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La corsa alla digitalizzazione del settore energetico

Foto di Gerd Altmann da Pixabay

Il settore energetico mondiale sta subendo importanti cambiamenti dovuti alla decarbonizzazione. L’obiettivo della riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera è alla base della tendenza al decentramento delle centrali, alla maggiore diffusione della generazione distribuita rispetto alla generazione centralizzata e alla digitalizzazione: maggiore utilizzo di software di gestione, programmazione, modelli e analisi di impianti.

Questi cambiamenti impongono sfide significative ai sistemi energetici. Cambiamenti particolarmente evidenti in quello della generazione di energia elettrica da carbone. Un settore costretto a cambiar pelle per poter continuare ad aver un ruolo in uno scenario energetico carbon free. Per l’industria carbonifera è imperativo:

  • ridurre tutte le emissioni per soddisfare i requisiti normativi;
  • migliorare e ottimizzare l’efficienza operativa per essere competitivi col gas naturale e gli impianti da fonti di energia rinnovabile (FER);
  • aumentare la flessibilità in modo da potersi interfacciare con gli impianti FER intermittenti;
  • migliorare l’affidabilità, specialmente quando si opera in modalità ciclica e/o a carico ridotto, per ridurre i costi di funzionamento e manutenzione.

Il settore di produzione di energia elettrica da carbone è stato costretto ad avviare un processo di digitalizzazione che sta trasformando il modo in cui l’elettricità viene generata, trasportata e distribuita. La trasformazione digitale della generazione di energia è basata su cinque parametri chiave: connettività, monitoraggio, analisi, previsione e ottimizzazione.

La connettività, in particolare, rappresenta la base per una centrale elettrica digitale consentendo la connessione di sensori, dispositivi, risorse e persone. Esistono diverse tecnologie digitali capaci di migliorare le prestazioni delle centrali di produzione, fra queste vi sono diversi software operanti nella:

  • Gestione dei dati e analisi avanzata;
  • Modellazione e simulazione;
  • Cloud Computing;
  • Cyber Security.

Fra i software di gestione dei dati, i più importanti sono gli Industrial Internet of Things (IIoT), che forniscono gli elementi costitutivi di una centrale elettrica digitale, consentendo la raccolta, la trasmissione, l’analisi e la gestione dei dati di operazioni, processi e risorse.

Software come quelli a reti neurali artificiali (ANN) e diversi modelli di simulazione forniscono strumenti per identificare o prevedere qualsiasi imprevisto, determinando le azioni da effettuarsi, con risposte in tempo reale, per prevenire e risolvere eventuali problemi. Questo approccio consente di raggiungere i migliori risultati possibili e massimizzare le prestazioni e la redditività delle centrali elettriche o del parco di produzione di energia.

Combinando i software di gestione con quelli di analisi avanzata, si possono elaborare i dati, che sono il principale motore della digitalizzazione delle centrali elettriche, consentendo di passare dagli attuali sistemi di manutenzione preventiva alla manutenzione predittiva. Gli strumenti digitali possono rilevare eventuali anomalie o problemi operativi, valutare tempi di presentazione dei guasti e la loro probabilità di verificarsi, identificando le rispettive cause alla radice e consigliando azioni rapide per la loro risoluzione.

Fra i software di modellazione e simulazione vi sono i software di realtà virtuale (VR, Virtual Reality) e quelli con la realtà aumentata (AR, Augmented Reality).

La realtà virtuale è una tecnologia che consente agli utenti di essere immersi in una realtà artificiale e di avere esperienze interattive tramite canali senso-motori. La realtà virtuale offre un sistema di visualizzazione 3D coinvolgente e realistico, interazioni gestuali naturali, funzionalità di collaborazione. Una tecnologia che consente agli utenti di concentrarsi facilmente su ogni componente dell’impianto, dal più piccolo (ad esempio una valvola) al più grande (un impianto).

