Il settore energetico sta attraversando un periodo di grande evoluzione. Tra i principali fattori alla base vi sono il decentramento degli impianti di produzione di elettricità (ad esempio pannelli fotovoltaici, piccole turbine idroelettriche o eoliche), i progressi tecnologici nella mobilità elettrica intelligente e l'avvento della digitalizzazione grazie all’impiego di una connettività ultraveloce. A questo proposito, il 5G rappresenta un’occasione imperdibile per innovare l’intera rete energetica, dal momento che permette alle utility di intervenire in maniera significativa in ogni aspetto della catena del valore, sia dei consumatori industriali sia di quelli residenziali. Questo spiega l'interesse dell'Unione Europea nel finanziamento di progetti che ruotano intorno al 5G, fra cui 5G-SOLUTIONS, che garantiranno una posizione di leadership all’Europa nell’ambito della transizione tecnologica, indispensabile per preparare le smart cities a un futuro interconnesso. 

Il progetto 5G-SOLUTIONS ha, tra i suoi obiettivi, quello di testare le capacità della tecnologia 5G attraverso prove sul campo in vari settori, al fine di sviluppare la prossima generazione di prodotti e servizi innovativi. Uno dei “vertical” analizzati ha come focus la Smart Energy. In particolare, lo Smart Energy Living Lab si occupa di testare il 5G mettendolo a confronto con le tecnologie precedenti e concentrandosi sulla mobilità elettrica intelligente, sul demand response e sulla regolazione dello scambio di informazioni attraverso l’impiego del V2G (Vehicle-to-Grid). Il Living Lab prende in considerazione vari criteri come il miglioramento economico dell'intera catena del valore, l'affidabilità del servizio 5G e la sostenibilità ambientale per una gestione integrale del ciclo di vita.

Le attività sperimentali si basano sulla piattaforma europea di convalida della tecnologia 5G pensata per sperimentazioni e dimostrazioni pratiche. Il Living Lab utilizza la piattaforma messa a disposizione dal progetto 5G EVE, una delle tre piattaforme 5G realizzate grazie ai fondi per la ricerca e innovazione concessi dalla Commissione Europea, in linea con il 5G Action Plan della CE. Quest’ultimo è stato pensato per lanciare servizi 5G in tutti gli Stati membri dell'UE entro la fine del 2020 e assicurarne la copertura nelle aree urbane e lungo i principali percorsi di trasporto entro il 2025. Si prevede, infatti, che le tecnologie 5G supporteranno applicazioni avanzate e consentiranno modelli di business innovativi in più settori grazie a servizi wireless a banda larga e virtualizzazione del software.

Il 5G applicato alle ricariche dei veicoli elettrici

Se intervenire sulla gestione della domanda e sulla regolazione di velocità di carica è più difficile a causa delle lacune nella regolamentazione, la ricarica intelligente rappresenta non solo un'opportunità praticabile, ma anche una necessità quando si esaminano le previsioni sul mercato dei veicoli elettrici.

Il 2020 è stato un anno fondamentale per i veicoli elettrici (EV), con 3,1 milioni di unità vendute su scala mondiale; un dato in aumento rispetto al 2019 e con una quota di veicoli elettrici venduti sul totale del parco auto che si porta al 4,5%, influenzando la disponibilità delle funzionalità di ricarica intelligente, basata sul controllo della velocità e del tempo di ricarica (e scarica, tramite V2G/V2H-Vehicle to Home). In alcuni casi, la ricarica della batteria può utilizzare algoritmi di apprendimento basati su big data e intelligenza artificiale, in quanto si tratta di Smart Charging, un approccio che sarà ampiamente utilizzato in futuro. Si prevede, inoltre, che il numero di veicoli elettrici aumenterà drasticamente nel 2025 e la ricarica intelligente diventerà sempre più una caratteristica obbligatoria di tutti i servizi di ricarica da 3,5 kW a 50 kW.

Questo dato rende i punti di ricarica intelligenti (comprese sia le stazioni di ricarica che le Wallbox di ricarica) essenziali quando la rete di ricarica elettrica è satura o soggetta a picchi temporanei di domanda. Le stime mostrano come nel 2030 quasi tutti i punti di ricarica sui 130-240 milioni disponibili saranno intelligenti, consentendo l'accesso a una gamma di soluzioni per i sistemi di alimentazione attraverso la fornitura di servizi di demand response (DSR), come la ricarica intelligente. L'Europa sarà il secondo mercato al mondo con una base di punti di ricarica intelligenti compresa tra i 19 e i 30 milioni, pari al 14% della quota di mercato globale nel 2030.

Il nuovo paradigma della mobilità elettrica implica una forte interazione tra il veicolo elettrico e l'ecosistema energetico, ponendo nuove sfide e offrendo opportunità significative a seconda di come verranno gestite le reti elettriche di prossima generazione. A questo proposito, l'infrastruttura 5G può essere utilizzata per una programmazione affidabile in tempo reale delle sessioni di ricarica, oltre a fornire una riprogrammazione rapida in caso di sovraccarico, laddove una soglia contrattuale venga superata a causa di un numero eccessivo di sessioni di ricarica simultanee o qualora l'energia elettrica generata da fonti rinnovabili scenda improvvisamente al di sotto delle previsioni.

La ricarica intelligente dei veicoli elettrici deve affrontare il problema del calcolo in tempo reale dei setpoint di potenza di carica per le sessioni di ricarica elettrica attiva che si svolgono in una data area di carico, attualmente ottenuti sfruttando schemi di calcolo centralizzati. Il 5G-SOLUTIONS Smart Energy Living Lab si affida alla piattaforma di validazione 5G EVE dispiegata nella Città di Torino e dotata di antenne 5G a copertura dell’area di prova. La capacità di calcolo viene distribuita tra i vari gestori di sessione (session agents) che comunicano tra loro tramite 5G.

