Digital twin del sistema elettrico: la ricerca italiana testa il futuro dell’energia

Il neonato ENET-RTLab, laboratorio nazionale in rete per la transizione energetica, ha avviato il primo intervento di co-simulazione in tempo reale del sistema elettrico italiano

Indice degli argomenti:

• Cos’è ENET-RTLab
• Un enorme “cervello” IT per attivare il digital twin del sistema elettrico italiano
• Da digital twin del sistema elettrico nazionale a gemello digitale del sistema energetico nazionale
• Una rete elettrica resiliente che aprirà a rinnovabili e alle comunità energetiche

Si propone di realizzare il più grande digital twin del sistema elettrico italiano. È ENET-RTLab, laboratorio nazionale in rete per la transizione energetica che intende simulare il funzionamento in real time dell’infrastruttura elettrica nazionale.

Si tratta di un’iniziativa nuova a livello italiano: infatti, è la prima co-simulazione multi-sito nazionale. Vede coinvolte le sedi universitarie di Bari Politecnico, Genova, Napoli “Federico II”, Torino Politecnico e il Joint Research Center della Commissione Europea con sede a Ispra. Promotrice dell’iniziativa è EnSiEL (ENergia e Sistemi ELettrici) il Consorzio Interuniversitario Nazionale per la ricerca nel settore dell’energia, dei sistemi elettrici e degli impianti elettrici, un ente no-profit cui partecipano il Ministero dell’Università e della Ricerca, il Ministero dello sviluppo Economico e 26 università e vi afferiscono tutti gli esperti italiani nel campo dei sistemi elettrici.

Per comprendere l’importanza di ENET-RTLab è sufficiente pensare al cambiamento in atto nel settore energetico. Da qui al 2030 l’Italia dovrà contare su una quota di rinnovabili nel mix di generazione elettrica pari al 65%.

Giusto per considerare qualche valore: nel 2019 abbiamo prodotto dal gas circa 180 TWh. Tra otto anni la produzione di energia elettrica da gas dovrà scendere a 80 TWh. La differenza dovrà essere compensata da fotovoltaico, eolico & C. e più precisamente, dall’avvenuta realizzazione di nuovi impianti per circa 60-70 GW. Significa contare su un numero di impianti da fonti rinnovabili almeno doppio rispetto a quello odierno: solo per il fotovoltaico contiamo oggi su quasi 936mila impianti. Da qui la sfida cui lavoreranno centinaia di esperti che potranno disporre di una enorme potenza di calcolo per rendere possibile la vera sfida per una transizione energetica che sia sostenibile per il Paese assicurare al 2050 una quasi completa elettrificazione dei consumi energetici che passerebbero dall’attuale 22 % in ambito UE al 70-80%. Questo significa contare su una rete elettrica con adeguati livelli di resilienza, efficienza, sicurezza e adeguatezza, pronta a questo “salto quantico”.

Cos’è ENET-RTLab

Un’infrastruttura nazionale che vede coinvolte diverse delle più importanti menti della ricerca del sistema elettrico ed energetico nazionale: si presenta così ENET-RTLab, come un laboratorio di co-simulazione multi-sito nazionale, il primo in Italia. «È un laboratorio in rete, non una rete di laboratori, e la sua peculiarità e importanza sta proprio qui: non c’è nessun laboratorio in situ in grado di disporre di tutte le competenze necessarie ai massimi livelli e di disporre di tecnologie e di una potenza di calcolo adeguata per gestire tutta la modellistica sviluppata e in grado di simulare tutti i possibili scenari a livello multi-scala. È come se potessimo concentrare tutti i ricercatori italiani specializzati e le tecnologie necessarie in un unico grande laboratorio», afferma Domenico Villacci, direttore del consorzio EnSiEL. Ancora più che un digital twin del sistema elettrico nazionale, «per il futuro, puntiamo a realizzare un digital twin dell’intero sistema energetico nazionale. ENET-RTLab è un’infrastruttura ibrida relativa all’intero sistema elettrico nazionale, in grado di sviluppare e riprodurre con una simulazione in tempo reale i fenomeni dinamici che si generano sulla rete elettrica e, più in generale, sul sistema elettrico».

Per fare questa modellazione digitale occorre contare sui modelli del sistema relativi alle sue diverse componenti (linee, generatori, trasformatori…) e apparecchiature IT in grado di simulare in real time lo sviluppo di fenomeni quali l’andamento della tensione, delle correnti sulle linee, della frequenza sulla rete, delle potenze iniettate dagli impianti di generazione sia da fonti rinnovabili che da fossili.

«Parliamo di infrastruttura ibrida perché questi simulatori non solo consentono in un ambiente virtuale di replicare e sperimentare attraverso opportuni modelli il funzionamento del sistema ma permettono anche di inserire all’interno dell’ambiente virtuale componenti reali che possono essere ipoteticamente posizionati e collegati al sistema elettrico in vari luoghi d’Italia», specifica Villacci.