Figura 1: Operatore di campo (Avatar) in una centrale di produzione di energia elettrica virtuale (https://avestar.wvu.edu/3d-virtual)

Mentre la realtà virtuale simula digitalmente un ambiente all’interno del quale gli utenti possono interagire, la realtà aumentata sovrappone un’immagine alla visione del mondo reale di un utente e la valorizza, ad esempio, con il suono e il tatto. L’AR può essere definito come un sistema che soddisfa tre caratteristiche di base: una combinazione di mondi reali e virtuali, l’interazione in tempo reale e la registrazione 3D accurata di oggetti virtuali e reali. Le informazioni sensoriali sovrapposte possono essere additive o possono mascherare o distorcere l’ambiente naturale. La realtà aumentata viene utilizzata per migliorare ambienti o situazioni naturali e offrire esperienze percettivamente arricchite.

Con l’aiuto di tecnologie AR avanzate, come l’aggiunta della visione artificiale, l’incorporazione di telecamere AR nelle applicazioni per smartphone e il riconoscimento di oggetti, le informazioni sull’ambiente e sui suoi oggetti che circondano l’utente vengono sovrapposte al mondo reale e diventano interattive e manipolabili digitalmente.

Nelle centrali vengono spesso utilizzati i Digital Twins (DT) che forniscono una piattaforma per simulare e visualizzare singole apparecchiature, processi o il funzionamento di un intero impianto; software in grado di tenere traccia delle prestazioni delle apparecchiature, delle loro esigenze di funzionamento e delle necessarie manutenzioni da effettuarsi su di esse. I Digital Twins vengono utilizzati, in particolare, in produzione e per la manutenzione predittiva.

Digital Twin (Malakuti, 2020)

Figura 2: Digital Twin (Malakuti, 2020)

Il Cloud Computing non è altro che la fornitura di servizi di elaborazione dati su richiesta tramite Internet (server, potenza di elaborazione, archiviazione, database, connessine di rete, software, analisi intelligente), in genere fornita in base al consumo effettivo. Piuttosto che possedere la propria infrastruttura informatica le aziende possono pagare per l’accesso ad un provider di servizi Cloud. Il Cloud ha un’incredibile potenza e capacità di elaborazione ed è gestito da uno specialista che programma le attività e consente agli utenti di aggiungere e sottrarre servizi e applicazioni secondo le varie necessità. Pertanto, il Cloud Computing offre risorse flessibili e può aiutare gli utenti a gestire la propria infrastruttura dati in modo più efficiente, riducendo i costi operativi.

Naturalmente, l’aumento dell’utilizzo delle tecnologie digitali espone le centrali a maggiori rischi a livello informatico; ciò comporta la necessità di dotarsi di sistemi di Cyber Security. Ci sono due principali preoccupazioni riguardo alla sicurezza informatica nel settore energetico: proteggere i sistemi energetici che forniscono servizi essenziali e proteggere i dati e la privacy dei clienti. Gli attacchi informatici possono colpire la tecnologia operativa come i computer, il software e le reti utilizzati per controllare, monitorare, gestire e proteggere i sistemi di generazione e consegna dell’energia elettrica o sistemi informatici delle società energetiche che potrebbero provocare problematiche di tipo amministrativo.

Anche gli incidenti informatici involontari legati alla crescente complessità dei sistemi stanno diventando più frequenti, ad esempio quelli dovuti agli aggiornamenti delle apparecchiature che provocano malfunzionamenti a livello globale di impianto. Attualmente, si stanno sviluppando e commercializzando soluzioni di sicurezza informatica industriale per proteggere le infrastrutture critiche.

In generale ci sono tre aree di interesse per le applicazioni digitali delle centrali elettriche:

  • gestione delle prestazioni operative (OPM, Operations Performance Management);
  • gestione delle prestazioni delle risorse (APM, Asset Performance Management);
  • gestione dei servizi sul campo (FSM, Field Service Management).

La massima efficienza ottenibile da una centrale a carbone dipende dalle condizioni del ciclo del vapore che la centrale adotta. L’efficienza operativa ottimale può essere ottenuta mantenendo il funzionamento dell’impianto entro una gamma ristretta e ideale di condizioni.

