Demand Response: cosa è e perché è importante

Demand Response, un processo di ottimizzazione decentralizzato rilevante per la stabilità della rete energetica

La premessa: il bilanciamento della rete elettrica

Per poter comprendere il ruolo e quindi l’importanza di un meccanismo come il Demand Response all’interno del sistema energetico, occorre avere una panoramica a grandi linee del funzionamento della rete e del suo bilanciamento.

Il termine specifico per l’attività di distribuzione e bilanciamento dell’energia elettrica prende il nome di dispacciamento, come facilmente constatabile anche leggendo una normale bolletta per fornitura di energia elettrica domestica.

Il dispacciamento di energia

L’attività di dispacciamento racchiude il novero di attività necessarie per garantire il costante bilanciamento tra domanda e offerta all’interno del sistema energetico, attraverso il coordinamento degli impianti di produzione (centrali elettriche) e della rete di trasmissione.

Domanda e offerta di energia elettrica sono stimabili con discreta accuratezza, grazie al grado di sofisticazione ottenuto sia in termini di competenze che strumenti. Tuttavia diverse variabili concorrono a aumentare l’aleatorietà della previsioni. Inoltre l’energia elettrica prodotta non è immagazzinabile. Per ogni istante quindi l’offerta di energia, ovvero la produzione, dovrà essere coincidente con la domanda da parte degli utilizzatori finali (aziende, abitazioni, infrastrutture).

In ciascun paese l’attività di dispacciamento è responsabilità del TSO (Transmission System Operator). In Italia questo ruolo compete quindi a Terna S.p.A. 

La necessità di flessibilità della rete

A questo punto è intuibile come strumenti in grado di rendere l’attività di dispacciamento più agevole, ovvero aumentare la flessibilità della rete elettrica, siano auspicabili.

Se questo è vero in termini generali, lo è ancor di più considerando l’evoluzione dei processi di generazione di energia elettrica. Il processo di transizione energetica, ossia il passaggio dall’utilizzo di fonti fossili a fonti energetiche a basse emissioni, incentiva il ricorso a fonti di energia rinnovabili.

Come intuibile però le fonti rinnovabili, dipendendo da fattori fuori dal controllo umano (precipitazioni, irraggiamento solare, ventosità) apportano instabilità alla rete. Se infatti è possibile programmare la fermata di una centrale per gestire la domanda di energia prevista, non è possibile interrompere la produzione di un pannello solare.

La flessibilità energetica consente infatti al sistema elettrico di adattarsi alle variazioni di domanda e offerta e rispondere ad esse con rapidità e efficienza.

Il meccanismo del Demand Response risponde proprio a questa necessità, sebbene, come vedremo, non è l’unico dei meccanismi annoverabili per l’incremento della flessibilità della rete.

Demand Response, flessibilità applicata al consumo di energia

Il Demand Response è un approccio strategico che, in contrapposizione all’attività canonica di dispacciamento, che si focalizza sul controllo dell’offerta, si concentra invece sul controllo e modulazione della domanda di energia.

Espresso in concetti estremamente semplici, si tratta quindi di una serie di incentivi che vadano a remunerare soggetti di interesse per la loro capacità di impattare sulla domanda di energia (energivori) affinché siano disposti a modulare i loro consumi contribuendo all’ottimizzazione del bilanciamento della rete energetica.

Gli attori del servizio di Demand Response

Come già specificato la necessità di bilanciamento della rete è in capo al TSO, ovvero Terna. Spetta a quest’ultima quindi notificare ai soggetti rilevanti (in questo caso i fornitori dei servizi di bilanciamento, Balance Service Provider BSP).

Il fornitore dei servizi di bilanciamento, preso atto della necessità, andrà a modulare la domanda disponibile, ossia il proprio portafoglio di entità aderenti al servizio di Demand Response. Questi ultimi aderendo alla modulazione richiesta beneficeranno dei corrispettivi. La nuova curva di consumo viene resa quindi disponibile al gestore della rete.

Il processo di Demand Response è quindi in capo ai seguenti attori.

Gestori del sistema elettrico

Il TSO, così come i servizi pubblici o le società di trasmissione e distribuzione, sfruttano i meccanismi di flessibilità energetica come il Demand Response per una gestione più efficiente ed equilibrata della domanda energetica. Essi sono quindi i soggetti portanti dell’intero processo, dai quali deriva la necessità di meccanismi di flessibilità evoluti e in grado di rispondere alle esigenze del sistema elettrico.

In senso lato, il Demand Response permette anche di ridurre la dipendenza da fonti fossili, integrando in modo continuo la produzione di energia da fonti rinnovabili.

