Prepariamoci a ridisegnare l’energia

Prepariamoci a ridisegnare l’energia

I driver del mercato dell’energia stanno cambiando rapidamente. Con quali sviluppi e quale impatto sulla domanda, le infrastrutture, la distribuzione, lo stoccaggio e le vendite? E con quali soluzioni rispondono le aziende che forniscono e distribuiscono energia?

I consumi globali di energia sono stimati crescere da 549 biliardi di British thermal units (Btu) nel 2012 a 629 biliardi Btu nel 2020 e a 815 biliardi di Btu nel 2040.

sistemi per produrre, stoccare e trasportare energia elettrica, che hanno le loro origini nel diciannovesimo secolo, sono destinati a cambiare radicalmente. Ma quali sono i fattori che determinano quali cambiamenti fare? Cominciamo con qualche numero: la popolazione globale continua a crescere, così come la lunghezza media della vita e la domanda di energia, soprattutto nell’area non-OCSE. Sono tutti fattori che cambiano il modo di produrre, distribuire e immagazzinare energia.

L’International Energy Outlook 2016 della Energy Information Administration prevede un aumento del 48% della domanda globale di energia dal 2012 al 2040. Ma a causa della crescita economica e demografica, nei paesi in via di sviluppo non-OCSE la crescita sarà del 71% sempre dal 2012 al 2040. Metà degli aumenti dei consumi energetici in questo periodo verrà dall’Asia non OCSE, comprese India e Cina.

Nelle economie dell’area OCSE invece i consumi di energia sono attesi in aumento solo del 18%. Sul versante dell’offerta invece, la produzione di elettricità è stimata in aumento dell’1,9% in media annua. Il risultato è che sarà necessario trasportare più energia da una regione all’altra che non in passato, in aree oggi lontane dalle reti di trasmissione e dai grandi elettrodotti.

“Nel 2050, in termini di PIL, saremo ricchi il doppio di quanto siamo oggi, ma non potremo comunque permetterci di consumare il doppio di energia,” dice Hans Nieman, Senior Vice President di Energy Products a Prysmian. “La quantità di energia che oggi usiamo per processare dati è già superiore a quella che utilizziamo per il traffico aereo, ed è destinata ovviamente ad aumentare. Inoltre, la diffusione delle auto elettriche farà aumentare esponenzialmente la domanda di elettricità e anche la dotazione infrastrutturale necessaria. A livello globale vedo due trend chiave che impatteranno i mercati emergenti e che avranno conseguenze importanti sia per l’energia destinata ai trasporti che quella che viaggia sui cavi e alimentare gli hardware della comunicazione: de-carbonizzazione e digitalizzazione.”

I due Megatrend: la de-carbonizzazione

De-carbonizzazione sostanzialmente vuol dire minore dipendenza di combustibili fossili. Altre fonti di energia sono disponibili da tempo, ma i nuovi sviluppi tecnologici hanno reso queste fonti sempre più attraenti grazie all’aumento di rendimento e alla maggior affidabilità. Semiconduttori sempre più efficienti e cellule solari al grafene a prestazioni sempre più elevate sono solo due esempi. Secondo la Energy Information Administration americana, l’idroelettrico e l’eolico rappresentano ben due terzi dell’incremento totale della generazione di elettricità stimato dal 2012 al 2040, di fatto i due principali contributori. Hans Nieman afferma che: “Nella UE, ad esempio, abbiamo visto il mix della produzione di energia virare verso le rinnovabili di pari passo con il declino dell’uso dei combustibili fossili e del nucleare. Ci sono stati importanti sviluppi nelle rinnovabili, soprattutto nel solare e nell’eolico onshore. Gli investimenti in nuovi impianti sono dominati dalle rinnovabili, che diventano sempre più competitive, come le tecnologie nel Sud Europa, mentre l’eolico onshore sta per diventare competitivo, ma con un potenziale limitato per ulteriori abbattimenti dei costi.” Un solare ad alta resa può significare abitazioni non solo energeticamente autosufficienti, ma anche in grado di contribuire un surplus di elettricità alla rete. La raccolta l’analisi dati consentirà ulteriori ottimizzazioni, rendendo le case e gli edifici in generale molto più efficienti energeticamente. Il che vuol dire che lo stoccaggio non sarà limitato a pochi grandi impianti, ma esteso a un vastissimo numero di batterie più piccole trasportabili su lunghe distanze. Energia che verrà usata nei punti di rifornimento per le auto elettriche e ad altri utenti finali locali con un sistema one-way.