Un enorme “cervello” IT per attivare il digital twin del sistema elettrico italiano

Con questa infrastruttura non si ha la necessità di dover concentrare tutti i simulatori e le competenze in un unico luogo, ma è possibile contare su vari sistemi IT, tanti quanti sono i centri di ricerca e atenei coinvolti a livello nazionale. «Questo significa che quando s’intende fare una sperimentazione, si costruisce l’ambiente di simulazione, componendo i vari elementi attivi nei diversi laboratori in Italia. Quando si attiva la simulazione, l’infrastruttura tecnologica fa sì che tali unità si sincronizzino fra di loro, permettendo di operare all’unisono».

Tutto questo è reso possibile anche grazie alla rete GARR, l’infrastruttura di rete nazionale a banda ultralarga dedicata alla comunità dell’istruzione e della ricerca, un network digitale con circa 15mila km di fibra ottica su tutto il territorio nazionale e con capacità trasmissive estremamente elevate (fino a 200 Gbps) in download e upload. Raggiunge circa 4 milioni di utenti e collega oltre 1.200 sedi, oltre a essere interconnessa alle reti internazionali della ricerca.

Come ha specificato Ettore Bompard, professore del Politecnico di Torino, coordinatore coordinatore di ENET-RLab:

Nel corso della diretta on line è stata eseguita la prima co-simulazione real-time in ambito nazionale su un modello di rete elettrica. Essa ha consentito la possibilità di condividere oltre a risorse di calcolo, anche strumentazione, sistemi di monitoraggio e controllo in tempo reale, di intere testfacility, come smart-grid o parti di un sistema elettrico. La creazione di questo grande laboratorio diffuso permetterà di estendere la capacità di sperimentazione del sistema universitario e industriale nazionale nel settore elettrico e dell’energia.

Da digital twin del sistema elettrico nazionale a gemello digitale del sistema energetico nazionale

Che valore aggiunto fornirà ENET-RTLab agli operatori della rete elettrica, a cominciare da Terna fino ai vari operatori della distribuzione? «Enorme. Lo conferma l’interesse suscitato in Terna e in E-Distribuzione, Società del Gruppo ENEL e principale azienda di distribuzione elettrica su scala nazionale, con la quale, proprio in questi giorni si è addivenuti alla firma «per un accordo nazionale pluriennale per la ricerca – specifica il presidente di EnSiEL –. ENET-RTLab sarà un’infrastruttura di ricerca in rete che metteremo a fattor comune per la loro attività. Con Terna abbiamo sviluppato un altro progetto ancora più ambizioso riguardante l’intera infrastruttura energetica nazionale, che comprende quella elettrica, termomeccanica e chimica. Il fine è realizzare un gemello digitale ancora più completo in cui si andrà a fare sector coupling, ovvero l’interconnessione dei settori Elettrico, Termomeccanico e Chimico».

Il progetto presentato, a partire da ENET-RTLab e possibile anche grazie ai fondi del PNRR sull’infrastruttura e innovazione, può contare su un budget per complessivi 35 milioni di euro con l’adesione di 47 aziende tra cui Terna, Enel, Italgas, Nuovo Pignone, A2A, IREN, in qualità di partner e/o di fruitori di servizi. Non solo: sul totale del budget, il 51% è a carico delle aziende. Questo fa capire quanto le società del settore ritengano importante questo lab digitale.

Una rete elettrica resiliente che aprirà a rinnovabili e alle comunità energetiche

Ma torniamo a ENET-RTLab e all’importanza di contare su un digital twin del sistema elettrico.

Con la rapida crescita delle rinnovabili, attesa sempre più decisiva, le reti elettriche molto probabilmente non avranno pari velocità di sviluppo per accogliere capacità produttive così significative. «Questo significa che saremo costretti a utilizzare le reti sempre più vicine ai loro margini reali di utilizzo, superiori a quelli di progetto – spiega ancora Villacci –. Per far questo si deve contare su modelli di simulazione molto sofisticati che riescano a prevedere in maniera quanto più accurata possibile il reale funzionamento del sistema elettrico».

ENET-RTLab consente proprio di fare questo, ovvero gestire sistemi complessi con un maggior numero di nodi di produzione da fonti rinnovabili dando la possibilità di valutare con un’accuratezza adeguata lo sfruttamento di quel margine di potenzialità delle reti, oggi non sfruttato appieno, esistente tra limite progettuale e limite reale. Ciò consente anche una maggiore resilienza delle reti grazie all’impiego della digitalizzazione: «poter contare su sistemi dinamici di co-simulazione in tempo reale per avere informazioni quanto più accurate consente di gestire le reti in modo da conseguire adeguati livelli di resilienza potendo valutare in anticipo l’impatto che tanti sistemi di generazione da fonti rinnovabili vanno a ingenerare sulla rete. Oggi noi contiamo all’incirca su un milione di impianti di generazione e siamo “solo” a 30 GW da fonti rinnovabili. Per il 2030 dovremmo aggiungerne altri 70 GW: questo si traduce in un più che raddoppio di impianti distribuiti in tutt’Italia».

A ciò si aggiunge la presenza nel prossimo futuro di “modelli di generazione distribuita” totalmente nuovi come le comunità energetiche. «Su questo ci sono linee di finanziamento pari a 2,2 miliardi di euro a valere sui fondi del PNRR dedicati, che si tradurranno in migliaia di nuovi impianti per circa 2 GW di nuova potenza installata stimata», conclude il presidente EnSiEL.

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