Fornitori di servizi energetici

Le aziende fornitrici di servizi energetici possono qualificarsi come entità BSP e pertanto offrire in duplice chiave i servizi relativi all’organizzazione del Demand Response:

• Come soggetto aggregatore di soggetti consumatori, ottenendone quindi vantaggi in chiave strategica e commerciale.
• Come soggetto fornitore del servizio verso il TSO, ottenendone quindi benefici finanziari dal gestore del servizio di rete.

I servizi inerenti alle attività di una società energetica possono rientrare in servizi di monitoraggio e controllo energertico (smart metering e dispositivi IoT), consulenza e ottimizzazione dei carichi di consumo (profilazione), partecipazione vera e propria a programmi di flessibilità energetica.

In Italia uno dei primari attori in questo processo è Enel X, ma diverse altre realtà stanno rapidamente attrezzandosi per fornire tale tipologia di servizi.

Consumatori industriali e commerciali

Proprio per via della necessità di impattare decisamente nella domanda di energia, l’aderenza a meccanismi di Demand Response è riservata a clienti industriali in grado di consumare grandi quantità di energia (almeno 300kW).

Va notato che tali tipologie di utenti possono beneficiare a doppia mandata dall’adesione al Demand Response:

• Beneficiando in senso assoluto del meccanismo di remunerazione.
• Beneficiando in senso lato dalla riduzione dei consumi in momenti di picco di domanda, andando quindi a ridistribuire il proprio carico di consumo in fasce orarie a tariffe più vantaggiose.

Non trascurabile anche la presenza di eventuali incentivi finanziari o energetici dati dal partecipare attivamente al processo di gestione della domanda di energia.

Va menzionato che anche utenti residenziali, qualora aggregati in UVA (Unità Virtuali Abilitate) possono essere assimilati a soggetti rilevanti ai fini del bilanciamento della rete elettrica e quindi beneficiare delle opportunità offerte dal Demand Response.

Storia e evoluzione

Il concetto di Demand Response ha le sue radici negli anni ’70, quando si è iniziato a prendere coscienza dell’importanza di bilanciare la domanda e l’offerta di energia elettrica per evitare black-out e garantire la stabilità del sistema, anche a fronte di eventi geopolitici imprevisti e avversi.

In particolare la crisi petrolifera del 1973 ha generato una presa di coscienza degli enti statunitensi, i quali si sono posti in modo critico rispetto alle fonti di approvvigionamento dell’energia del paese. È stato quindi immediato notare che un’ottimizzazione della domanda avrebbe avuto effetti positivi tanto quanto l’ottimizzazione della produzione.

In un noto appello alla nazione, il Presidente Jimmy Carter raccomandò alla popolazione di ridurre l’utilizzo del riscaldamento per fronteggiare un inverno particolarmente rigido.

Il Demand Response è evoluto nel tempo, contrapponendo due stream attuativi tra loro paralleli:

• Evoluzione della normativa in materia di gestione e bilanciamento dei servizi energetici (ad esempio in questo contesto il PURPA, Public Utility Regulatory Policies Act del 1978).
• Evoluzione tecnologica dei sistemi di misura, gestione del carico energetico, comunicazione in tempo reale dei consumi e loro modulazione (genericamente, dispositivi IoT e smart meters).

Benefici del Demand Response

L’importanza del Demand Response risiede nella sua capacità di ridurre i picchi di domanda di energia elettrica, distribuendo il carico in un profilo più piatto e omogeneo.

In senso lato possiamo quindi dire esso miri a ottimizzare l’utilizzo delle risorse energetiche disponibili, intervenendo sulle variabili più prossime e agevoli al controllo.

Nello specifico, si tratta di riduzione di sovraccarichi della rete, black-out, interruzioni del servizio (come già si è sperimentato durante il picco di calore dello scorso anno). Il tristemente noto conflitto Russo-Ucraino ha altrettanto reso palese al grande pubblico la necessità di bilanciare e gestire il consumo di energia a livello nazionale riducendo la dipendenza da fonti terze non controllabili.

Un ulteriore beneficio sistemico è dato dall’incentivo che esso genera in termini di adozione e dipendenza da fonti di energia rinnovabili non modulabili alla fonte di produzione.

Entrando poi nello specifico dei soggetti intervenenti nel processo di Demand Response, è evidente come esso consenta una redistribuzione dei profitti derivanti da un minor carico nella gestione del bilanciamento della rete.

Inoltre è un meccanismo che agisce sul controllo della domanda di energia, pertanto permette di creare circoli virtuosi (consapevolezza dei consumi, capacità di misura e modulazione, cultura energetica) i quali, pur non potendo essere immediatamente convertibili in grandezze economico-finanziarie portano a una evoluzione positiva del contesto energetico del paese.

Importante anche notare che il Demand Response non presenta intrinsecamente elementi negativi che ne rendano il ricorso svantaggioso per motivi specifici, oltre a quello che citeremo a breve riguardante la sua diffusione (e quindi in tal senso il suo limitato impatto sul sistema).