I due Megatrend: la digitalizzazione

Una digitalizzazione che si diffonde rapidamente servirà a ottimizzare molti aspetti della produzione , stoccaccio e distribuzione di energia. Con gli edifici che si trasformano sempre più in produttori di energia (anche se con rese relativamente basse e altamente variabili) ci sarà sempre più bisogno di organizzazione e dimensioni di scala per le reti al fine di soddisfare le necessità. Misurazione e distribuzione si affidano a informazioni in tempo reale, raccolte e analizzate utilizzando metriche intelligenti e soluzioni di rete altrettanto intelligenti. L’integrazione tra la connessione via cavo in fibra e quella energetica sarà essenziale per supportare l’ottimizzazione dell’utilizzo di energia, ma anche per lo stoccaggio, il trasporto e la fatturazione. La convergenza di soluzioni ICT con device e sistemi interni all’edificio, dall’illuminazione al riscaldamento, aumenteranno ulteriormente l’efficienza e una gestione razionale della domanda. E alla fine saranno probabilmente in grado anche di gestirsi da sole. E in ogni caso, l’introduzione di tecnologia nei sistemi energetici potrà produrre l’ulteriore beneficio di proteggere dal rischio di cyber-attacchi.

“La digitalizzazione consente lo scambio di dati in una modalità che non è mai stata possibile prima, e raccoglie le informazioni dagli utenti in modo molto più sicuro,” spiega Hans Nieman. “Cisco stima che l’IoT vedrà ben 50 miliardi di device collegate a Internet nel 2020, con il vantaggio, grazie al sistema IoT, di migliorare la produttività, creare nuovi modelli di business e generare nuove linee di ricavi a beneficio di tutta l’industria. Livelli più elevati di interconnessione, insieme a maggiori possibilità di controllo e di interazione, significano infatti che ci sarà sempre più bisogno di disporre di dati connessi nelle reti energetiche.” La rete energetica ‘ibrida’ di un futuro ormai prossimo abbraccerà un universo vasto e complesso, che va dai grandi impianti di produzione di energia e dalle reti regionali di trasporto sulla lunga distanza fino alle abitazioni e agli uffici collegati alle mini-reti locali.Tutto questo richiederà una modernizzazione su larga scala di tutte le reti, che andranno messe in grado di ricevere e gestire il flusso a due vie dell’energia e delle informazioni, così come sarà necessaria l’integrazione tra device mobili e sensori intelligenti.

Il grande cambiamento che ha investito il mondo delle reti

Cosa implicano gli sviluppi sociali e tecnologici per le reti che trasportano energia e dati? E cosa comporta per la progettazione, costruzione e manutenzione?

Per le reti di energia e dati, tecnologie sempre più affidabili rendono più facile ed efficiente la progettazione, le ispezioni e la manutenzione. I device connessi con Internet of Things, la gestione automatizzata di infrastrutture e i droni per le ispezioni da remoto, fanno tutti parte di questo cambiamento. Sul lato del software invece, sistemi di modellistica sempre più accurati migliorano la progettazione, la posa e la manutenzione. Tutte opzioni che vanno considerate fin dall’inizio di ogni processo.

Il Cloud, il Wireless e l’Internet of Things (IoT)

Nel campo delle reti-dati, sono sempre più le applicazioni e i servizi che migrano sul cloud, il che ha le sue conseguenze sull’architettura WAN. Il risultato infatti è un aumento dei points-of-presence nelle strutture di accoglienza. Allo stesso tempo si moltiplicano i centri ‘edge data’, che sempre più posizionano contenuti bisognosi di grande ampiezza di banda, come i video HD fino ai dati destinati alla guida automatica di veicoli. Si tratta di mercati diversi dai tradizionali hub di internet, più vicini all’utente finale, di solito classificati come Tier 2. Il ricorso crescente al wireless in una serie di aree, dalla sanità all’intrattenimento, dall’ospitalità alla distribuzione, sta giocando un ruolo importante e fa aumentare la richiesta di banda. Va osservato che con l’aumento di velocità e banda, diminuisce la portata, rendendo necessario un aumento di Wireless Access Points (WAP) per coprire una determinata area.

IoT viene sempre più utilizzata per gli usi più svariati, dal miglioramento della funzionalità dei vari device dei consumatori al supporto della gestione degli edifici intelligenti. Il Senior Vice President e General Manager di Internet of Things and Applications di Cisco, Rowan Trollope, afferma che internet connetterà ben 20 miliardi di device nel 2020. L’enorme e crescente quantità di dati generati da IoT deve essere processata, analizzata, assemblata e immagazzinata. E questo richiede un approccio diverso all’utilizzo di cavi e reti.

