Principali applicazioni IoT nel settore energetico

Il settore energetico è sull’orlo di grandi cambiamenti. Secondo gli analisti, entro il 2027 il numero di dispositivi IoT connessi nel settore supererà i 75 milioni di unità. Le aziende stanno investendo miliardi nella trasformazione digitale e l’Internet delle cose nel settore energetico è diventato non solo una parola d’ordine, ma una necessità per sopravvivere in un mercato competitivo. Il problema è che i sistemi energetici costruiti nel secolo scorso non sono più in grado di gestire le sfide moderne, dall’integrazione delle fonti rinnovabili alla gestione dei picchi di carico. L’IoT per l’energia offre soluzioni a queste attività attraverso il monitoraggio in tempo reale, l’analisi predittiva e l’automazione dei processi. In questo articolo esamineremo l'IoT specifico nelle applicazioni energetiche che stanno già cambiando il settore e capiremo perché gli approcci tradizionali non funzionano più.

Contatori intelligenti e gestione della domanda

I contatori intelligenti sono diventati la prima ondata di massa dell’IoT nell’implementazione del settore energetico. Questi dispositivi trasmettono i dati sul consumo di elettricità ogni 15-30 minuti, consentendo sia ai fornitori che ai consumatori di vedere il quadro reale dell’utilizzo delle risorse.

L’azienda italiana Enel ha installato oltre 30 milioni di contatori intelligenti negli anni 2000, diventando un pioniere in questo campo. Oggi i principali fornitori utilizzano soluzioni di tecnologia energetica di partner tecnologici globali per creare ecosistemi che combinano contatori con piattaforme analitiche e sistemi di gestione del carico.

Principali vantaggi dello smart metering:

• Fatturazione accurata senza necessità di lettura fisica del contatore
• Rilevazione in tempo reale delle perdite di energia elettrica e delle connessioni non autorizzate
• Prezzi dinamici in base all'ora del giorno e al carico di rete
• Possibilità per i consumatori di monitorare i propri consumi tramite app mobili

Nel Regno Unito, il programma SMETS (Smart Metering Equipment Technical Specifiche) prevede di installare contatori intelligenti in tutte le famiglie entro il 2025. Secondo i calcoli del regolatore Ofgem, ciò farà risparmiare ai consumatori circa 300 milioni di sterline all’anno.

Ma il vero valore dei contatori intelligenti si rivela nella gestione della domanda. Quando migliaia di dispositivi trasmettono dati di consumo, i fornitori possono prevedere i picchi di carico e offrire incentivi per spostare il consumo nelle ore con domanda inferiore.

Programmi di risposta alla domanda

La Pacific Gas and Electric della California ha lanciato il programma SmartRate, che regola automaticamente i termostati dei partecipanti durante i picchi di carico. Nelle calde giornate estive, quando la rete è sovraccarica, il sistema aumenta la temperatura di qualche grado in migliaia di case contemporaneamente. I proprietari ottengono sconti sulle bollette e la rete evita i blackout.

Monitoraggio e Manutenzione delle Infrastrutture Energetiche

I sensori di energia IoT sono installati su trasformatori, linee elettriche, turbine eoliche e pannelli solari per il monitoraggio continuo delle condizioni delle apparecchiature. Ciò cambia l’approccio alla manutenzione: da reattivo a predittivo.

Schneider Electric ha implementato il sistema EcoStruxure, che raccoglie dati da decine di migliaia di sensori negli impianti energetici. Gli algoritmi di apprendimento automatico analizzano vibrazioni, temperatura, segnali acustici e parametri elettrici per rilevare segni di futuri malfunzionamenti settimane o mesi prima che si verifichino.

Monitoraggio delle condizioni del trasformatore

I trasformatori sono tra i componenti più costosi della rete elettrica e la loro sostituzione costa centinaia di migliaia di dollari. Tradizionalmente venivano sottoposti a manutenzione nei tempi previsti o aspettavano un guasto. Ora i sensori IoT tracciano:

• Temperatura dell'olio e degli avvolgimenti
• Livello di umidità
• Concentrazione dei gas disciolti (DGA — Analisi dei gas disciolti)
• Scariche parziali negli isolamenti
• Caricamento in tempo reale

Quando i sensori rilevano anomalie, il sistema crea automaticamente una richiesta di servizio. Duke Energy ha riferito che l'implementazione del monitoraggio IoT dei trasformatori ha ridotto le interruzioni non pianificate del 35% e prolungato la durata delle apparecchiature del 15-20%.

