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Il ruolo delle tecnologie digitali nella filiera dell'energia

Luso di tecnologie digitali sempre pi avanzate coinvolge tutte le fasi della filiera dell'energia. Il digital energy comporta architetture complesse che comprendono sistemi hardware e software per il monitoraggio e lazionamento dei diversi impianti energetici, i sistemi per la trasmissione e l'elaborazione dei dati

Il ruolo delle tecnologie digitali nella filiera dell'energia

 

Il 23 novembre sarà presentato a Milano il Digital Energy Report , realizzato dall’Energy & Strategy Group che fa il punto sul potenziale dell'energia 2.0 nei suoi diversi aspetti.

 

Vi proponiamo in anteprima i principali risultati del Rapporto, invitandovi ad iscrivervi alla presentazione del 23 novembre  al Politecnico di Milano - Campus Bovisa, via Lambruschini 4, Edificio BL28 - Aula Magna Carassa Dadda.

 

Sempre più frequentemente ci si imbatte nel termine “Digital Energy” ad indicare la possibilità di utilizzare le tecnologie digitali per “controllare” i consumi di energia. In realtà, dietro questo termine si nasconde molto di più: l’uso di tecnologie digitali sempre più avanzate è ben più profondo lungo la filiera dell’energia, interessandone tutte le fasi, dalla produzione alla vendita; l’impiego potenziale del digitale va ben oltre il solo controllo.

 

Parlare di digital energy significa, infatti, parlare di architetture complesse, che oltre ai sistemi hardware e software per il monitoraggio e l’azionamento dei diversi impianti energetici, comprendono i sistemi di trasmissione dei dati, e l’intelligenza necessaria alla loro elaborazione. Significa parlare di architetture distribuite ed aperte, con funzioni di elaborazione dei dati che dall’essere “a bordo macchina” diventano sempre più nel cloud, elaborate con gli strumenti di (big) data analytics.

 

In buona sostanza – almeno nella accezione che con questo Rapporto vogliamo proporre come riferimento – parlare di Digital Energy significa parlare di una architettura che è composta da 5 diversi e concatenati building block, chevengono rappresentati in figura ed ai quali è dedicato in dettaglio il primo Capitolo, cui si rimanda per gli opportuni approfondimenti.

 

Cosa significa parlare di Digital Energy - schema riassuntivo

 

Gli apparati fisici che abilitano la trasformazione digitale consistono essenzialmente in prodotti intelligenti interconnessi che offrono nuove funzionalità. Tali apparati intelligenti vengono comunemente chiamati con l’appellativo «IoT» (Internet of Things). Ci sembra importante sottolineare come la vera innovazione non consista nella mera connettività dell’oggetto ma nelle potenzialità che tale connessione consente di sviluppare. I prodotti tradizionali sono arricchiti da nuove funzionalità, abilitati appunto alla possibilità di interagire con altri oggetti o con l’uomo.

 

Gli apparati fisici che abilitano la digitalizzazione appena descritti possono essere installati a bordo di macchinari o impianti con azioni di retrofit oppure sono già integrati in macchinari o impianti di ultima generazione. La raccolta dati è possibile grazie all’interfaccia con sistemi come SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) o PLC (Programmable Logic Controller).

 

Una volta che il dato viene raccolto, vi è la necessità di implementare tecnologie che consentano la trasmissione dei dati fino alla piattaforma di immagazzinamento e la comunicazione tra i vari dispositivi digitali.

 

I dati raccolti vengono indirizzati verso piattaforme di immagazzinamento locali (es. software e server aziendali) oppure in Cloud. Le soluzioni Cloud rispondono prontamente all’esigenza di aggregazione, normalizzazione e gestione di ingenti moli di dati in tempo reale e serie storiche. Le unità di immagazzinamento dati possono essere utilizzate sia a livello domestico che industriale ma lo scopo rimane lo stesso: aggregare i dati e potervi accedere con facilità. È in questo contesto che nascono anche approcci SaaS (Software as a Service) e PaaS (Platform as a Service) in cui le infrastrutture tecnologiche, sicure e costantemente aggiornate, vengono utilizzate con la sottoscrizione di contratti di utilizzo.

 

Va infine ricordato che le capacità dei prodotti interconnessi spaziano dal più semplice monitoraggio delle condizioni di funzionamento di un asset, con la segnalazione di eventuali anomalie, al controllo, all’ottimizzazione, fino allo sviluppo di una certa autonomia del prodotto. Software evoluti infatti consentono di decifrare in modo sempre più accurato le informazioni contenute nei Big Data, creando nuove opportunità di business legate alla condivisione dei dati stessi ma anche a quella dei risultati delle elaborazioni numeriche.

