Infrastruttura smart grid alimentata da IOTA

Partnerships 20 dic 2020

Partenariati • 11 dicembre 2020

Abilitare piattaforme di trading energetico

Alcuni mesi fa, l’Innovation Radar lanciato dalla Commissione Europea ha identificato la IOTA Foundation (IF) e la piattaforma di trading energetico sviluppata con il progetto +CityxChange rispettivamente come key Innovator e high potential innovation.

L’impatto di questa innovazione è stato recentemente riconosciuto dal TM Forum, che ha altresì premiato la IOTA Foundation e altri partner per l’impatto aziendale delle proprie soluzioni nel quadro della competizione Catalyst innovation, parte della conferenza Digital Transformation World. Si tratta del principale evento organizzato dal Forum, che quest’anno si è tenuto interamente online terminando il 12 novembre.

Cos’è però questa grande innovazione che ha permesso alla IF di aggiudicarsi il riconoscimento? Ne parleremo in questo articolo.

Ma andiamo per ordine...

Dal 2018, in quanto parte del progetto +CityXchange la IF collabora con svariati partner smart energy attivi a Trondheim, Norvegia, e a Limerick, Irlanda.

Terminata la fase di setup iniziale, che prevedeva casi d’uso e discussioni architettoniche, nel corso del 2020 è stata finalmente avviata la fase di sviluppo. La IF ha unito le forze con NTNU, ABB, Powel, TronderEnergi e SmartMpower.

Basandosi sui requisiti posti dagli stakeholder nelle città Lighthouse (faro) Limerick e Trondheim, la IF ha testato un MVP (prodotto minimo funzionante) relativo a una piattaforma decentralizzata di trading energetico. Per un riassunto sul lavoro svolto guarda questo video, oppure continua la lettura per ulteriori dettagli.

Una cosa alla volta: cosa significa trading energetico? E perché è importante?

Oggigiorno, la maggior parte del consumo energetico globale è assorbito dagli (1) edifici (40% circa del totale della domanda di energia primaria) e dai (2) trasporti (28% circa).

Nonostante l’elevato consumo energetico legato agli edifici, le recenti innovazioni tecnologiche nello smart building hanno dato avvio a un’inversione di tendenza.

Grazie al continuo e accresciuto sviluppo nella distribuzione di fonti energetiche rinnovabili, quali pannelli fotovoltaici sui tetti e miglioramento delle tecnologie di stoccaggio, alcuni stabili possono ora essere considerati edifici a energia positiva. Un esempio: il Powerhouse Brattørkaia di Trondheim, raffigurato nell’immagine in basso, stabile totalmente ricoperto di pannelli solari.

Positive energy building (Trondheim, Norway)

Edificio a energia positiva (Trondheim, Norvegia)

La capacità di produrre energia partendo da fonti rinnovabili abbinata ad altre tecnologie intelligenti rende gli edifici a energia positiva un sistema energetico flessibile, ovvero in grado di gestire con efficienza produzione e consumo producendo più energia di quanta ne necessita e riducendo così il carico globale sulla rete. Il risultato: delle microreti (microgrids) più agili.

Avvalendosi dei progressi fatti in ambito IoT e delle tecnologie smart metering (contatori intelligenti), l’energia prodotta e consumata dagli edifici a energia positiva può essere misurata in tempo reale e addirittura pronosticata abbinando i dati storici alle condizioni meteo attuali, per poi elaborarle mediante algoritmi AI.

Gli edifici a energia positiva generano un surplus energetico che può essere immagazzinato o ridistribuito. Lo scopo? Rispondere alle esigenze dell’edificio e del quartiere nel suo insieme. L’energia extra può così essere venduta e scambiata a livello locale. Non solo gli edifici, ma anche interi quartieri urbani potrebbero diventare «isole energetiche» autosufficienti, se non addirittura generare un surplus.

Per permettere questa innovazione smart grid occorre però una nuova tipologia di infrastruttura digitale.

E quindi quale sarebbe il ruolo di una tale infrastruttura?

Fungere da piattaforma di trading energetico: gli operatori connessi che controllano gli asset (stoccaggio delle batterie, pannelli solari, ecc.) necessitano di un’infrastruttura di condivisione dati sulla quale pubblicare annunci relativi all’energia extra in vendita (offerta). Allo stesso tempo, altri utenti devono poter pubblicare richieste per acquistare l’energia disponibile (domanda).

Quando queste informazioni sono note le piattaforme di trading abbinano domanda e offerta grazie ad appositi algoritmi di ottimizzazione, con lo scopo di ottenere un bilanciamento energetico sul mercato degli asset connessi, degli edifici e infine dei quartieri. Rendere possibile tutto ciò, ovvero permettere di monetizzare l’energia extra e creare flessibilità, apre le porte a un impiego e a un’integrazione più vasti delle risorse energetiche nei contesti urbani.

Perché tutt’ora non esiste un’infrastruttura digitale di condivisione dati?

Prima di tutto perché ad oggi non ve n’è stata l’esigenza: solo di recente la diffusione di molte tecnologie abilitanti ha permesso di generare un surplus energetico.