Ispezione dei droni

Le società di servizi pubblici hanno iniziato a utilizzare droni con termocamere e videocamere HD per l’ispezione delle linee elettriche. Un drone con un sistema energetico IoT può volare autonomamente lungo una linea di cento chilometri, scattare migliaia di foto e video, trasmettere dati a una piattaforma cloud dove l’intelligenza artificiale rileverà isolamenti danneggiati, ruggine sui pali o elementi di fissaggio allentati.

American Electric Power utilizza una flotta di droni per ispezionare 40mila chilometri di linee elettriche. Ciò che prima richiedeva mesi di lavoro da parte degli ispettori a terra e in elicottero, ora viene svolto in settimane con maggiore precisione e sicurezza.

Integrazione delle energie rinnovabili

Gli impianti solari ed eolici sono intrinsecamente instabili per natura: il sole tramonta, il vento si placa. Ciò crea sfide per la stabilità della rete elettrica. L’IoT per l’energia risolve questo problema attraverso una rete distribuita di sensori e sistemi di previsione.

NextEra Energy, il più grande produttore di energia rinnovabile al mondo, utilizza una piattaforma IoT per gestire migliaia di turbine eoliche. I sensori su ciascuna turbina misurano la velocità del vento, la direzione, la temperatura, le vibrazioni dei cuscinetti e decine di altri parametri. I dati vengono trasmessi a un centro di controllo dove il sistema prevede la produzione di energia per le prossime 72 ore con una precisione del 90%.

Centrali elettriche virtuali

Il concetto di Virtual Power Plant (VPP) unisce migliaia di fonti energetiche distribuite – pannelli solari domestici, batterie di veicoli elettrici, generatori industriali – in un’unica rete controllata attraverso l’IoT nelle tecnologie del settore energetico.

L'azienda tedesca Sonnen ha creato una rete di oltre 70mila sistemi di batterie domestiche. Quando la rete necessita di energia aggiuntiva, il VPP coordina il ritorno di energia da migliaia di batterie contemporaneamente. I proprietari delle batterie ricevono un risarcimento e la rete rimane stabile senza costruire nuove centrali elettriche.

Tesla sta anche sviluppando la direzione VPP con le sue batterie Powerwall. Nell’Australia meridionale, migliaia di proprietari di Tesla Powerwall si sono uniti in una centrale elettrica virtuale con una capacità di oltre 250 MW, equivalente a una centrale elettrica a gas di medie dimensioni.

Reti intelligenti e gestione dei carichi

La Smart Grid è il sistema nervoso dell’energia moderna. L’Internet delle cose nel settore energetico trasforma il flusso unidirezionale di elettricità dalla stazione al consumatore in una comunicazione bidirezionale in cui ciascun componente della rete “parla” con gli altri.

In Danimarca, che genera oltre il 50% dell’elettricità dal vento, una rete intelligente è di fondamentale importanza. Energinet, l’operatore della rete elettrica danese, ha implementato un sistema IoT che bilancia la rete in tempo reale, integrando dati provenienti da parchi eolici, stazioni solari, consumatori industriali e connessioni interstatali.

Recupero automatico delle interruzioni

Tradizionalmente, quando una linea elettrica veniva danneggiata, gli operatori commutavano manualmente la rete per ripristinare l’energia. Ora i sensori IoT rilevano automaticamente la posizione del danno, isolano la sezione problematica e reindirizzano l’elettricità attraverso percorsi alternativi, il tutto in pochi secondi.

Il ComEd di Chicago ha riferito che dopo l'implementazione di una rete intelligente, il tempo medio di ripristino in caso di interruzione è sceso da 2 ore a 30 minuti. Il sistema determina automaticamente quanti consumatori sono stati interessati, esattamente dove si è verificato il problema e quale equipaggio è più vicino per la riparazione.