 

A questo proposito è opportuno focalizzare l’attenzione sul tema del posizionamento dell’«intelligenza», che si badi bene non è necessariamente associata alla parte finale del modello. Anzi, le alternative effettivamente disponibili possono essere ricondotte a due: (i) intelligenza «bottom». Gli strumenti per l’analisi dei dati sono posti in coda al framework, nel blocco «Funzionalità dei dati». L’apparato fisico «dumb» non è in grado di fornire alcuna rielaborazione ma ha il solo scopo di raccogliere le informazioni. Con questa modalità tuttavia la mole di dati trasmessi è ingente e richiede una potenza di trasmissione e immagazzinamento onerosa, dalla quale possono nascere inefficienze. (ii) intelligenza «edge». L’intelligenza è posizionata nel blocco degli «apparati fisici», con una pre-elaborazione del dato e la trasmissione e l’immagazzinamento di un dato «pulito» che diventa strumento diretto degli Analytics dell’ultimo blocco, limitando l’elaborazione a loro carico.

 

Tre sono gli ambiti principali che si sono investigati in questo Rapporto: «Smart Energy & Grid», «Smart Manufacturing» e «Smart Building». In ciascuno di questi ambiti – cui sono dedicati dei capitoli all’interno del Rapporto, di cui una sintesi viene riportata in questo Executive Summary – si sono analizzate le possibili, reali, architetture digitali ed i vantaggi della digitalizzazione, approfondendo le soluzioni tecnologiche implementabili, e la sostenibilità economica di queste.

Le soluzioni Digital Energy per la Smart Energy & Grid

La continua crescita della generazione di tipo rinnovabile nell’ultimo decennio ha portato a profonde trasformazioni della rete. Per decenni il settore energetico è stato infatti caratterizzato da economie di scala, produzioni centralizzate e reti di trasmissione e distribuzione di proprietà pubblica. Il nuovo modello della generazione distribuita richiede al contrario sempre maggiore “intelligenza” e capacità da parte sia dei sistemi di generazione che della rete di operare in maniera “attiva”, modulando quindi con sempre maggiore frequenza e flessibilità produzione, trasmissione e distribuzione di energia (soprattutto quest’ultima cui si richiede di gestire flussi “bidirezionali”).

 

Il ruolo delle soluzioni digital è pivotale nello sviluppo di questo nuovo modello.

 

Rimandando al capitolo del Rapporto per i dettagli legati all’articolazione della architettura – e così per analogia sarà anche nel resto di questo Executive Summary – è interessante qui sottolineare che sono state in questo caso identificate due architetture “tipo” (denominate “Light” ed “Heavy” a rappresentare appunto un differente grado di complessità). La figura seguente riporta i principali benefici “tangibili” che si sono valutati economicamente ed il relativo impatto atteso relativo all’adozione di ciascuna delle due architetture “tipo”.

 

Le soluzioni Digital Energy per la Smart Energy & Grid

 

I casi studio relativi all’ambito Smart Energy presentano un focus sulla produzione di energia rinnovabile su larga scala e sono stati i seguenti:

  • Impianto fotovoltaico utility scale
  • Impianto eolico utility scale 

Nel caso di architettura «heavy» i due casi studio sono stati poi declinati considerando due opzioni:

  • singolo sito: costi e benefici sono allocati su un unico impianto di produzione;
  • multi-sito: si ipotizza che l’intervento di installazione di soluzioni digital venga effettuato da un operatore che ha nel proprio portafoglio 10 impianti di produzione. In questo caso è possibile una parziale «condivisione» dei costi di implementazione di alcune soluzioni tecnologiche tra i diversi impianti. 

Per quanto riguarda invece la Smart Grid si sono analizzati 6 progetti pilota attivi in Italia, che interessano porzioni più o meno grandi di reti, mediamente nell’ordine dei 150 km di rete di distribuzione, quindi ancora troppo poco per arrivare a conclusioni su questo punto.

 

I risultati dello studio per la Smart Energy invece sono estremamente chiari.

Le soluzioni digitali sembrano avere i requisiti di disponibilità commerciale e sostenibilità economica per trovare una più che adeguata diffusione nel mercato italiano.

E’ interessante sottolineare che se opportunamente modulata, con soluzioni “light” per le realtà di più piccole dimensioni e soluzioni “heavy” nel caso di operatori che possano ragionare in ottica multi-impianto, la scelta di soluzioni digitali per la gestione della generazione di energia appare una scelta win-win, non soltanto per il proprietario o gestore dell’impianto – che ne ottiene un beneficio economico diretto – ma anche per il sistema elettrico nel suo complesso che guadagna in termini di “affidabilità” e “flessibilità” nella fase di generazione. Il processo di consolidamento e maturazione industriale, di cui si è più volte parlato nei nostri Rapporti sulle rinnovabili, e che caratterizza questa fase di sviluppo del mercato italiano della “nuova” generazione rappresenta il contesto ideale per la diffusione delle soluzioni digitali.

