Guida introduttiva alle centrali elettriche virtuali (VPP): raggruppamento di risorse distribuite e loro vendita come centrale elettrica.

Di per sé, pochi kW di energia solare su un tetto o una batteria domestica non hanno alcun valore per un gestore di rete come "centrale elettrica". Ma raggruppandone migliaia o decine di migliaia e controllandole simultaneamente tramite comunicazione e software, la produzione combinata può eguagliare quella di una singola centrale termoelettrica. Questa è l'idea di base di una VPP (Virtual Power Plant, centrale elettrica virtuale). Una VPP non è un nuovo modo di generare energia, bensì una piattaforma informativa che raggruppa risorse distribuite esistenti in un'unità che può essere scambiata sul mercato. Le basi di comunicazione e misurazione per l'aggregazione delle risorse distribuite sono state trattate nel Smart Grid Primer. Questo articolo si concentra sulla struttura aziendale costruita su tali basi, insieme al modello istituzionale giapponese ed esempi concreti.

In sintesi, in 30 secondi

• Una VPP (Virtual Power Plant) è un meccanismo che raggruppa risorse distribuite con caratteristiche molto diverse – pannelli solari sui tetti, batterie domestiche, veicoli elettrici e gestione della domanda (DR) da parte degli impianti industriali – attraverso la comunicazione e il software, trattandole come un'unica centrale elettrica controllabile.

• In Giappone, il sistema è strutturato su due livelli: "aggregatori di risorse", che stipulano contratti direttamente con i consumatori e ne controllano le risorse, e "coordinatori di aggregazione", che aggregano la produzione offerta da più aggregatori di risorse e gestiscono il commercio all'ingrosso. Nell'aprile 2022 è entrato in vigore il sistema dei fornitori all'ingrosso specifici e ENERES è diventata il primo aggregatore certificato in Giappone nell'ambito di tale sistema.

• Le risorse a cui una VPP si rivolge differiscono per velocità di risposta, durata e prevedibilità. Batterie ed elettrici rispondono rapidamente; il solare è difficile da controllare in senso ascendente; e la gestione della domanda da parte degli impianti HVAC e delle apparecchiature di produzione industriali è su larga scala ma limitata in termini di flessibilità.

• Il principale campo di battaglia per le VPP giapponesi non è tanto il mercato all'ingrosso dell'energia elettrica (JEPX) in sé, quanto il mercato di bilanciamento, dove le società di trasmissione e distribuzione generali acquistano energia di regolazione. Offre diverse categorie di prodotti, suddivise per tempo di risposta e durata, e una VPP sceglie a quale prodotto partecipare in base alle caratteristiche delle proprie risorse.

• A titolo di esempio, durante le difficili condizioni di domanda e offerta di energia elettrica dell'estate 2022, REXEV ed ENERES hanno implementato la tecnologia V2G (Vehicle-to-Grid), utilizzando le batterie dei veicoli elettrici in car sharing, per fornire energia di regolazione. Le VPP sono una tecnologia in cui la progettazione istituzionale e l'operatività nel mondo reale procedono sempre più di pari passo, superando la fase dimostrativa.

1. Cos'è una VPP: il significato di "virtuale"

Il termine "virtuale" in VPP indica che non possiede una centrale elettrica fisica propria. Pannelli solari, batterie domestiche, batterie di bordo dei veicoli elettrici e la capacità di risposta alla domanda di una fabbrica sono, fisicamente, solo piccole risorse in una posizione separata. Collegando queste risorse in rete, un software centrale monitora lo stato di ciascuna (carica residua, previsioni di produzione, programma operativo e così via) e invia comandi di aumento o diminuzione della produzione al momento opportuno. Dal punto di vista di un gestore di rete o del mercato energetico, questo insieme di risorse si comporta come se fosse "un'unica centrale elettrica".

2. Il sistema di aggregazione giapponese — una struttura a due livelli

Il sistema VPP giapponese è diviso in due ruoli: l'aggregatore di risorse e il coordinatore di aggregazione. Un aggregatore di risorse firma un Un VPP (Virtual Power Plant) stipula un contratto di servizio direttamente con un consumatore (una famiglia o una fabbrica) e ne controlla i pannelli solari, le batterie o le apparecchiature di gestione della domanda (DR). Un coordinatore di aggregazione, invece, raggruppa la produzione raccolta da più aggregatori di risorse e gestisce lo scambio diretto di energia con le società di trasmissione e distribuzione o con i fornitori di energia elettrica al dettaglio.