Bilanciamento del carico

Le piattaforme IoT analizzano i consumi in tempo reale e prevedono il carico con un’ora, un giorno o una settimana di anticipo. Ciò consente agli operatori di:

• Avvia generatori aggiuntivi solo quando veramente necessario
• Acquista elettricità sul mercato nei momenti di basso prezzo
• Evitare il sovraccarico delle singole sezioni della rete
• Coordinare il funzionamento di diversi tipi di centrali elettriche

La Con Edison di New York utilizza un sistema IoT per gestire la più grande rete urbana degli Stati Uniti. Milioni di sensori tracciano il flusso di energia attraverso 130mila trasformatori e 95mila chilometri di cavi. Durante le ondate di caldo estivo, quando milioni di condizionatori sono in funzione, il sistema bilancia automaticamente il carico per evitare blackout.

Monitoraggio degli impianti petroliferi e del gas

Nell'industria del petrolio e del gas, le soluzioni energetiche IoT vengono applicate per il monitoraggio di pozzi, condutture, stazioni di compressione e raffinerie. Queste strutture sono spesso situate in luoghi remoti dove il monitoraggio tradizionale è difficile e costoso.

BP ha installato migliaia di sensori IoT sui pozzi del Mare del Nord. I sensori monitorano la pressione, la temperatura, le vibrazioni dell'attrezzatura, il livello di corrosione e la velocità di estrazione. I dati vengono trasmessi tramite comunicazione satellitare a un centro di analisi dove gli ingegneri possono controllare dozzine di pozzi contemporaneamente senza visitarli fisicamente.

Rilevamento perdite

Le perdite delle tubazioni rappresentano un grave problema ambientale ed economico. I sensori di pressione IoT installati lungo una tubazione possono rilevare anche piccole perdite dovute a variazioni di pressione. I sensori acustici “sentono” il rumore della fuoriuscita di gas o petrolio.

Enbridge, operatore del sistema di condutture più lungo del Nord America, utilizza un sistema IoT di rilevamento precoce delle perdite. Quando i sensori registrano un'anomalia, le valvole chiudono automaticamente la sezione danneggiata, riducendo al minimo il volume della fuoriuscita. Il sistema rileva le perdite 10 volte più velocemente rispetto ai metodi tradizionali.

Ottimizzazione dell'estrazione

I sensori IoT nei pozzi raccolgono dati sulle caratteristiche del giacimento, sulla produttività e sulle condizioni delle apparecchiature. Gli algoritmi analizzano questi dati per ottimizzare le modalità di estrazione: quando aumentare o diminuire l'intensità, quando è necessaria la manutenzione.

Shell utilizza gemelli digitali di pozzi: modelli virtuali che ricevono dati da sensori IoT reali. Gli ingegneri possono testare diversi scenari in un ambiente digitale prima di applicarli nella pratica. Secondo l'azienda, ciò ha aumentato l'estrazione del 5-10% riducendo contemporaneamente i costi.

Gestione energetica degli edifici

Gli edifici commerciali e industriali consumano circa il 40% dell’elettricità globale. I sistemi di gestione degli edifici IoT ottimizzano i consumi attraverso l'integrazione di illuminazione, riscaldamento, ventilazione, condizionamento dell'aria e altre apparecchiature.

Honeywell ha sviluppato la piattaforma Forge per la gestione energetica degli edifici. Il sistema raccoglie dati da sensori di luce, presenza umana, temperatura, qualità dell’aria e li integra con previsioni meteorologiche, orari di lavoro e tariffe elettriche.

Ecco come funziona in pratica:

• I sensori di presenza spengono le luci e regolano la temperatura nelle stanze vuote
• Il sistema analizza quando le tariffe elettriche sono più basse ed esegue esattamente in quel momento i processi ad alta intensità energetica
• Gli algoritmi prevedono le esigenze di riscaldamento/raffreddamento in base alle previsioni meteorologiche e regolano le impostazioni in anticipo
• L'integrazione con i calendari mostra quando sono attesi più visitatori e prepara i sistemi di conseguenza

The Edge di Amsterdam, nominato l'edificio più intelligente del mondo, utilizza 28mila sensori IoT per gestire ogni aspetto dell'edificio. Il consumo energetico è inferiore del 70% rispetto agli edifici per uffici standard e i pannelli solari sul tetto generano più energia di quella consumata dall’edificio.

Blockchain e scambio energetico P2P

La combinazione dell’IoT per l’energia con la blockchain crea nuove opportunità per il commercio decentralizzato di energia elettrica. I proprietari di pannelli solari possono vendere automaticamente l’energia in eccesso ai vicini attraverso contratti intelligenti.