Sfide e limitazioni del Demand Response

Nonostante i numerosi vantaggi, il Demand Response presenta anche limitazioni. Una delle principali sfide riguarda l’adozione diffusa del Demand Response da parte dei consumatori finali.

Gli utenti finali possono essere riluttanti a partecipare attivamente a programmi di gestione della domanda, a causa della mancanza di consapevolezza, della scarsa comprensione dei meccanismi di riduzione dei consumi, o delle preoccupazioni sulla privacy dei dati energetici.

Inoltre, l’implementazione del Demand Response richiede investimenti significativi in infrastrutture e tecnologie avanzate come lettori smart, device IoT, sistemi di monitoraggio a distanza. Questo sia da parte delle aziende e singoli aggregati, che da parte delle entità eroganti il servizio, le quali dovranno predisporre unità operative dedicate per poter offrire tali servizi.

I principali contestatori del Demand Response ritengono che esso non potrà assurgere a un processo centrale nella gestione flessibile della domanda e offerta di energia, ma resterà al contrario un fenomeno marginale e quindi non risolutivo.

Tecnologie e strumenti per implementare il Demand Response

Per implementare con successo il Demand Response, sono disponibili diverse tecnologie e strumenti.

Una componente chiave è rappresentata dai contatori intelligenti (smart meters), che consentono la misurazione accurata del consumo energetico e la comunicazione bidirezionale tra i consumatori e il sistema elettrico. Questi contatori forniscono dati in tempo reale sul consumo energetico dei singoli dispositivi o degli edifici nel loro complesso.

Una ulteriore tecnologia attuativa è data dalla parte di intelligenza algoritmica applicata ai dati generati da tali dispositivi e insistenti su previsione e controllo di domanda e offerta di energia.

È determinante infatti il ricorrere a algoritmi auto apprendenti  per analizzare i dati dei contatori intelligenti e prendere decisioni ottimali sulla gestione della domanda energetica, anticipando anche eventi aventi rilevanza statistica (es. picchi di consumo corrispondenti a determinati eventi come temperatura, giorno della settimana, congiuntura macro economica o ancora eventi geopolitici e sociali).

A livello puramente tecnologico si vanno implementando anche specifici protocolli di comunicazione che permettono lo scambio coordinato di informazioni tra consumatori e gestori del sistema. Tra questi citiamo il Demand Response Automation Server (DRAS).

Demand Response vs Capacity Market

Oltre al Demand Response, esistono altre strategie e meccanismi utilizzati per affrontare la gestione della domanda energetica.

Una di queste alternative è rappresentata dal Capacity Market, un sistema che mira a garantire una fornitura affidabile di energia elettrica attraverso la remunerazione dei produttori per la disponibilità di capacità di generazione.

Cosa è il Capacity Market?

Il Capacity Market è un meccanismo di mercato utilizzato per incentivare la disponibilità di capacità di generazione elettrica per far fronte alla domanda energetica.

Invece di concentrarsi sulla gestione attiva della domanda come nel caso del Demand Response, il Capacity Market si concentra sulla garanzia della capacità di generazione necessaria da parte dei soggetti produttori per soddisfare la domanda prevista.

I produttori vengono remunerati per la disponibilità delle loro risorse, indipendentemente dal fatto che vengano effettivamente utilizzate o meno.

Come funziona il Capacity Market

Nel Capacity Market, i produttori partecipano a un’asta per offrire la loro capacità di generazione per un periodo futuro specificato, solitamente diversi anni.

Il TSO tipicamente determina la quantità di capacità di generazione richiesta per garantire l’approvvigionamento energetico affidabile e lancia un’asta per selezionare i produttori che forniranno tale capacità.

Vantaggi del Capacity Market

Una delle principali ragioni per cui si ricorre al Capacity Market è garantire la sicurezza e l’affidabilità dell’approvvigionamento energetico. Assicurando una disponibilità di capacità di generazione adeguata, si riduce il rischio di interruzioni di fornitura e black-out.

Inoltre, il Capacity Market può incentivare gli investimenti nella costruzione e nel mantenimento di impianti di generazione, contribuendo a garantire la resilienza del sistema energetico.

Critiche e limitazioni del Capacity Market

Nonostante i vantaggi, il Capacity Market è oggetto di critiche e controversie. Si sostiene che esso potrebbe favorire il mantenimento di tecnologie di generazione inquinanti o obsolete, poiché i pagamenti vengono effettuati sulla base della capacità disponibile, indipendentemente dall’efficienza o dalla sostenibilità delle risorse utilizzate.

Inoltre, il Capacity Market può comportare costi aggiuntivi per i consumatori, poiché i pagamenti per la capacità vengono inclusi nelle tariffe energetiche.