A supporto di questa struttura a livello istituzionale vi è il sistema dei fornitori all'ingrosso (aggregatori) specifici, entrato in vigore nell'aprile 2022. Tale sistema conferisce una base giuridica all'attività di aggregazione delle risorse distribuite e di vendita all'ingrosso di energia, analogamente a quanto farebbe un'azienda di generazione, e ENERES è diventata il primo aggregatore certificato in Giappone nell'ambito di questo sistema. Anche prima dell'istituzionalizzazione, il progetto dimostrativo VPP del METI (Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria) (condotto dall'anno fiscale 2016 all'anno fiscale 2020) aveva già validato la divisione dei ruoli tra aggregatori di risorse e coordinatori di aggregazione, standardizzando al contempo le interfacce di comunicazione tra di loro.

Coordinatore di aggregazione | Aggregazione della produzione da più aggregatori di risorse, scambio con il mercato e il gestore della rete | Indiretto (senza contratto) |

3. Tipologie e caratteristiche delle risorse raggruppate da una VPP

Le risorse a cui una VPP si rivolge non sono uniformi. Velocità di risposta, durata e prevedibilità della produzione variano notevolmente a seconda della risorsa, pertanto gli aggregatori definiscono le caratteristiche della potenza di regolazione che possono fornire in base a come combinano le risorse.

Poiché l'energia solare non può aumentare la produzione senza luce solare, non è adatta come risorsa DR verso l'alto. Le batterie e i veicoli elettrici, d'altra parte, possono essere utilizzati sia in fase di carica che di scarica, il che li rende potenzialmente la principale fonte di energia di regolazione per una VPP. Il V2G (Vehicle to Grid) che utilizza i veicoli elettrici si basa sull'idea di utilizzare una batteria di bordo non solo come fonte di energia per il trasporto, ma anche come fonte di energia di regolazione durante le ore in cui il veicolo non è in uso.

4. Architettura di controllo - Richiamo dei livelli di comunicazione

Affinché una VPP possa effettivamente controllare un gran numero di piccole risorse, i livelli di comunicazione descritti nella [Smart Grid] Primer ne costituiscono direttamente le fondamenta. ECHONET Lite viene spesso utilizzato per il controllo dei dispositivi domestici e OpenADR per automatizzare i segnali di risposta alla domanda business-to-business. Sul sistema cloud dell'aggregatore, lo stato delle singole risorse (SOC, programma operativo, previsione di generazione) viene aggregato e i comandi provenienti dal mercato vengono ricevuti e assegnati a ciascuna risorsa. La precisione e la velocità di questo algoritmo di allocazione determinano direttamente la qualità dell'energia di regolazione che una VPP può fornire.

5. Struttura del mercato giapponese: il mercato di bilanciamento e JEPX

I principali canali di ricavo per una VPP si suddividono in due categorie principali: il mercato all'ingrosso dell'energia (JEPX), dove l'elettricità viene acquistata e venduta, e il mercato di bilanciamento, dove le società di trasmissione e distribuzione acquistano energia di regolazione per mantenere l'equilibrio tra frequenza e domanda.

Il mercato di bilanciamento è stato aperto gradualmente a partire dall'anno fiscale 2021, con la negoziazione di prodotti che vanno dall'energia di regolazione primaria. attraverso la potenza di regolazione terziaria ② — classificata in base al tempo di risposta e alla durata (il background fisico dettagliato di questa classificazione è trattato nel Manuale sull'inerzia di rete e la regolazione della frequenza). Le batterie e i veicoli elettrici, con tempi di risposta rapidi, sono adatti a categorie di prodotto con tempi di risposta brevi, mentre la gestione della domanda di energia da impianti industriali, con tempi di risposta relativamente più lenti, è adatta a categorie con maggiore flessibilità nei tempi di risposta. Una centrale virtuale di potenza (VPP) definisce la categoria di prodotto in cui presentare un'offerta valutando le caratteristiche di risposta delle risorse che raggruppa.

Oltre a ciò, la "sovrapposizione di ricavi" — ovvero la sovrapposizione di più flussi di entrate, come la vendita di elettricità sul mercato all'ingrosso, la fornitura di potenza di regolazione sul mercato di bilanciamento e la riduzione dei costi per il consumatore attraverso la gestione dei picchi di consumo — è ciò che determina la redditività di una VPP. Anche una risorsa che non riesce a recuperare il proprio investimento attraverso un singolo mercato può talvolta risultare redditizia se combinata con molteplici utilizzi.

