Energy Management Systems for Energy Communities

Engineering notes

Engineering notes will be added by the Power for Solar editorial team.

Chinese explanation / 中文解读

中文解读待补充：本站会优先为光伏效率、钙钛矿太阳能电池、储能技术、太阳能热利用、BIPV、并网技术等高价值论文补充中文说明。

Original abstract

Il settore energetico globale sta attraversando una profonda trasformazione guidata da pressioni ambientali, economiche e geopolitiche associate alla produzione convenzionale di energia. La storica dipendenza dai combustibili fossili, pur avendo favorito la crescita industriale e lo sviluppo delle società, ha comportato sfide significative, tra cui emissioni di gas serra, cambiamenti climatici, esaurimento delle risorse e dipendenze geopolitiche. Stime recenti indicano che le riserve di combustibili fossili potrebbero esaurirsi entro pochi decenni, mentre le attuali tendenze del riscaldamento globale pongono gravi rischi per gli ecosistemi e le società umane. Tali problematiche rendono necessaria una transizione verso paradigmi energetici sostenibili, resilienti e decentralizzati.In questo contesto, le Comunità Energetiche (Energy Communities, ECs) sono emerse come una soluzione promettente per affrontare sia le problematiche ambientali sia le inefficienze strutturali dei sistemi elettrici tradizionali. Il concetto di gestione collettiva dell’energia non è del tutto nuovo; storicamente, le comunità hanno collaborato per sfruttare risorse energetiche condivise, come mulini a vento, mulini ad acqua e sistemi di teleriscaldamento. Tuttavia, le moderne Comunità Energetiche estendono questo concetto attraverso l’integrazione di Risorse Energetiche Distribuite (Distributed Energy Resources, DERs), tecnologie avanzate di comunicazione e sistemi intelligenti di gestione dell’energia. Formalizzate nei recenti quadri normativi europei, tra cui le Comunità Energetiche Rinnovabili (Renewable Energy Communities, RECs) e le Comunità Energetiche dei Cittadini (Citizen Energy Communities, CECs), le EC consentono la partecipazione attiva dei consumatori, ora definiti “prosumer”, alla generazione, all’accumulo, alla condivisione e allo scambio di energia.La transizione da sistemi energetici centralizzati alimentati da combustibili fossili a sistemi decentralizzati basati su fonti rinnovabili introduce numerosi vantaggi tecnici e operativi. Le Comunità Energetiche contribuiscono alla riduzione delle perdite di trasmissione promuovendo il consumo locale di energia prodotta localmente, minimizzando così il trasferimento di energia su lunghe distanze. Esse migliorano inoltre l’affidabilità e la resilienza della rete grazie alla generazione distribuita e ai sistemi di accumulo, consentendo funzionalità quali l’islanding controllato e una maggiore tolleranza ai guasti. Inoltre, se coordinate in modo ottimale, le EC possono mitigare i picchi di domanda, ridurre la dipendenza da impianti di generazione di punta costosi e inquinanti e favorire una migliore integrazione delle fonti rinnovabili. Dal punto di vista socio-economico, le EC promuovono il coinvolgimento degli utenti, aumentano la consapevolezza energetica e consentono una distribuzione equa dei benefici tra i partecipanti. Queste caratteristiche rendono le Comunità Energetiche elementi chiave per le future smart grid e per la transizione verso sistemi energetici sostenibili.Nonostante i numerosi vantaggi, diverse sfide ostacolano la diffusione su larga scala delle Comunità Energetiche. Tra queste vi sono la necessità di meccanismi di coordinamento scalabili, le problematiche legate alla privacy nella condivisione dei dati degli utenti, la complessità computazionale degli approcci di ottimizzazione centralizzati e il rischio di comportamenti opportunistici che limitano la collaborazione nei processi decisionali decentralizzati. I metodi esistenti si basano spesso su architetture di controllo centralizzate, in contrasto con la natura decentralizzata delle EC e caratterizzate dalla necessità di accedere a grandi quantità di dati, con conseguenti problemi di privacy e scalabilità. D’altra parte, gli approcci completamente decentralizzati possono soffrire di inefficienze o mancare di garanzie di convergenza.Questa tesi di dottorato affronta tali problematiche proponendo un framework di gestione