora in funzione in modo continuativo.

Alimentazione stabile con energie rinnovabili

I risultati del progetto pilota presso l'impianto solare AEW sono quindi promettenti: "In linea di principio, abbiamo dimostrato con l'esempio di un singolo impianto solare AEW esistente che il nostro software di ottimizzazione può contribuire alla stabilità della rete in Svizzera", afferma Lukas Ortmann.

L'algoritmo e il software non possono essere applicati solo ai sistemi solari, ma sono adatti anche a tutti i sistemi che generano potenza reattiva con un inverter. Gli inverter non sono presenti solo negli impianti fotovoltaici, ma anche nelle moderne centrali idroelettriche, nelle turbine eoliche, nelle stazioni di ricarica per auto elettriche e nelle pompe di calore.

Se il software di ottimizzazione venisse utilizzato per tutti gli impianti, la capacità della rete, cioè la quantità di elettricità che può essere fornita attraverso la rete, potrebbe essere aumentata di circa il 10% senza che AEW, in qualità di gestore della rete, debba costruire ulteriori infrastrutture. L'aumento degli impianti fotovoltaici nei prossimi anni rappresenterà una sfida per i gestori di rete svizzeri. Per trasportare la crescente quantità di elettricità nella rete, questa dovrebbe essere ampliata con costi elevati. L'algoritmo e il software di ottimizzazione possono quindi ridurre i costi di investimento nel breve e medio termine e, allo stesso tempo, contribuire alla stabilità della rete e quindi alla sicurezza dell'approvvigionamento elettrico in caso di espansione dell'energia solare nei prossimi anni.

Si tratta di un aspetto cruciale per la Svizzera, in quanto la rete elettrica è un'infrastruttura critica per l'approvvigionamento energetico nazionale e richiede molta attenzione, ad esempio è estremamente importante per gli ospedali e i centri di calcolo. Di conseguenza, i ricercatori e AEW si sono concentrati anche sulla garanzia che il software di ottimizzazione funzioni in modo sicuro e senza interruzioni.

Ricerca teorica trasformata in uso pratico

Il progetto pilota ha inoltre dimostrato che il software presenta vantaggi tecnici, operativi e finanziari per i fornitori regionali di energia elettrica che gestiscono una rete di distribuzione in bassa tensione. Da un lato, possono ottimizzare il funzionamento della rete - senza costose espansioni dell'infrastruttura - e quindi garantire che l'elettricità raggiunga le prese delle famiglie in modo sicuro. L'ottimizzazione del flusso di potenza reattiva ha anche un impatto sulle condizioni di tensione locali e, infine, un controllo della rete più economico può avere un effetto positivo sulle tariffe di utilizzo della rete da parte dei clienti.

La chiave del successo è stata che i ricercatori dell'ETH hanno trovato in AEW Energie un partner disposto a sperimentare l'algoritmo. Lukas Ortmann afferma: "AEW Energie ha riconosciuto che la svolta energetica richiede approcci e soluzioni diverse e ha avuto il coraggio di provare qualcosa di nuovo".

Alessandro Scozzafava, Team Leader Grid Development and Maintenance Planning di AEW, commenta così il progetto: "La collaborazione con l'ETH di Zurigo ci ha permesso di fare un passo avanti verso il nostro obiettivo di un approvvigionamento energetico ancora più sostenibile ed efficiente. Lavorando insieme al progetto pilota di controllo della potenza reattiva, siamo stati in grado di testare una tecnologia e una soluzione innovativa in un ambiente reale che ci aiuterà a utilizzare l'energia in modo più efficiente, riducendo al contempo il nostro impatto ambientale."