Demand Response vs Capacity Market:

Mentre il Demand Response si concentra sulla gestione attiva e flessibile della domanda energetica, il Capacity Market mira a garantire la disponibilità di capacità di generazione.

Le due strategie possono essere considerate complementari e possono coesistere all’interno di un sistema energetico. Il Demand Response offre vantaggi come l’efficienza energetica, la riduzione dei picchi di domanda e la flessibilità, mentre il Capacity Market assicura una fornitura energetica affidabile e una capacità di generazione adeguata.

Tuttavia il Demand Response, proprio per via della sua capacità di rimodulare il consumo di energia e il derivante incentivo all’utilizzo di energia rinnovabile, è visto con maggior gradimento dai poli di opinione e associazioni ambientaliste, che vedono invece nel Capacity Market un’ipoteca verso la dipendenza da fonti fossili nel futuro prossimo.

Ulteriori alternative al Demand Response

Volendo presentare una panoramica quanto più esaustiva rispetto ai meccanismi di incremento della flessibilità del sistema elettrico, vengono enumerate ulteriori soluzioni alternative o complementari al Demand Response.

Tariffe dinamiche dell’energia:

Le tariffe dinamiche dell’energia prevedono la variazione dei prezzi dell’elettricità in base all’offerta e alla domanda in tempo reale. I consumatori sono incentivati ad adattare i propri consumi energetici alle fasce orarie in cui l’energia è meno costosa. Questo può essere raggiunto tramite la programmazione degli elettrodomestici o l’installazione di sistemi di gestione dell’energia in grado di ottimizzare l’utilizzo energetico durante le fasce orarie di tariffe più basse.

Energia rinnovabile distribuita

L’energia rinnovabile distribuita, come l’energia solare o l’eolica, offre un’alternativa al Demand Response consentendo ai consumatori di generare la propria energia sul posto. L’energia generata localmente può essere utilizzata per soddisfare la domanda interna, riducendo la dipendenza dalla rete elettrica e contribuendo a una maggiore sostenibilità. In questo senso vanno CER (Comunità Energetiche Rinnovabili) e il movimento Prosumer.

Accumulo di energia

I sistemi di accumulo di energia, come le batterie, offrono un modo per immagazzinare l’energia e utilizzarla quando è necessaria, indipendentemente dalla produzione istantanea. Ciò consente ai consumatori di gestire in modo più efficiente la domanda energetica, riducendo la dipendenza dalla rete elettrica durante i picchi di domanda.

Gestione attiva del carico (load balancing)

La gestione attiva del carico prevede il controllo e la regolazione centralizzata di dispositivi e carichi energetici all’interno di edifici o impianti. Ciò consente di ottimizzare l’utilizzo dell’energia, riducendo i picchi di domanda e garantendo un utilizzo più efficiente delle risorse energetiche disponibili. Il load balancing assume particolare rilevanza nel contesto della mobilità elettrica e ricarica dei veicoli stessi.

Programmazione e pianificazione energetica

Una strategia alternativa al Demand Response è la programmazione e la pianificazione energetica a lungo termine. Questo implica la previsione accurata della domanda energetica futura e la pianificazione delle risorse energetiche necessarie per soddisfarla.

Attraverso una pianificazione oculata, è possibile ridurre la necessità di rispondere alle fluttuazioni di domanda in tempo reale.

Tuttavia la pianificazione energetica rientra in un’ottica meno operativa e più rilevante a livello di piano nazionale.

Futuro del Demand Response

Si prevede che l’adozione del Demand Response si estenderà con sempre maggiore capillarità nel tessuto energetico dei singoli paesi, con un aumento del coinvolgimento dei consumatori e dei gestori del sistema elettrico, come anche auspicato da IEA.ORG.

L’adozione del Demand Response porterà anche all’adozione vicendevole di sistemi tecnologici avanzanti come smart grid e sistemi energetici decentralizzati (tra i quali può essere anche fatto rientrare il Demand Response stesso, essendo di fatto un meccanismo di gestione in deroga diffuso territorialmente tra diversi soggetti tra loro autonomi).

L’evoluzione delle tecnologie IoT, dell’intelligenza artificiale e della blockchain offrono opportunità per migliorare ulteriormente l’efficienza e la scalabilità del Demand Response. La diffusione della logica del consumatore e produttore (Prosumer) permetterà infatti la creazione di unità produttive decentralizzate le quali replicando in scala processi di misura, modulazione, e storicizzazione degli eventi, permetteranno di gestire i picchi di domanda e offerte nonché di rendere meno gravoso l’esborso pro-capite per il consumo di energia.

Di pari passo con l’evoluzione delle tecnologie e la consapevolezza energetica dei consumatori, il Demand Response continuerà a giocare un ruolo fondamentale nella transizione verso un sistema energetico più sostenibile e intelligente.

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