Walenstadt: l'isola dell'energia
Walenstadt si trova alla fine del lago Walensee, vicino al Liechtenstein, in una stretta valle di montagna dove gode di un'abbondante energia rinnovabile grazie a tre centrali idroelettriche e a generatori fotovoltaici e a gas. Oltre a 5.000 nuclei familiari, ospita anche un ospedale e altre infrastrutture essenziali, ponendosi come microcosmo del sistema energetico del Paese, sia per la domanda che per l'offerta.
La municipalità di Walenstadt vede un'opportunità economica per trarre profitto dalle proprie risorse naturali, vendendo l'elettricità in eccesso alla rete nazionale, e per costruire la propria resilienza ai disastri naturali e agli shock economici (come la variazione dei prezzi dell'energia).
Vediamo un'opportunità di apprendimento per esplorare questioni urgenti nella progettazione di sistemi energetici completamente automatizzati che incorporano le fonti rinnovabili. Poiché queste fonti energetiche intermittenti introducono incertezza, sono necessarie soluzioni ingegnose per garantire che il futuro approvvigionamento energetico sia non solo sostenibile, ma anche solido e affidabile. In questo campo di ricerca emergente, ci sono molte direzioni da esplorare.
- Come possiamo creare e mantenere una rete elettrica sostenibile, con la possibilità di immagazzinare l'energia in caso di necessità future e di scambiarla all'esterno?
- Cosa possiamo imparare sui tassi di distribuzione dell'energia, sull'utilizzo e sulle esigenze di flessibilità?
- Quali soluzioni possiamo esplorare per affrontare le sfide previste?
- Quali problemi imprevisti potrebbero sorgere?
Ciò che rende Walenstadt così interessante è che ha già un'alta densità di innovazione, con produzione di energia solare, idroelettrica e di gas in una piccola regione. La città sta già trasformando attivamente il proprio approvvigionamento energetico; l'impianto idroelettrico è stato costruito solo pochi anni fa e si sta preparando a sostituire il gas utilizzato con un'opzione più ecologica. Tutto ciò significa che è urgente indagare su come l'intero mercato energetico locale (offerta, domanda e interazione) possa essere gestito meglio, per adattarsi alla natura completamente diversa delle fonti rinnovabili rispetto alla classica generazione di energia elettromeccanica.
Come possiamo gestire la maggiore incertezza delle rinnovabili?
Mentre si può fare affidamento su un inverter classico per generare energia esattamente secondo le specifiche, le fonti di energia rinnovabile capricciose (come l'energia solare) rendono molto più difficile fornire la tensione giusta al momento giusto. Una rete elettrica basata sulle fonti rinnovabili si affiderà in genere a più centrali elettriche di piccole dimensioni, che dovranno essere gestite in qualche modo come un'unica rete se vogliono sostituire un unico impianto di grandi dimensioni e prevedibile. Una delle sfide è quindi quella di sviluppare controlli algoritmici per stabilizzare questa rete, misurando la produzione distribuita e inviando istruzioni a ciascun impianto. Si tratta di un campo nuovissimo in cui le soluzioni sono ancora in fase di sviluppo e finora sono state dimostrate solo su piccoli banchi di prova.
Questo per quanto riguarda l'offerta; sul lato della domanda abbiamo il comportamento umano, che è imprevedibile quanto il tempo. Anche se sappiamo, a grandi linee, quando è necessaria più energia (per esempio, le famiglie useranno di più gli elettrodomestici della cucina durante i pasti, mentre gli uffici si spegneranno in gran parte durante la notte), è impossibile controllare esattamente il comportamento dei clienti. Gli incentivi convenzionali della tariffazione dinamica non si adattano bene al mercato delle energie rinnovabili, dove è necessaria una maggiore flessibilità. Dobbiamo esplorare modi per automatizzare funzioni come la ricarica delle auto, per prelevare energia quando non è necessaria altrove.
A livello organizzativo, il nuovo panorama dell'energia comporterà nuovi compiti e ruoli, sia per il gestore del sistema di distribuzione che per i fornitori di servizi ausiliari. Si pongono questioni come l'aumento delle esigenze di cybersicurezza; l'attivazione algoritmica di apparecchi o macchinari potrebbe causare enormi picchi di energia, con i relativi rischi per la sicurezza.
Per i ricercatori c'è l'opportunità di sviluppare nuove soluzioni lungo tutta la catena, ma anche di sviluppare un quadro robusto per l'analisi statistica. A tutti i livelli, dalla microscala di generazione dell'energia alla panoramica gestionale dell'intero sistema, dobbiamo sviluppare modelli algoritmici per le nuove idee e per i sistemi esistenti, e condurre test A/B approfonditi per ottimizzare le soluzioni.
Il team di ricerca interdisciplinare di NCCR Automation collabora con Walenstadt per esplorare questi temi e, di conseguenza, sviluppare il potenziale energetico di tutta la Svizzera. È qui che la ricerca all'avanguardia, messa al lavoro nel mondo reale, può dare vita a nuove idee per un futuro davvero sostenibile.
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