Brooklyn Microgrid a New York è uno dei primi progetti di scambio energetico P2P. I residenti del quartiere con pannelli solari vendono elettricità ai vicini attraverso una piattaforma blockchain. I contatori intelligenti IoT registrano automaticamente le transazioni e i contratti intelligenti eseguono i pagamenti senza intermediari.

Il Power Ledger australiano ha ridimensionato questo concetto. La piattaforma consente lo scambio di energia non solo tra vicini ma anche tra diverse microreti. I sensori IoT tracciano la generazione e il consumo, la blockchain garantisce la trasparenza delle transazioni e gli algoritmi trovano automaticamente i prezzi migliori.

Sicurezza informatica del sistema IoT nel settore energetico

Con milioni di dispositivi connessi, i rischi di attacchi informatici aumentano. Le infrastrutture energetiche sono un obiettivo prioritario per hacker e attori statali. L’attacco del 2015 a una rete elettrica ha dimostrato le vulnerabilità del sistema.

Le moderne piattaforme IoT nel settore energetico implementano la protezione multilivello:

• Crittografia dei dati sul dispositivo, durante la trasmissione e nell'archiviazione
• Autenticazione del dispositivo tramite certificati crittografici
• Segmentazione della rete: sistemi critici isolati da Internet
• Monitoraggio costante del comportamento anomalo del dispositivo
• Aggiornamenti automatici del firmware con patch di vulnerabilità

Siemens ha sviluppato il concetto di “sicurezza fin dalla progettazione” per i sistemi IoT industriali. Ogni dispositivo viene sottoposto a un controllo di sicurezza in fase di progettazione, non come aggiunta dopo la creazione.

Analisi dei dati e intelligenza artificiale

I sensori IoT generano petabyte di dati ogni giorno. Il valore reale si rivela quando questi dati vengono analizzati per il processo decisionale. Le piattaforme cloud con intelligenza artificiale e machine learning trasformano i dati grezzi in informazioni utili.

Microsoft Azure Energy e AWS Energy forniscono servizi specializzati per le aziende energetiche. Queste piattaforme includono:

• Storage per archiviare ed elaborare enormi volumi di dati IoT
• Algoritmi di machine learning già pronti per la previsione della domanda e il rilevamento delle anomalie
• Strumenti di visualizzazione per la creazione di dashboard
• API per l'integrazione con i sistemi esistenti

Exelon, uno dei maggiori fornitori di elettricità negli Stati Uniti, utilizza l'intelligenza artificiale per analizzare i dati di 5 milioni di contatori intelligenti. Gli algoritmi rilevano i modelli di consumo, prevedono il carico della rete e offrono ai consumatori consigli personalizzati sul risparmio energetico.

Previsione della domanda

Una previsione accurata della domanda è di fondamentale importanza: l’elettricità non può essere immagazzinata in grandi quantità, quindi la generazione deve corrispondere esattamente al consumo ogni millisecondo. I modelli di intelligenza artificiale analizzano i dati storici sui consumi, le previsioni meteorologiche, il calendario (giorni lavorativi, festivi), gli indicatori economici e centinaia di altri fattori.

La National Grid del Regno Unito utilizza un sistema di intelligenza artificiale per la previsione della domanda di elettricità. L’accuratezza delle previsioni ha raggiunto il 98%, il che ha consentito di ridurre i costi della capacità di riserva di 10 milioni di sterline all’anno.

A cosa hanno effettivamente accesso le persone normali: app per l'energia di consumo che puoi scaricare oggi

Tutte le questioni infrastrutturali di cui abbiamo parlato – contatori intelligenti, manutenzione predittiva, centrali elettriche virtuali – non hanno importanza se le persone non riescono a comprendere le proprie bollette energetiche o a prendere decisioni fondamentali sui consumi. La realtà frustrante è che nella maggior parte dei paesi i servizi di pubblica utilità hanno definito la tecnologia di back-end. Ciò che resta indietro è il lato rivolto al consumatore.

Quindi cosa può effettivamente scaricare e utilizzare una persona comune in questo momento, senza acquistare attrezzature speciali o iscriversi a sistemi proprietari? Si scopre che esiste già un ecosistema sorprendentemente utile e che vale la pena conoscere perché è dove avviene il vero cambiamento di comportamento.