 

Non solo, sono diversi anche i benefici “intangibili”, che si aggiungono a quelli tangibili e che sono spesso direttamente proporzionali alla complessità della architettura. Per tenere conto di questi si è introdotta una classificazione generale a tre livelli:

  • Livello 1 (Architetture “Energy Only”): rientrano in questa classe tutte quelle architetture che per loro natura, spesso in virtù della relativa semplicità delle soluzioni tecnologiche impiegate per la risoluzione primaria di problematiche legate al risparmio di energia, si prevede che possano abilitare un numero piuttosto limitato (se non assente) di ulteriori funzionalità nel medio-lungo termine;
  • Livello 2 (Architetture “Energy in Transition”): rientrano in questa classe tutte quelle architetture che permettono, oltre alla massimizzazione dei benefici energetici, di abilitare un discreto numero e/o ad un discreto livello ulteriori funzionalità nel medio-lungo termine;
  • Livello 3 (Architetture “Full Digital Enabler”): rientrano in questa classe tutte quelle architetture che permettono, per la loro natura unite alle caratteristiche del campo di applicazione, di abilitare in maniera significativa ulteriori funzionalità nel medio-lungo termine, talune delle quali già di possibile sfruttamento sin dall’inizio. 

Appare possibile quindi sintetizzare i risultati dell’analisi nella matrice di classificazione riportata di seguito, che tiene perciò conto sia degli aspetti tangibili (misurati con l’IRR) che di quelli intangibili, con i livelli appena dichiarati.

 

Benefici digital energy nella Smart Energy & Grid

 

Le soluzioni Digital Energy per lo Smart Building

Uno Smart Building è un edificio – come quello rappresentato in figura – che garantisce la gestione automatica di impianti e sistemi (come ad esempio quelli per l’illuminazione e la climatizzazione), con particolare attenzione al monitoraggio degli ambienti interni in ottica di risparmio energetico e sicurezza delle persone (ad esempio in impianti industriali).

 

Il mondo digitale incontra quello dell’efficienza energetica consentendo il monitoraggio, il controllo e la regolazione delle variabili che determinano il funzionamento ottimale degli impianti. Parallelamente al flusso di energia si genera così anche un flusso di dati funzionale all’ottimizzazione dell’intero sistema e che abilita inoltre una proficua interazione con soggetti esterni come i manutentori.

 

Due sono le architetture studiate nel caso dello Smart Building, i cui nomi, la lista e l’intensità dei benefici tangibili associati all’adozione sono riportati nella figura seguente.

Le soluzioni Digital Energy per lo Smart Building

 

La valutazione della sostenibilità economica dei casi di implementazione di soluzioni digital è stata poi affrontata supponendo due diversi scenari di adozione. (i) La realizzazione di interventi digital su edifici di nuova costruzione, ipotizzando che l’edificio sia di classe energetica A1. Nel proseguo per semplicità ci si riferirà a questo scenario con l’etichetta «Nuovo». (ii) La realizzazione di interventi digital su edifici già esistenti. In questo caso si ipotizza che l’edificio su cui si faranno le analisi sia di classe energetica F ed è necessario un adeguamento degli impianti esistenti. Tale scenario è identificato con l’etichetta «Retrofit».

 

I casi studio relativi all’ambito Smart Building che sono stati analizzati, riguardano poi tre tipologie di edifici: GDO, Ospedale, ed Edificio ad uso uffici.

I tre casi studio hanno lo scopo di presentare diversi scenari di sostenibilità economica, valutando l’applicazione delle tecnologie digital in tre ambiti che si differenziano tra loro per il profilo di consumo e per il consumo energetico (elettrico e termico) specifico.

 

La figura che segue – secondo canoni ormai noti – rappresenta i risultati dell’analisi.

 

Benefici soluzioni Digital Energy per lo Smart Building

 

Anche le soluzioni digitali per lo Smart Building sembrano avere i requisiti di disponibilità commerciale e sostenibilità economica per trovare una più che adeguata diffusione nel mercato italiano.

Appare inoltre particolarmente interessante sottolineare come, nel caso delle soluzioni digital e nonostante ovviamente una maggior necessità di investimento, lo scenario “Retrofit” sia quello con la maggior redditività. Da un lato ciò dipende dal fatto che, applicata ad una situazione dove i consumi sono maggiori, l’intelligenza digitale permette risparmi percentualmente maggiori rispetto al caso in cui si parta (è il caso di edifici nuovi) da un livello di efficienza energetica già elevato.  Dall’altro lato è un segnale importante di come le soluzioni digital per lo Smart Building possano rappresentare un primo ed importante passo di efficientamento di un parco edifici che come sappiamo certo non è tra i più “giovani” nel nostro Paese.

La differenza tra le redditività nei diversi casi sono significativamente correlate alla “intensità” dei consumi energetici, con GDO e ospedali quindi avvantaggiati rispetto agli edifici ad uso uffici. Come nel caso dello Smart Manufacturing dunque – ed anche intuitivamente – maggiore è il consumo maggiore l’interesse all’adozione di soluzioni digital.

 

Vi rimandiamo al Rapporto completo per le Soluzioni Smart Manufacturing e la panoramica sugli attori attivi nella Digital Energy, a partire dalle principali startup italiane e internazionali che offrono soluzioni Digital.

Presentazione Digital Energy report

Politecnico di Milano - Campus Bovisa, via Lambruschini 4, Edificio BL28 - Aula Magna Carassa Dadda.

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