Per dispiegare interamente il potenziale di IoT, molti device connessi hanno bisogno di essere alimentati, sia per funzionare correttamente che per restare collegati a internet. Per questo sistemi sempre più complessi sono spalmati su aree geografiche sempre più ampie. Un recente report di ABI Research afferma che la crescita del mercato dell’IoT dipende dall’adozione di LPWAN, reti cellulari disposte su vaste aree a bassa potenza, in grado di fornire la soluzione giusta per reti molto vaste e geograficamente disperse. Ma questo richiede a sua volta una standardizzazione commerciale, che stimoli l’ecosistema dell’IoT. Una soluzione sempre più utilizzata è costituita dal PoE, Power over Ethernet, che combina energia e trasmissione dati, consentendo alle device di rete di essere alimentate utilizzando gli stessi cavi in rame della rete dati. La nuova generazione di PoE potrà offrire 90 Watts, che comporta un maggior riscaldamento, e richiede ulteriori passi nella gestione dei cavi.

La potenza dei dati e le reti sempre più intelligenti

Nel mondo delle reti energetiche, le nuove attese dei consumatori e gli sviluppi tecnologici sono i driver del cambiamento. Due aree particolarmente importanti sono la data analytics e la modernizzazione delle reti energetiche.

Stiamo assistendo a una digitalizzazione crescente delle reti elettriche, con una serie di benefici: maggior visibilità sulla rete stessa, diagnosi e manutenzione sostenuta dal flusso dati. I sistemi attuali di gestione energetica devono essere inter-operativi, consentire lo scambio di dati tra piattaforme, hanno bisogno di scalabilità e flessibilità per la loro funzionalità.

La disponibilità di sensori avanzati ma abbordabili sta rendendo possibile a gestori e proprietari di utility energetiche di raccogliere e analizzare dati a un livello prima inimmaginabile. L’introduzione di questi strumenti, insieme ai contatori intelligenti e al fatto che sempre più abitazioni sono anche produttrici di energia, ha conseguenze di vasta portata per l’architettura di rete. La manutenzione sarà più basata sulle condizioni dell’ hardware e meno su una programmazione pre-determinata. Con più fonti rinnovabili e con più edifici che generano energia, la struttura delle reti elettriche cambia. Invece della produzione centralizzata delle macro-reti avremo sempre più micro-reti alimentate da fonti di energia locali, che potranno operare anche indipendentemente dalle grandi rete regionali.

Sistemi sostenibili per le rinnovabili

Soluzioni per l’energia elettrica e le telecomunicazioni adeguate ad ambienti estremi.

I sistemi in cavo e gli hardware utilizzati nei progetti di energia rinnovabile in rapida evoluzione devono offrire la massima durata operativa a fronte di prolungati tempi di funzionamento. Come garantire queste prestazioni in ambienti difficili senza comprometterne la funzionalità?

Nel 2015, l’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili ha superato il carbone, diventando la fonte dalla maggiore potenza installata al mondo, pari a 153 Gigawatt, con un incremento del 15% rispetto all’anno precedente. L’anno scorso l’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA) ha aumentato notevolmente la sua previsione di crescita delle rinnovabili nei prossimi cinque anni, basata sul sostegno dei governi e sull’attesa riduzione dei costi. Il World Energy Council ha definito “crescita media annua esplosiva” quella conseguita dell’energia eolica e solare nell’ultimo decennio, rispettivamente pari al 23% e del 50%. Come conseguenza dei progressi in termini di rendimento ed efficienza, la capacità da fonte idroelettrica fornisce ora quasi un quinto dell’elettricità mondiale. Secondo l’Associazione Geotermica degli Stati Uniti, il potere geotermico ha registrato una forte crescita sostenuta lo scorso anno grazie alle nuove politiche e nuovi regimi di investimento.

Requisiti in continuo cambiamento

Tutti questi tipi di infrastrutture energetiche hanno bisogno di reti di energia e di comunicazione in grado di funzionare nelle condizioni più difficili e nei luoghi più remoti ambienti. Infatti, gli impianti di energia solare si trovano spesso nei deserti e i parchi eolici sono spesso installati in mare aperto e lungo le coste. L’energia geotermica e idroelettrica sfrutta forze estreme, temperature e reazioni chimiche. Inoltre, questi impianti devono ospitare diversi tipi di apparecchiature. La convergenza IP sta implica nuovi tipi di sensori e apparecchiatura di controllo della rete. Collegare tutti i dispositivi alla rete con cavi elettrici è costoso e richiedono molto tempo.Tuttavia, la tecnologia Power over Ethernet (PoE) può fornire corrente a dispositivi di rete in luoghi molto difficili da raggiungere, in un modo intelligente e relativamente poco costoso, fornendo l’energia elettrica a più di centro metri di distanza a dispositivi in luoghi di difficile accessibilità.

Potenziali problemi

La penetrazione dell’acqua nei cavi di comunicazione può causare problemi di perdita di ritorno e perdite di inserimento, mentre nei cavi di alimentazione ad alta tensione può comportare pericoli elettrici potenzialmente molto pericolosi e il rischio di incendio.

