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La digitalizzazione della rete comporta l’adozione di soluzioni per lo stoccaggio di energia in grado di supportare l’integrazione di energie rinnovabili in sistemi di potenza intelligenti e flessibili

Creare un’infrastruttura IoT connessa è fondamentale per migliorare l’efficienza, la sicurezza e la resilienza di un sistema per l’accumulo di energia (Battery Energy Storage System – Bess). Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo è necessario integrare molti componenti hardware e software accuratamente selezionati, fra cui gateway I/O, edge gateway di protocollo, edge computer e software. Le soluzioni IoT specifiche per applicazioni Bess possono agevolare la transizione del settore energetico verso un futuro di successo incentrato su digitalizzazione, decentralizzazione e decarbonizzazione, rivolgendosi ai prosumer (produttori-consumatori) che stanno sia a monte sia a valle del contatore.

Sviluppi e opportunità dell’energia verde

La digitalizzazione della rete comporta l’adozione di soluzioni per lo stoccaggio di energia che possano supportare l’integrazione di energie rinnovabili in sistemi di potenza intelligenti e flessibili. Gli effetti della digitalizzazione avranno un impatto sull’intero processo, dalla generazione allo stoccaggio, dalla trasmissione alla distribuzione, fino al consumo. Se le imprese vogliono assumere il controllo dei fabbisogni energetici su entrambi i lati del contatore, devono implementare sistemi energetici con capacità di intelligenza artificiale in tempo reale. Un altro sviluppo/opportunità è la decentralizzazione, che richiede un grande contributo da parte delle aziende, specialmente dalle grandi imprese, in termini di adozione di soluzioni di autogenerazione. Queste soluzioni consentiranno alle aziende di gestire i propri fabbisogni energetici attraverso la costruzione di microreti. In aggiunta, un aspetto chiave sarà la collaborazione con fornitori che possano aiutare a raggiungere gli obiettivi di efficienza energetica attraverso l’implementazione, l’esercizio e la gestione di sistemi di energie rinnovabili.

Le sfide

Il costo dei sistemi Bess è sempre fonte di preoccupazione e, quando si implementa un Bess basato su IoT, gli utenti devono considerare i costi relativi ad hardware, software, installazione e manutenzione per avere una stima del TCO (costo di esercizio totale). Dopo tutto, se il sistema non è redditizio, il modello di business non è sostenibile. Semplificare la progettazione e massimizzare l’efficienza del sistema sono passi essenziali per garantire la redditività. La formula deve tenere conto anche della scalabilità futura sia per il successo sia per il costo del sistema. Un Bess scalabile è fondamentale per la crescita e lo sviluppo futuri. Un Bess ben connesso ha inoltre bisogno di un’infrastruttura di comunicazione affidabile e sicura, oltre a una solida potenza di calcolo in grado di operare autonomamente. La connettività è necessaria nei livelli di sensori e rete, laddove il livello di rete raccoglie i dati dai vari dispositivi IP presenti nel sistema. Durante l’integrazione, la maggior parte dei progetti si imbatterà in una moltitudine di interfacce di connettività, fra cui seriali, monocavo, bus CAN, ingressi digitali, I/O analogici, Ethernet e fibra. In aggiunta, è necessario incorporare la sicurezza di rete ai vari livelli in ogni punto di connessione per respingere potenziali minacce. VPN, firewall e crittografia dei dati sono alcuni degli strumenti cruciali per un’efficace sicurezza del sistema.

Dati, dati e ancora dati

Per arrivare a una soluzione ottimale, è necessario realizzare comunicazioni di dati in tempo reale o quanto più vicino possibile. Alcuni fornitori di tecnologie sono all’avanguardia nello sviluppo di hardware e software in grado di favorire la diffusione di soluzioni che integrano energie rinnovabili e Bess. Queste capacità comprendono la raccolta di dati analogici da array solari e turbine eoliche, oltre che da sistemi di gestione delle batterie (BMS). Il BMS è responsabile del monitoraggio e del controllo del carico in tempo reale di ciascuna cella di batteria. Solitamente il BMS utilizza un bus CAN per la comunicazione esterna, con un gateway di comunicazione per convertire i dati del bus CAN in dati Ethernet. La scelta del giusto gateway garantirà la trasmissione fluida dei dati e il trasferimento di potenza alle reti energetiche. È necessario anche raccogliere dati dal sistema di conversione di potenza (PCS), che funge da cuore del sistema di programmazione e distribuzione dell’elettricità, in quanto converte la potenza c.a. e c.c. con particolare attenzione al controllo in tempo reale tramite Ethercat. I sistemi di stoccaggio di energia (ESS) e i sistemi di controllo ambientale (ECS), che comprendono gli impianti antincendio e di climatizzazione, sono altri obiettivi per la raccolta dei dati. Questa attività si estende anche ad applicazioni nel sistema complessivo di gestione dell’energia (EMS), assicurando così un’offerta completa ed estremamente efficace. L’EMS comprende solitamente software Scada e PC industriali (IPC) che lavorano in simbiosi per monitorare il contenitore di stoccaggio dell’energia. Normalmente due serie di PC industriali fanno da backup l’una all’altra per garantire la stabilità dello Scada, mentre altri due set assicurano la ridondanza del database.

