Che cos’è una Centrale Elettrica Virtuale?

Definizione

Una Centrale Elettrica Virtuale (o VPP,  Virtual Power Plant in inglese) è un’aggregazione di unità  di generazione, accumulo e consumo decentralizzate nella rete elettrica e coordinate tramite un sistema di controllo centrale. Le unità possono essere produttori di energia elettrica quali impianti a biogas, centrali eoliche, impianti fotovoltaici, impianti di cogenerazione o centrali idroelettriche, consumatori di energia elettrica, accumulatori e impianti di conversione dell’energia  (energia in gas,  elettrolizzazione). Lo scopo della Centrale Elettrica Virtuale consiste nella rivendita nei mercati dell' energia elettrica e flessibilità dell'aggregato di impianti. Ogni attore, produttore o consumatore che sia, può costituire parte di una Centrale Elettrica Virtuale. La gestione dell' aggregato  è eseguita da un sistema di controllo centrale che mediante uno speciale algoritmo coordina non soltanto i singoli impianti, ma al pari di un’unica grande centrale elettrica  supporta il Gestore di rete per la fornitura di servizi per il bilanciamento e la regolazione, necessari per il funzionamento in sicurezza della rete. La Centrale Elettrica Virtuale è inoltre in grado di reagire in modo veloce ed efficiente ai segnali di prezzo provenienti dai mercati dell’energia e di modulare di conseguenza il funzionamento.

Dall’ impianto singolo all'aggregazione in Centrali Elettriche Virtuali

Un impianto preso singolarmente non può contribuire alla transizione energetica: per i produttori di energia elettrica da energie rinnovabili (e non solo) l’idea di aggregarsi in unità funzionali di dimensioni maggiori per affermarsi nei mercati dell’energia era già presente, ma solo come idea teorica. Sulla scia di questo approccio sono nati in Europa, a seguito della liberalizzazione generale del mercato dell’energia elettrica risalente alla fine degli anni Novanta, i primi progetti ancora sostanzialmente teorici di sviluppo di Centrali Elettriche Virtuali.  Non era allora concepibile lo sviluppo di questi progetti in scala più grande o a mercato perché ancora le tecnologie di controllo remoto, la digitalizzazione e il contesto normativo non erano pronti.
Negli ultimi anni si sono verificati due eventi che hanno favorito notevolmente lo sviluppo delle Centrali Elettriche Virtuali: da una parte la velocizzazione del processo di digitalizzazione che ha permesso la creazione di un sistema di controllo potente, affidabile e performante nelle comunicazioni in tempo reale; dall’ altra, la diffusione degli impianti di generazione da fonte rinnovabile e il progressivo smantellamento delle centrali termoelettriche tradizionali. Il regolatore ha di conseguenza provveduto a preparare normative che hanno accompagnato la nascita di Centrali Elettriche Virtuali e la loro affermazione nei mercati europei. 

L'intelligenza collettiva delle unità distribuite

Le Centrali Elettriche Virtuali si presentano al mercato alla stregua di una grande centrale elettrica e possono raggiungere le dimensioni di una o più centrali nucleari dal punto di vista della loro potenza installata. Dato che sono composte da impianti  (spesso rinnovabili) interconnessi, l’immissione è soggetta a oscillazioni: se ad esempio non splende il sole e/o il vento è debole, gli impianti eolici e fotovoltaici alimentano la Centrale Elettrica Virtuale con potenza inferiore. Accanto a una varietà teoricamente illimitata di produttori di energia, anche i consumatori di energia, le centrali di accumulo e gli impianti di conversione di energia, quali quelli da elettricità a gas (power-to-gas, P2G) o da elettricità a calore (power-to-heat, PtH), possono essere integrati nell' aggregato di impianti. Risulta fondamentale il contributo di impianti da diverse fonti e con diverse tecnologie in quanto riescono  fornire compensazioni e garantire che sia rispettato il bilancio energetico.

 Nel portafoglio di una Centrale Elettrica Virtuale risultano pertanto particolarmente preziosi, oltre agli impianti da fonte rinnovabile non programmabile come vento e sole, impianti controllabili come  impianti a cogenerazione, biomassa, biogas e energia idraulica (centrali idroelettriche ad acqua fluente e centrali di pompaggio) nonché consumatori di energia flessibili, centrali di accumulo e impianti di trasformazione dell’energia. Tutte queste unità sono in grado di modulare la potenza e compensare le fluttuazioni di energia a seguito di oscillazioni della generazione.