6. Un esempio reale — dalla dimostrazione alla pratica V2G

Il settore VPP giapponese, attraverso il progetto dimostrativo VPP del METI (Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria) attivo dal 2016 al 2020, ha visto la partecipazione di numerose aziende in qualità di aggregatori e coordinatori di risorse, con la validazione di standard di comunicazione e regole operative. KDDI ed ENERES hanno promosso un'iniziativa VPP basata su 5G e MEC (Multi-Access Edge Computing), un esempio concreto di come si cerchi di migliorare la latenza e l'affidabilità del controllo VPP dal punto di vista dell'infrastruttura di comunicazione.

Come caso pratico, durante le condizioni di particolare criticità tra domanda e offerta di energia elettrica dell'estate 2022, REXEV ed ENERES hanno implementato un sistema che scarica le batterie di bordo dei veicoli elettrici utilizzati in un servizio di car sharing nell'area di Odawara/Hakone tramite V2G durante le ore in cui i veicoli non sono in uso, offrendo l'energia prodotta come potenza di regolazione per la regione del Kanto. Si tratta di un tentativo di ricavare due tipi di valore – l'utilizzo come mezzo di trasporto e la fornitura di potenza di regolazione alla rete – dalla stessa batteria del veicolo, posizionata in un punto strategico. come esempio di V2G che ha raggiunto la fase di utilizzo pratico.

7. Relazione tra VPP, batterie e Smart Grid

Un VPP non sostituisce la tecnologia di una batteria su scala di rete (chimica delle celle, BMS, efficienza di andata e ritorno, ecc.). Piuttosto, è un "livello commerciale" che raggruppa le singole batterie descritte nel Power Battery Primer in un'unità che può essere scambiata sul mercato. Allo stesso modo, un VPP è un meccanismo istituzionale e operativo costruito su un'infrastruttura hardware come contatori intelligenti e protocolli di comunicazione, e non può funzionare senza l'infrastruttura di misurazione e comunicazione descritta nel Smart Grid Primer. È utile comprendere VPP, batterie e smart grid non come tecnologie concorrenti, ma come diversi livelli sovrapposti.

8. Sfide attuali e focus della ricerca

• Comunicazione Latenza e affidabilità: è necessario un meccanismo per inviare comandi simultaneamente a un gran numero di risorse e confermare la risposta entro una finestra temporale specificata. L'utilizzo del 5G e del MEC è una delle soluzioni a questa sfida.

• Accuratezza del riferimento: misurare l'effetto del DR richiede di valutarlo rispetto alla differenza rispetto a un "utilizzo stimato se non fosse stato controllato" (il riferimento), e l'accuratezza di tale stima determina direttamente la credibilità del mercato.

• Sicurezza informatica: con un gran numero di dispositivi domestici e veicoli elettrici connessi alla rete, la gestione della superficie di attacco diventa fondamentale.

• Diversificazione delle risorse: si sta esplorando l'integrazione di nuove tipologie di risorse, come scaldabagni a pompa di calore, pompe di calore industriali e regolazione del carico dei data center.

• Standardizzazione: la creazione di interfacce standard per il controllo di dispositivi di diversi produttori e standard di comunicazione a livello globale influisce sulla facilità con cui gli aggregatori possono entrare nel mercato.

Riepilogo: una VPP non è una "centrale elettrica" ma un "livello di aggregazione"

Una VPP non è una tecnologia di nuova generazione, ma un Un meccanismo che raggruppa risorse distribuite esistenti, come solare, batterie, veicoli elettrici e gestione della domanda (DR), in un'unica unità negoziabile tramite comunicazione e software. Il Giappone ha creato un sistema a due livelli, composto da aggregatori di risorse e coordinatori di aggregazione, e con il mercato di bilanciamento che fornisce una sede concreta per gli scambi, il passaggio dalla fase dimostrativa all'implementazione pratica è in corso.

Quando si valuta un'iniziativa VPP, è opportuno verificare i seguenti punti:

1. Quali risorse (solare, batterie, veicoli elettrici, DR) vengono raggruppate e con quale velocità e durata di risposta?

2. Si tratta di un aggregatore di risorse o di un coordinatore di aggregazione e come è strutturata la divisione dei ruoli?

3. Quale combinazione di fonti di ricavo (mercato all'ingrosso, mercato di bilanciamento, riduzione dei costi) viene utilizzata e in che modo?

4. Come viene garantita la misurazione della linea di base o l'affidabilità della comunicazione?

Tenendo a mente questi quattro punti, è possibile interpretare un annuncio VPP come una struttura concreta: come vengono raggruppate le risorse distribuite e dove vengono scambiate.

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