Gamme di prodotti profonde

Le gamme di prodotti più recenti (sia hardware sia software) possono rispondere alle specifiche esigenze delle applicazioni chiave, aiutando a costruire la soluzione ideale. In primo luogo, una delle problematiche principali è connettere i dispositivi sia a Ethernet sia al bus CAN per tutte le applicazioni potenziali all’interno di un Bess, indipendentemente dalla loro posizione rispetto al contatore. I dati richiedono trasferimenti diretti fra funzioni e applicazioni Bess per massimizzare le prestazioni e l’efficienza. Nel campo dello stoccaggio di energia su reti di larga scala, le funzioni BMS, PCS ed EMS nei diversi contenitori e ciascun contenitore devono mantenere attiva la comunicazione dei dati in ogni momento, per poter gestire i processi di caricamento e scaricamento. I contenitori si connettono utilizzando fibra ottica con topologia ad anello, per aumentare la ridondanza della rete e garantire la massima stabilità. Sfruttando le più recenti tecnologie degli switch Ethernet gestiti, è possibile connettere ciascun BMS e trasmettere segnali Ethernet tramite cavi in fibra ottica. Questo assicura uno scambio di dati trasparente fra i contenitori BMS distribuiti. Nel livello superiore della rete ad anello, si raccomanda di utilizzare switch Ethernet gestiti con certificazione IEC-61850-3 per connettere contenitori PCS, EMS e molteplici contenitori BMS. Un’altra componente chiave è il media converter. Poiché la gestione della sicurezza del sistema di stoccaggio dell’energia è critica, è necessario un convertitore industriale da Gigabit Ethernet a fibra per estendere la rete a doppino ritorto sulla tecnologia in fibra, al fine di collegarsi con le telecamere di sorveglianza e ritrasmettere i segnali video alla rete per il monitoraggio della sicurezza. Media converter e gateway wireless basati sulla tecnologia cellulare LTE/5G garantiscono che PCS ed EMS restino connessi alle batterie, contribuendo alle funzionalità di livellamento dei picchi (peak shaving), regolazione della frequenza e gestione dell’energia. È utile sottolineare che il peak shaving aiuta a livellare i picchi di fabbisogno e ad evitare costi extra dovuti alle tariffe per i picchi di consumo. Allo stesso modo, per le applicazioni Bess a valle del contatore (edifici commerciali/abitazioni), la scelta ottimale di moduli I/O, gateway di protocollo, switch Ethernet e computer di automazione per sottostazioni (IEC 61850-3) supporterà i protocolli dei dispositivi richiesti dall’architettura. In una tipica configurazione Bess compatta a valle del contatore, gli I/O Ethernet serviranno per raccogliere i dati della climatizzazione (Hvac), incluse le variazioni di temperatura. Questi dati si connetteranno a un gateway che utilizza un’interfaccia Canbus per convertire i dati BMS alle reti Ethernet. Un gateway di visualizzazione può fungere da interfaccia uomo-macchina (HMI), agevolando la visualizzazione efficiente dei dati Bess. Per stabilire la connettività, tutte le macchine si possono collegare a uno switch non gestito a 8 porte, che successivamente trasmette i dati acquisiti all’EMS. Un servizio in cloud per la gestione dei dispositivi edge consentirà il monitoraggio e la gestione da remoto dei dispositivi su tutte le installazioni Bess a valle del contatore, assicurando le prestazioni e la visibilità della microrete. Il funzionamento stabile del BESS dipende anche dall’individuazione e dall’adozione di gateway I/O remoti ed edge computer ottimali. Questi dispositivi possono monitorare efficacemente le condizioni BMS, EMS ed ECS per garantire la sicurezza del Bess, mentre switch, router e gateway di protocollo industriali assicurano la solidità dell’infrastruttura di rete con protocolli VPN e IT per la protezione avanzata dei dati.

Benefici potenziali

Per valutare i potenziali benefici ottenibili con la creazione di un’infrastruttura IoT connessa per efficienza del Bess, l’utilizzo bilanciato dell’energia e maggiore sicurezza energetica, considerate lo scenario descritto di seguito che riguarda un’applicazione reale di controllo della climatizzazione. Il controllo dell’impianto Hvac nel Bess richiede segnali I/O come ingressi analogici per l’acquisizione dei dati di temperatura nel rack della batteria e uscite digitali per l’invio di allarmi. Inoltre, servono edge gateway per gestire l’elaborazione dei dati e il controllo, mentre gli edge computer si occuperanno della gestione del sistema nel suo complesso. In questa specifica soluzione, ogni rack di batteria è dotato di un singolo gateway I/O che funge da controllore Hvac. È importante notare come questi gateway I/O contengano moduli I/O e funzioni di calcolo di base per gestire il processo di controllo degli I/O e gli allarmi/ eventi. Ogni banco di batterie (costituito da diversi rack) sfrutta gli edge gateway per gestire dispositivi (inclusi i gateway I/O) e trasmettere dati agli edge computer. A loro volta, gli edge computer fanno girare i sistemi di gestione che monitorano lo stato delle apparecchiature di ogni banco di batterie. Uno switch non gestito connette i dispositivi Ethernet. I benefici di questa soluzione sono molteplici: in primo luogo, consente di svolgere attività chiave di gestione energetica e massimizza la potenza solare in uscita. Inoltre, l’utilizzo di una piattaforma web fornisce accesso immediato ai dati.

Il futuro è connesso

Le aziende di tutto il mondo stanno fronteggiando le sfide legate a prezzi dell’energia crescenti e un’agenda ambientale pressante che impone l’utilizzo di energia più pulita. Pertanto, un numero crescente di aziende sta costruendo (o valutando) sistemi per la generazione di potenza e Bess in loco. Un’infrastruttura IoT industriale affidabile è parte integrante dell’infrastruttura critica che consente una gestione Bess efficiente e la trasformazione digitale delle pratiche energetiche.

Advantech – www.advantech.com/en-eu

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