Flessibilità: una risorsa preziosa

La flessibilità di un impianto consiste nella capacità di modulare rapidamente e compensare le variazioni di potenza richiesta. E' una caratteristica preziosa per il sistema energetico ed è il punto forte numero uno delle Centrali Elettriche Virtuali, la cifra distintiva in assoluto rispetto alle singole centrali di generazione: attraverso la rapidità nell' adattamento alla quantità di energia elettrica richiesta, riescono a seguire al meglio il prezzo dell’energia in borsa offrendo così l’energia elettrica prodotta  aggregata in modo particolarmente efficace sul mercato. Infatti il valore dell’energia elettrica varia continuamente ed è soggetto a cambiamenti  anche nei mercati infragiornalieri con differenze di prezzo spesso significative che rappresentano un'opportunità per le unità della Centrale Elettrica Virtuale.

Il valore dell'energia nei mercati varia con la domanda

Le grandi centrali termoelettriche sono state pensate per produrre a potenze relativamente costanti, si pensi ad esempio agli impianti a carbone. Sono paragonabili a grandi navi portacontainer che hanno grandi inerzie per cambiare direzione o frenare. Sono particolarmente a disagio ad esempio per fronteggiare la variabilità della produzione eolica o solare. In alcuni casi per evitare guasti o sovraccarichi di rete è necessario disconnettere le centrali eoliche, neutrali dal punto di vista climatico.
La Centrale Elettrica Virtuale, invece, durante una fase di forte ventosità reagisce  regolando a cascata  la potenza delle proprie centrali idroelettriche e a biogas inviando dei comandi da remoto. Se al contrario c'è scarsità di carico e eccesso di produzione, il sistema di controllo incrementa la produzione degli impianti che possono offrire potenza a salire. In questo modo la Centrale Elettrica Virtuale bilancia direttamente e in tempo reale eventuali fluttuazioni nella produzione dell’energia, evitando un sovraccarico della rete. I relativi comandi di incremento e riduzione della potenza immessa vengono trasferiti dal sistema di controllo tramite interfacce IT (API) o mediante unità di controllo remoto integrate negli impianti stessi.

Interfacce di comunicazione e connessione

Lo scambio di dati e l'invio di comandi è essenziale nella Centrale Elettrica Virtuale. Gli impianti che la compongono sono connessi al sistema centrale tramite sistemi a configurazione ridondata per avere il massimo dell'affidabilità. La connessione dati avviene tramite con corsie preferenziali virtuali (tunneling) criptate ad hoc. Questi collegamenti preferenziali sfruttano l’infrastruttura di comunicazione pubblica ma sono schermati dal restante traffico dati dal punto di vista dei loro protocolli di comunicazione. A questo riguardo si potrebbero menzionare anche parole quali “Internet delle cose” (Internet of Things), “Industria 4.0” e “M2M” e automazione – in quanto si sta parlando di collegamenti  di rete fissa e mobile schermati e specificamente criptati. 

Questi collegamenti dati bidirezionali dei singoli impianti alla Centrale Elettrica Virtuale non consentono soltanto l'invio di comandi, ma forniscono continuamente e in tempo reale dati sullo stato degli impianti connessi e pertanto anche della Centrale Elettrica Virtuale. Si possono così ad esempio generare previsioni precise riguardo l'immissione o il prelievo di energia elettrica e  ottimizzare la programmazione degli impianti regolabili conoscendo l'immissione degli impianti impianti eolici e fotovoltaici, il consumo dei carichi elettrici e lo stato degli accumulatori si energia. L'acquisizione e l'elaborazione dei dati è effettuato dalla piattaforma della Centrale Elettrica Virtuale che provvede anche ad inviare comandi agli impianti frutto dell'ottimizzazione economica dell'esercizio.



