Flessibilità della domanda di energia nel settore residenziale

Una breve panoramica su come il settore residenziale può contribuire a permettere una maggior penetrazione delle fonti rinnovabili non programmabili nel mix energetico.

Un crescente bisogno di flessibilità

In un sistema elettrico la domanda di energia deve essere continuamente soddisfatta, istante per istante, da una produzione equivalente. Questo problema richiede un’attenta pianificazione delle risorse disponibili, basata sulla previsione della domanda e su un continuo aggiustamento della previsione rispetto all’effettiva richiesta di potenza del sistema. Tutto questo è diventato progressivamente più complesso con la diffusione di impianti basati su fonti di energia rinnovabili non programmabili.

Vista la crescente rilevanza del tema, si è diffuso l’utilizzo del termine carico residuale, con cui si fa riferimento al carico che deve essere soddisfatto una volta che alla domanda di energia elettrica si sottrae l’energia prodotta dalle fonti non programmabili.La capacità di un sistema di gestire la variabilità della curva residuale è la flessibilità, ed è garantita da diverse tecnologie su più scale temporali [1]. Su scala giornaliera, per esempio, può essere ottenuta tramite l’immagazzinamento di energia elettrica in batterie elettrochimiche. Installazioni su ampia scala di batterie al litio permettono di garantire uno spostamento della produzione di energia dalle ore in cui questa è maggiormente disponibile (le ore centrali della giornata, quando i pannelli fotovoltaici producono al massimo della loro capacità) alle ore in cui la domanda di elettricità è più elevata (ad esempio al picco estivo serale, intorno alle 18).

Demand response

Nonostante le batterie rappresentino una soluzione adeguata dal punto di vista tecnico, rimane la necessità di far fronte alla crescente richiesta di flessibilità ai minori costi economici e ambientali possibili. Le pratiche di demand response sono un’opzione concreta, sostenibile e a basso costo. Durante le ore critiche, quando l’offerta di energia da fonti rinnovabili è minore o le reti sono congestionate, alcuni utenti possono ridurre la propria domanda di potenza spostando il consumo in fasce orarie in cui la disponibilità di energia elettrica è maggiore o le reti permettono il flusso di potenza richiesto. L’utente finale viene remunerato per il servizio offerto, generalmente a fronte di impatti minimi sul funzionamento dei propri processi (nel caso di utenti industriali) o sul proprio livello di comfort (nel settore residenziale).

Demand response in ambito residenziale

Il demand response è diffuso ormai da tempo in alcuni paesi (USA, Giappone) e negli ultimi anni si è affermato anche in Europa e in Italia. Rimangono tuttavia quasi esclusivamente limitate a grandi consumatori e realtà industriali [2].

L’elevata domanda di energia del settore residenziale suggerisce che anche in questo ambito ci sia del potenziale. Tuttavia, la natura disaggregata dei consumi, sia tra i diversi consumatori che all’interno delle singole case, ne rende lo sfruttamento più complesso. Ad oggi, la soluzione più comune prevede che siano delle aziende – definite aggregatori – a fare da tramite tra i consumatori e la rete. Il più delle volte, gli aggregatori si limitano a considerare all’interno del proprio portfolio clienti che abbiano installato impianti fotovoltaici associati a batterie [3], [4]. Tuttavia, il ventaglio di tecnologie presenti nel settore residenziale in grado di fornire servizi di flessibilità alla rete sarebbe più ampio e potrebbe essere esteso ad applicazioni power-to-heat (P2H), allo sfruttamento di elettrodomestici smart e all’integrazione della ricarica di veicoli elettrici nelle ore in cui sono collegati ai punti di ricarica casalinghi.

Boiler elettrici per la produzione di acqua calda sanitaria e climatizzazione degli ambienti tramite pompa di calore sono gli esempi più comuni di P2H. In entrambi i casi il comfort degli utenti è garantito dall’impostazione di setpoint – la temperatura dell’acqua o la temperatura interna all’edificio –, lasciando che sia il sistema di gestione (o EMS, Energy Management System) a valutare il potenziale di spostamento del carico. Nel primo caso la flessibilità è garantita dall’energia immagazzinata dall’acqua sotto forma di calore; nel secondo dall’inerzia termica dell’edificio. Ciò permette di coprire l’elevata domanda di energia delle ore serali con l’energia prodotta nelle ore centrali della giornata. Soluzioni di questo tipo passano tuttavia dall’elettrificazione dei consumi termici (di cui abbiamo parlato qui), aspetto su cui l’Italia, che fa affidamento su di una capillare rete di distribuzione del gas naturale, è indietro rispetto al resto d’Europa.