Inoltre, le centrali elettriche consumano una grande quantità di elettricità per azionare una gamma di sistemi ausiliari come pompe, ventilatori, compressori e sistemi di monitoraggio e controllo ambientale.

Il controllo del funzionamento di questi componenti, che consumano energia come parte dello schema di ottimizzazione generale, può generare risparmi sostanziali e aumentare l’efficienza netta di una centrale elettrica. L’OPM fornisce un supporto decisionale determinante e migliora l’efficienza, la produttività e la flessibilità delle centrali elettriche attraverso miglioramenti nelle prestazioni operative degli impianti. Fornisce analisi focalizzate su indicatori di prestazioni (KPI, Key Performance Indicator) per ogni parte delle apparecchiature e sui sottosistemi dell’impianto. Ciò garantisce che gli impianti funzionino con efficienze più elevate, che avviino più rapidamente i cicli di produzione e rispondano in modo più affidabile e più rapidamente ai cambiamenti della domanda del mercato.

La gestione delle prestazioni delle risorse (APM) è resa possibile dall’avvento di una serie di tecnologie digitali come IIoT, l’AI e il Cloud. Si tratta di una piattaforma software progettata per aumentare l’affidabilità e la disponibilità dei componenti di impianto (Asset) riducendo i costi di manutenzione. Una centrale elettrica è costituita da numerosi Asset quali caldaia, turbogeneratore, scambiatori di calore e sistemi di controllo ambientale. Ciascun Asset dispone di dati sulle condizioni, misurati e registrati per monitorarne l’integrità e lo stato di funzionamento. Con l’analisi e l’apprendimento automatico abilitati dall’intelligenza artificiale, un sistema APM può ottimizzare le strategie aumentando il tempo di utilizzo degli Asset, migliorando l’affidabilità e riducendo al minimo i tempi di inattività tramite monitoraggio, diagnosi, previsione e indicazione dell’intervento. L’AMP consente ai produttori di energia di adottare un approccio equilibrato nelle aree chiave dei costi operativi, dell’efficienza e dell’affidabilità.

Le soluzioni FSM forniscono una piattaforma software che converte un tipico processo grafico basato su lavagna e foglio di calcolo in una pianificazione digitale della manutenzione quotidiana. Le tecnologie digitali – come IIoT, AI, Cloud, droni e AR – stanno radicalmente trasformando il modo in cui vengono svolti i servizi e la manutenzione. L’FSM migliora l’efficienza aziendale, garantisce tempi di risposta rapidi e migliora la reattività in tempo reale. Integrate con l’APM, le soluzioni FSM consentono la gestione degli ordini, la pianificazione e la programmazione del lavoro, la gestione dell’inventario e delle parti di ricambio, le riparazioni, la redazione dei rapporti di lavoro e la produzione di rapporti di assistenza automatizzati.

In definitiva, la generazione di energia futura avverrà in modo intelligente con società esperte nel digitale, in cui tutte le aree di business sono informate da flussi di dati in tempo reale e collegate da un’unica piattaforma. La piattaforma digitale sarà connessa a quasi tutto, dalla produzione di energia ai dati del consumatore finale. Collegandosi alla piattaforma si potrà avere accesso a un enorme flusso di dati, sia quelli generati in tempo reale che quelli storici, provenienti dalla rete di generazione di un produttore di energia, nonché da punti rilevanti in una rete più ampia. A questa piattaforma digitale saranno collegati anche strumenti analitici avanzati basati sull’intelligenza artificiale che consentiranno al produttore di energia di analizzare, apprendere e agire in modo più veloce ed economico.

La piattaforma digitale consentirà, quindi, di produrre energia in modo efficiente, portando gli impianti ad avere prestazioni operative e ambientali ottimali, maggiore flessibilità, affidabilità, sicurezza e redditività. Pertanto, la digitalizzazione delle operazioni delle centrali elettriche può comportare una riduzione sostanziale dei costi di generazione e delle emissioni di CO2. Questo spiega bene perché la corsa alla digitalizzazione veda in prima linea proprio le centrali più inquinanti, come quelle a carbone. DMarotto

CCC/307

SETTEMBRE 2020

Autore: DR QIAN ZHU