Servizi ancillari di rete dalle Centrali Elettriche Virtuali

Gli impianti  di generazione controllabili  da fonte rinnovabile quali impianti a biogas o centrali idroelettriche, ma anche impianti di cogenerazione e generatori di emergenza presentano una peculiarità: possono fornire dei servizi (detti "servizi ancillari") al Gestore di rete per contribuire a bilanciare l'energia in rete. Possono sia ridurre o interrompere la loro produzione in presenza di un’offerta eccessiva di energia elettrica (offrendo servizi "a scendere"), sia di immettere di più in caso di scarsità di energia (offrendo servizi " a salire").
Per poter fornire questi servizi, un impianto di produzione deve poter garantire la disponibilità di una banda di potenza . Al fine di raggiungere la soglia minima richiesta (1 MW) l’impianto può tuttavia aggregarsi con altri impianti in una Centrale Elettrica Virtuale: lavorando congiuntamente la Centrale può fornire più risorse e far fronte anche a richieste superiori di potenza da parte del gestore di rete. Eseguendo questi comandi si è remunerati e i ricavi ottenuti dalla commercializzazione di tali servizi vengono suddivisi proporzionalmente tra chi ha contribuito.
Anche i consumatori di energia elettrica possono offrire servizi ancillari: ad esempio, un’industria collegata alla Centrale Elettrica Virtuale può ad es. fornire riserva a salire modificando il prelievo in rete a seguito della ricezione del comando da parte della Centrale Elettrica Virtuale.

Consumatori di energia nelle Centrali Elettriche Virtuali

Attraverso i dati acquisiti in tempo reale nella Centrale Elettrica Virtuale anche i consumatori di energia elettrica (clienti industriali e commerciali) possono beneficiare direttamente dell'ottimizzazione economica legata ai prezzi di mercato. Operando in questo modo si può concentrare il consumo nei periodi in cui in borsa il prezzo dell'energia è più conveniente. Se un’azienda  sposta il picco del proprio consumo di energia elettrica quando è più conveniente può risparmiare fino a un terzo dei costi di energia.
Tale ottimizzazione può essere eseguita dalla Centrale Elettrica Virtuale  anche in modo del tutto automatico: il sistema di controllo della Centrale Elettrica Virtuale invia impulsi al quadro di controllo dell’azienda, intervenendo naturalmente nei processi  soltanto nel limite del possibile e del necessario. Ci si rivolge a consumatori di tagia superiore a 100.000 kWh /anno.

Consumatori domestici legati all'evoluzione dei contatori intelligenti

Dato che i nuclei familiari non raggiungono neanche lontanamente questi livelli di consumo, la loro integrazione nelle Centrali Elettriche Virtuali potrà iniziare con l'implementazioni di logiche legate ai contatori intelligenti (smart meter). Questi ultimi hanno rimpiazzato i vecchi contatori . Attraverso l’ottimizzazione intelligente dei periodi di operatività di caloriferi, forni, lavatrici, congelatori e sistemi riscaldamento  in funzione dell’andamento dei prezzi dell’energia elettrica, anche nell’ economia domestica sarà possibile gestire in maniera conveniente i consumi ed avere benefici economici.

Le Centrali Elettriche Virtuali digitalizzano l’economia dell'energia

Il futuro è digitale: l’economia in ambito energetico non ne costituisce un’eccezione. Come accade in tutti gli altri settori della società l’approvvigionamento energetico sta vivendo una trasformazione strutturale a livello globale: la dismissione dalle grandi centrali a combustibile fossile verso piccole unità decentralizzate interconnesse grazie alle opportunità offerte dalla digitalizzazione.
Analogamente alle piattaforme alberghiere che non possiedono alcun hotel di proprietà e alle piattaforme di car-sharing prive di un parco veicoli proprio, le Centrali Elettriche Virtuali assicurano una democratizzazione dell’approvvigionamento energetico che restituisce la centralità alla società: l'operatore di una Centrale Elettrica Virtuale non possiede infatti gli impianti, ma ottimizza soltanto l'esercizio degli impianti di proprietà altrui. Già oggi le più grandi Centrali Elettriche Virtuali  hanno abbondantemente superato le taglie dei grandi impianti nucleari, producono energia in maniera sostenibile da un punto di  vista ambientale e competono con successo nei mercati.
Inoltre sia l’elettrificazione del settore dei trasporti che il numero in crescita esponenziale dei nodi elettrici e dei centri di calcolo  cresciuti a seguito della digitalizzazione richiedono grandi quantità di energia elettrica, che a causa dei cambiamenti climatici in corso non potrà più essere soddisfatta  da impianti tradizionali, e/o soltanto da un vettore energetico. Le Centrali Elettriche Virtuali rappresentano una soluzione alle sfide che ci pone l'evoluzione del sistema energetico!