energetica sicuro, distribuito e scalabile per le Comunità Energetiche. Il contributo principale del lavoro consiste nello sviluppo di un approccio di ottimizzazione decentralizzato basato sulla teoria dei giochi, in cui ciascun partecipante ottimizza autonomamente il proprio programma energetico locale interagendo con gli altri attraverso segnali aggregati di sistema. Il metodo impiega un meccanismo iterativo di best response che converge verso uno stato di equilibrio, garantendo un comportamento coordinato senza richiedere uno scambio completo di informazioni.Per preservare la privacy degli utenti, il framework proposto integra tecniche crittografiche, tra cui meccanismi di aggregazione sicura e crittografia omomorfica parziale, che consentono il calcolo di variabili globali (come il carico totale o la generazione totale) senza rivelare i profili individuali degli utenti. In questo modo, i dati sensibili relativi ai consumi e alla produzione rimangono riservati pur consentendo il coordinamento a livello di sistema. Inoltre, il metodo è progettato per essere computazionalmente efficiente e non richiede risorse di calcolo ad alte prestazioni, risultando quindi adatto all’implementazione pratica in comunità di grandi dimensioni.Un ulteriore contributo fondamentale di questa tesi è la formulazione di una funzione obiettivo basata sulla minimizzazione dello squilibrio tra produzione e consumo, con l’obiettivo di massimizzare l’autoconsumo e l’energia condivisa all’interno della comunità. Il framework incorpora vincoli realistici, tra cui la programmazione degli elettrodomestici, il comfort degli utenti e la gestione dei sistemi di accumulo. L’interazione tra gli utenti è modellata come un gioco non cooperativo e vengono analizzate le proprietà di convergenza sia di schemi decisionali simultanei sia sequenziali.La metodologia proposta è stata ampiamente validata attraverso numerosi scenari di simulazione. Questi includono analisi di sistemi con e senza sistemi di accumulo energetico (ESS), studi di sensibilità rispetto alla capacità delle batterie, valutazioni della scalabilità all’aumentare del numero di utenti, differenti profili di carico e generazione e l’impatto della collaborazione tra i partecipanti. I risultati dimostrano che l’approccio proposto aumenta efficacemente l’energia condivisa, riduce la dipendenza dalla rete elettrica e raggiunge una convergenza stabile in diverse condizioni operative. Inoltre, lo studio evidenzia come la partecipazione e la disponibilità degli utenti svolgano un ruolo cruciale nelle prestazioni complessive delle Comunità Energetiche, sottolineando l’importanza della progettazione di adeguati meccanismi di incentivazione oltre alle sole soluzioni tecniche.La struttura della tesi è organizzata come segue. Il Capitolo 1 introduce il contesto generale, l’evoluzione storica e i concetti fondamentali delle Comunità Energetiche, illustrandone benefici e sfide. Il Capitolo 2 presenta una revisione dello stato dell’arte riguardante la modellazione delle EC, le architetture di controllo e le tecniche di ottimizzazione, evidenziando le principali lacune della letteratura affrontate in questo lavoro. Il Capitolo 3 descrive la metodologia proposta, includendo gli aspetti normativi, la modellazione del sistema, la formulazione matematica, lo schema distribuito sicuro e il framework basato sulla teoria dei giochi. Il Capitolo 4 presenta i risultati delle simulazioni e le relative discussioni, coprendo diversi casi studio relativi all’accumulo energetico, alla scalabilità, al comportamento di convergenza e all’interazione con la rete. Infine, il Capitolo 5 conclude la tesi riassumendo i principali risultati ottenuti e delineando possibili sviluppi futuri della ricerca.In sintesi, questo lavoro contribuisce a colmare il divario tra i modelli teorici e l’implementazione pratica delle Comunità Energetiche, proponendo una soluzione di gestione energetica distribuita, scalabile e rispettosa della privacy. Il framework sviluppato è coerente con l’evoluzione del contesto normativo e con i progressi tecnologici, offrendo un percorso concreto verso sistemi energetici efficienti, resilienti e centrati sugli utenti.

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