EnergySmart (sviluppato da Ignitis, la società di servizi pubblici lituana) è probabilmente l’esempio più semplice. Scaricalo, connettiti al tuo account contatore intelligente e all'improvviso non riceverai più la fattura solo una volta al mese. Vedi i tuoi consumi in tempo reale, le fluttuazioni dei prezzi man mano che si verificano e l'app ti dirà effettivamente quanto costa quella doccia calda o quale percentuale della bolletta è stata destinata al riscaldamento. Gestisce anche le cose noiose: tiene traccia dei costi di ricarica dei veicoli elettrici e consiglia le ore più economiche per collegare la tua auto. Il requisito qui è che il tuo fornitore utilizzi un'infrastruttura di contatori intelligenti compatibile, ma se ti trovi nel Nord Europa o sempre più nei principali mercati dell'UE, probabilmente ne hai già uno.

HomeWizard Energy adotta un approccio diverso. Invece di fare affidamento esclusivamente sull’infrastruttura del fornitore, si collega direttamente alle prese intelligenti e ai dispositivi di monitoraggio energetico di livello consumer. Se hai dei pannelli solari sul tetto e vuoi vedere quanto stai effettivamente generando rispetto a quanto stai prelevando dalla rete, questa app trasforma quei dati in qualcosa di comprensibile: non solo numeri, ma grafici reali che mostrano i tuoi modelli di consumo. Funziona anche retroattivamente. Le persone lo usano per rendersi conto che il loro frigorifero consuma silenziosamente elettricità alle 2 del mattino o che il loro sistema di riscaldamento è estremamente inefficiente in determinate ore.

C'è anche Älyenergia dalla Finlandia, popolare in Scandinavia, che fa lo stesso lavoro ma con una migliore previsione dei prezzi integrata. Prevede dove si stanno dirigendo i prezzi all'ingrosso dell'elettricità e suggerisce quando eseguire attività ad alta intensità energetica. Non roba sofisticata basata sull’intelligenza artificiale, ma solo dati pratici di mercato che aiutano effettivamente le persone a evitare di pagare tariffe di punta.

Hugo per iPhone funziona con contatori intelligenti e copre sia l'elettricità che il gas. Niente di speciale, ma ti consente di impostare budget di spesa e visualizzare i dettagli dei consumi per periodo di tempo, che è esattamente ciò che le persone effettivamente desiderano invece di una dashboard complessa con funzionalità che non utilizzeranno mai.

Per le persone che non hanno accesso ai contatori intelligenti, Consumption Tracker funziona con le buone letture manuali dei contatori vecchio stile. Scatti una foto del tuo contatore, la tecnologia OCR legge i numeri e l'app tiene traccia della tua cronologia nel corso dei mesi. È semplice ma utile se stai cercando di capire se il picco del mese scorso era reale o semplicemente una fluttuazione della fatturazione.

Lo schema qui è significativo. L'infrastruttura è sofisticata, gli algoritmi sono potenti, ma ciò che viene effettivamente installato sui telefoni delle persone è solitamente la versione più semplice possibile di utile. App che ti mostrano i numeri. App che ti consentono di agire. App che non richiedono l'apprendimento di nuova terminologia. Nessuno aspetta che una rete neurale preveda i costi del riscaldamento. Vogliono solo sapere se stanno pagando troppo e cosa fare al riguardo.

Conclusioni

L’IoT sta trasformando il settore energetico da una gestione reattiva a una gestione predittiva. I contatori intelligenti, le reti automatizzate, le centrali elettriche virtuali e l’analisi basata sull’intelligenza artificiale non sono più fantascienza ma realtà che funziona in decine di paesi.

Il maggiore impatto dell’IoT sarà in tre direzioni: integrazione delle energie rinnovabili, aumento dell’affidabilità della rete e coinvolgimento dei consumatori nella partecipazione attiva al sistema energetico. I proprietari di pannelli solari e veicoli elettrici si stanno trasformando da consumatori passivi a partecipanti attivi al mercato dell’energia.

Le aziende che investono oggi nelle tecnologie IoT otterranno un vantaggio competitivo domani. Coloro che ritardano rischiano di rimanere indietro in un settore che cambia più velocemente che mai. Il futuro dell’energia sarà intelligente, connesso e basato sui dati – ed è già qui.