Attualmente, le colonnine utilizzate per ricaricare veicoli plug-in sono collegate al back-end dell'operatore dell'infrastruttura di ricarica tramite comunicazioni mobili con tecnologie fino al 4G. La ragione di questa scelta tecnica risiede principalmente nella natura distribuita di tale infrastruttura. Da un lato, l'accesso alle risorse web tramite qualsiasi forma di connessione cablata implicherebbe opere civili dedicate per l'installazione di ciascuna stazione di ricarica, con conseguenti costi aggiuntivi e una lenta crescita dell'infrastruttura. D'altra parte, l'idea di affidarsi a un sottoinsieme di stazioni di ricarica per stabilire una connessione Wi-Fi con le altre non è generalmente efficace per le installazioni pubbliche di grandi dimensioni, a causa della dispersione geografica delle stazioni di ricarica nella rete di distribuzione elettrica. Di conseguenza, le comunicazioni mobili sono le soluzioni più utilizzate per l'implementazione dell'infrastruttura di ricarica.

L'infrastruttura di ricarica intelligente pionieristica messa a punto nell’ambito del Living Lab Smart Energy di 5G-SOLUTIONS utilizza le comunicazioni mobili per consentire il controllo remoto delle sessioni di ricarica dal back-end dell'operatore dell'infrastruttura di ricarica. Tale azione di controllo consiste nell'assegnazione in tempo reale di adeguati setpoint di potenza di carica alle sessioni di carica, secondo un insieme di condizioni al contorno. Ad esempio, considera le preferenze dei conducenti per la tariffazione, gli schemi tariffari e lo stato operativo dell'infrastruttura elettrica. Coordinando sessioni di ricarica simultanee, l'operatore dell'infrastruttura di ricarica può modellare correttamente la curva di potenza di ricarica aggregata e, di conseguenza, perseguire obiettivi di business che dipendono dallo scenario di ricarica specifico.

La qualità e l’efficacia del controllo sono naturalmente influenzate dalla dinamica dei sensori e degli attuatori, ma un punto critico rimane la potenza di calcolo richiesta. La complessità di calcolo dipende tipicamente da diversi fattori, tra cui il tempo di campionamento, il numero di sessioni di ricarica controllate e il tempo di permanenza del veicolo. Un requisito fondamentale per ottenere un controllo in tempo reale è quello di calcolare i setpoint della potenza di carica entro l'intervallo di tempo stabilito dal campionamento, in modo che possa essere attuato all'inizio del prossimo periodo di analisi.

Alla luce di quanto sopra, la sfida è progettare nuove strategie di controllo che, basandosi anche sulle tecnologie 5G, migliorino il controllo della ricarica in termini di trade-off tra il numero di veicoli serviti e il tempo di campionamento rispetto alle soluzioni esistenti.

Al fine di migliorare il funzionamento dell'infrastruttura di ricarica intelligente, una soluzione promettente può essere lo spostamento della strategia di controllo da un approccio centralizzato a uno decentralizzato. Questa idea è potenzialmente interessante poiché permette di associare un agente di controllo al dispositivo direttamente collegato al conducente (il proprio smartphone), al veicolo (il sistema di gestione della batteria a bordo) o alla stazione di ricarica (l'unità di controllo interna). Questo significa dare la possibilità di calcolare localmente i setpoint di potenza di ricarica, con potenziali benefici in termini di tempistica e privacy.

Tuttavia, il coordinamento tra gli agenti di controllo è un compito che potenzialmente comporta un gran numero di comunicazioni interattive con requisiti rigorosi di bassa latenza e alta affidabilità. Questo è il motivo per cui le tecnologie 5G potrebbero giocare un ruolo importante nel calcolare rapidamente i setpoint di ricarica (riducendo il tempo sprecato nel processo di comunicazione necessario per ogni interazione) e potenzialmente consentire all'intero quadro di controllo decentralizzato di lavorare con tempi di campionamento inferiori rispetto al calcolo centralizzato. Infatti, ci si aspetta che la comunicazione 5G fornisca un'alta affidabilità, una latenza di comunicazione molto bassa, e quindi permetta un quadro di controllo a basso tempo di campionamento. A questo proposito, il progetto europeo 5G-SOLUTIONS rappresenta un'opportunità entusiasmante per progettare e testare soluzioni basate sul 5G per il monitoraggio e il controllo dei dispositivi elettrici, così come l'aggregazione dei carichi rilevanti in scenari dinamici guidati dagli eventi.

I benefici attesi che il 5G potrebbe portare agli stakeholder dell'energia, possono essere così riassunti:

- riduzione dei costi del servizio di trasmissione dati rispetto alle attuali applicazioni standard che utilizzano la tecnologia mobile 3G/4G: la rete 5G assicura una maggiore efficienza in termini di costo per gigabyte consegnato;

- maggiore sicurezza della rete 5G per le infrastrutture critiche come la rete elettrica pubblica;

- sostenibilità legata a un minore consumo di energia per la connettività 5G e la trasmissione dei dati rispetto alla tecnologia 3G/4G.

Infine, si può affermare che le migliorie tecnologiche introdotte dal 5G proseguiranno con un ritmo sempre più elevato, tenendo conto che entro il 2025 questa sarà la tecnologia di comunicazione mobile più diffusa in Europa occidentale e che coprirà il 55% del mercato.

*Gli autori di questo articolo sono Silvia Canale e Yuri Maria Chianese (Ares2t), Giovanni Coppola (Enel X), Gianluca Serale (Iren), Andrea Di Giglio (TIM)