Un discorso diverso deve essere fatto per gli elettrodomestici smart. In questo contesto, l’abusato appellativo sta ad indicare la capacità dell’elettrodomestico di gestire i propri cicli di lavoro in funzione delle indicazioni fornite dall’utente e dal sistema di gestione. Elettrodomestici potenzialmente adatti a questo tipo di applicazione sono lavatrice, asciugatrice e lavastoviglie. L’utente imposta l’orario entro cui vuole che il ciclo sia completato e, all’interno della finestra di tempo risultante, sarà l’elettrodomestico a gestire il proprio carico in funzione delle indicazioni del sistema di gestione.

Infine, la diffusione della mobilità elettrica porterà alla disponibilità, anche in ambito domestico, di enormi capacità di immagazzinamento di energia elettrica, che potranno essere sfruttate per garantire i servizi di flessibilità necessari alla rete tramite applicazioni vehicle-to-grid (V2G) o vehicle-to-home (V2H).

Il ruolo degli aggregatori

Lo sfruttamento del demand response nel settore residenziale passa dalla necessità di avere un aggregatore che permetta l’effettivo sfruttamento del potenziale disponibile, interfacciandosi con i mercati (all’ingrosso e al dettaglio) e vendendo i servizi utili agli operatori delle reti elettriche. Gli aggregatori svolgono un ruolo chiave nel settore residenziale, poiché la priorità dei clienti è l’accesso ad un servizio economico ed affidabile con il minor sforzo possibile.

In Finlandia, ad esempio, la compagnia Fortum offre un servizio di demand response basato sui clienti che hanno un sistema di riscaldamento o boiler elettrici. A fronte di una tariffa fissa mensile, l’azienda garantisce un servizio di ottimizzazione dei consumi termici, basato su dati di consumo aggregati e in tempo reale. Il controllo di circa un migliaio di sistemi di boiler elettrici permette a Fortum di gestire una batteria virtuale da 1 MW di potenza, che contribuisce bilanciare il sistema elettrico tramite modulazione della domanda [5], [6].

Direzioni di sviluppo

Per permettere l’effettiva diffusione del demand response anche nel residenziale, sarà quindi necessario procedere su diverse linee di sviluppo parallele che permettano agli aggregatori di sviluppare il settore in modo efficace [3]:

• realizzazione di un’infrastruttura di misurazione dei consumi avanzata, composta da smart-meters installati in tutte le case, comunicazione a banda larga e una rete di controllo remoto e automazione del sistema in grado di analizzare grandi quantità di dati;
• una regolamentazione chiara ed efficace che permetta la partecipazione ai mercati;
• strumenti di previsione e tecniche di ottimizzazione della gestione da fonti distribuite.

Fonti di riferimento

[1] European Commission, “Study on energy storage – Contribution to the security of the electricity supply in Europe,” Brussels, 2020. doi: 10.2833/077257
[2] Redazione, “Demand response come risposta all’intermittenza delle rinnovabili,” Rivista Energia, 2020. https://www.rivistaenergia.it/2020/03/demand-response-come-risposta-allintermittenza-delle-rinnovabili/ (accessed Oct. 06, 2021).
[3] IRENA, “Demand-side flexibility for power sector transformation,” Abu Dhabi, 2019.
[4] Enel X, “Unità Virtuali Abilitate Miste (UVAM): vantaggi per i consumatori | Enel X Store Italy,” 2021. https://www.enelxstore.com/it/it/news-blog/vantaggi-unita-virtuali-abilitate-miste (accessed Oct. 05, 2021).
[5] IRENA, “Energy as a service: Innovation Landscape Brief,” Abu Dhabi, 2020.[6] Fortum, “For a cleaner world | Fortum,” 2021. https://www.fortum.com/ (accessed Oct. 06, 2021).

Pietro Lubello è laureato in Ingegneria energetica, sta conseguendo il dottorato presso l’Università degli Studi di Firenze. È stato Visiting Researcher all’Université de Liège, in Belgio. Si occupa dello sviluppo di modelli open-source per il supporto alla definizione di politiche energetiche. Profilo Twitter qui.