Reazioni chimiche quali l’erosione, le temperature estreme o i livelli elevati di salinità che possono verificarsi nelle applicazioni geotermiche possono rendere i cavi fragili e rigidi, e danneggiare la guaina protettiva. Lo stress meccanico è un’altra causa frequente di danni. Dal momento che il cablaggio è generalmente imballato strettamente, il movimento o lo schiacciamento possono avere un effetto negativo sulle prestazioni. L’esposizione prolungata ai raggi ultravioletti può provocare un degrado meccanico della guaina. Le interferenze elettromagnetiche causate da motori elettrici, per esempio, possono causare disturbi sonori o di frequenza.

Anche le prestazioni del cavo sono fortemente influenzate dalla temperatura. Temperature estremamente basse, per esempio sotto 10 ° C, possono portare al degrado della guaina. Temperature molto alte, per esempio oltre 60 ° C, possono causare perdite di inserzione.

Perchè la fibra?

Sempre più cavi vengono impiegati in sistemi di monitoraggio digitale, di controllo e di sicurezza in difficili condizioni ambientali. In tali applicazioni, la fibra offre molti vantaggi rispetto ai cavi di rame come la resistenza all’interferenza elettrica da altri dispositivi, l’eliminazione della possibilità di creare corto circuiti elettrici che potrebbero creare incendi o esplosioni, il notevole incremento notevole del numero di dati trasmessi e una maggiore sicurezza della rete.

I cavi di rame possono essere un po’ più resistenti all’usura durante il funzionamento e in fase di installazione, dal momento che la fibra ottica può sopportare solo minime flessioni o tensioni da trazione, pena un danneggiamento irreversibile. I cavi di rame per le strumentazione e le attrezzature, tuttavia, sono soggetti a cortocircuiti elettrici quando l’isolamento si rompe. Una fibra ottica può continuare a funzionare anche se il cavo attorno a esso si disintegra, fino a quando la fibra stessa non viene sottoposta a rilevanti sollecitazioni elastiche o di flessione.

Normalmente si ritiene che i cavi in fibra ottica abbiano una durata utile di oltre 30 anni. Tuttavia, sebbene i test standard sui cavi per quanto riguarda il funzionamento in condizioni di esposizione prolungata a condizioni difficili siano una prassi e un requisito normale per i cavi elettrici, non lo sono invece per i cavi a fibre ottiche.

Manutenzione e gestione

Le reti per la trasmissione elettrica e dei dati in ambienti estremi coprono generalmente grandi distanze. Sono in genere strutture complesse e i componenti per il cablaggio non sono sempre facili da raggiungere. Il rapido monitoraggio e la riparazione degli errori di connessione o dei dispositivi difettosi è fondamentale. Per questo motivo è fondamentale la documentazione automatizzata e dati diagnostici su una vasta gamma di parametri. Inoltre, è essenziale che persone non necessariamente altamente qualificate possano svolgere un’ampia varietà di mansioni per l’installazione, la manutenzione e il supporto.

Scegliere in modo oculato

Naturalmente, molti degli effetti negativi descritti possono essere evitati grazie a una buona gestione dei cavi.

Hardware e cavi particolarmente progettati per ambienti difficili e per sopportare temperature estreme, polvere, umidità, vibrazioni e così via, contribuiranno a prevenire guasti e ad aumentare il tempo di impiego.

I cablaggi devono essere controllati regolarmente per verificare rotture di armature, le proprietà per ritardare la fiamma, la resistenza a vibrazioni elevate e danni chimici, l’impatto ambientale e sicurezza di coloro che lavorano a diretto contatto con tali materiali.

Saper tirare velocemente i cavi senza danneggiare i conduttori di fase è fondamentale per ridurre i costi di installazione. In caso di danni catastrofici del cavo, questo scudo, più i tre fili di massa, dovrebbe contenere qualsiasi arco e effettivamente condurre a terra la corrente del sistema guasto.

In che modo è possibile assicurarsi che i cavi e l’hardware funzionino come previsto anche in ambienti difficili? La soluzione può essere complessa: migliorare le prestazioni in un ambito, aumentando la resistenza al fuoco, ad esempio, spesso determina la riduzione delle prestazioni in un altro ambito, come la facilità di gestione.

Il primo passo è quello di mappare i fattori ambientali e le esigenze di funzionalità esatte per ogni segmento della rete. Ciò consente la definizione di soluzioni che migliorano le prestazioni dove occorre, senza compromettere più di quanto necessario in altri ambiti.

In caso di dubbi riguardo alle specifiche e alle attrezzature, non bisogna esitare nel consultare gli esperti.