In secondo luogo, l’idea di commercializzare l’energia in eccesso in modo decentralizzato è in contrasto con la struttura di mercato e i modelli di business abituali, concepiti sull’idea di un sistema energetico più centralizzato.

Solo di recente si sta profilando un cambio di paradigma in questo senso. Gli operatori di rete riconoscono l’opportunità di evitare i costosi interventi di potenziamento della rete legati all’integrazione di risorse energetiche decentralizzate e scelgono di diventare una sorta di orchestratori dei mercati energetici su scala locale. Questo nuovo scenario ha altresì portato a un adattamento delle regolamentazioni.

L’esigenza di avere una struttura digitale di base scalabile è sempre più evidente e siamo consapevoli di come questi dati vengano generati da una vastità di stakeholder differenti, per cui è di primaria importanza poter garantire la conformità e la trasparenza del processo di scambio ed elaborazione.

Le infrastrutture di condivisione dati centralizzate e basate su cloud potrebbero non essere in linea con la visione di un mercato aperto e trasparente come quella presente in un tale ecosistema decentralizzato. L’approccio black box implica un single point of failure (punto di vulnerabilità) e il rischio di manipolazione e manomissione dei dati o della loro elaborazione. Inoltre, per poter essere scalabile, garantire un’ottimizzazione e introdurre ulteriori elementi innovativi, l’infrastruttura centralizzata sarà costantemente messa alla prova al fine di rispondere ai requisiti sempre maggiori in termini di condivisione dati e di interoperabilità.

Per questo, il potenziale delle tecnologie open source emergenti come distributed ledger (DLT) per costituire il mattone portante di un’infrastruttura smart city ad energetica aperta e trasparente è sempre più evidente. Grazie alla condivisione dei dati necessari a queste piattaforme di trading energetico e ai rispettivi algoritmi di ottimizzazione all’interno di un’infrastruttura decentralizzata condivisa viene eliminata l’esclusività di accesso a beneficio di un numero preselezionato di aggregatori. Di conseguenza, l’accesso a questi dati è reso più democratico, garantendo trasparenza e tracciabilità.

Tuttavia, l’infrastruttura di condivisione dati è solo un lato della medaglia. Cos’altro serve?

Un’infrastruttura di scambio di valore. E può essere centralizzata? Sì, potrebbe però risultare vantaggioso decentralizzare anche questa, per le seguenti ragioni: la partecipazione dei cosiddetti prosumer al trading energetico (che generano asset e consumano l’energia in surplus) dovrebbe essere priva di frizione e incentivata ricompensando direttamente i proprietari. Nel commercializzare questa energia extra, un approccio ottimale sarebbe quello di puntare su pagamenti senza commissioni praticamente istantanei. Per farlo, le transazioni tra produttori e consumatori potrebbero avvenire peer-to-peer e in tempo reale ed essere gestite automaticamente dagli asset energetici decentralizzati stessi invece che essere centralizzati, aggregati e regolati su base mensile o trimestrale. Il token IOTA è in grado di facilitare questo tipo di transazioni da macchina a macchina.

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Infrastruttura smart grid alimentata da DLT - perché IOTA?

A causa del carattere distribuito del mercato energetico su scala locale si sta delineando l’esigenza di sviluppare piattaforme di trading energetico affidabili, con condivisione dati e infrastrutture di pagamento digitale affidabili. Per questo motivo occorre puntare su tecnologie distributed ledger (DLT). Un’infrastruttura digitale basate su DLT è in grado di garantire la verificabilità dei dati scambiati, la provenienza dell’energia rinnovabile e di elaborare in tempo reale e in modo automatico il trasferimento di valore su base pay per use. Quando la stessa DLT permette di verificare in tempo reale sia le transazioni di dati sia quelle di valore, la complessità si riduce.

Tuttavia, non tutte le DLT adempiono a questi requisiti; quelle selezionate devono poter essere integrate direttamente negli asset energetici e scalare per far fronte all’elevato numero di transazioni previste all’interno di un quartiere o di una città.

Il tangle di IOTA soddisfa questi requisiti. Ecco perché:

IOTA è in grado di elaborare transazioni di valore e di dati all’interno della stessa infrastruttura. IOTA fornisce una tecnologia software open-source che può essere incorporata direttamente in dispositivi IoT (come contatori intelligenti), permettendo di ampliare la portata dell’innovazione di questa infrastruttura digitale alla componente IoT della rete elettrica. Gli asset energetici sono così immediatamente abilitati a condividere informazioni relative a domanda e offerta relativi al surplus energetico, senza dover fare ricorso a un’aggregazione centralizzata dei dati. L’identità IOTA garantisce l’autenticità delle fonti e l’integrità dei dati condivisi, contribuendo a plasmare la reputazione dei prosumer. Il tool IOTA Streams permette ai proprietari di controllare la confidenzialità delle proprie informazioni e di garantire l’accesso solamente a operatori selezionati, promuovendo l’agilità di mercato e la competizione. Il carattere confidenziale è al contempo mantenuto (ad esempio riguardo a chi vende a chi), rendendo le informazioni accessibili esclusivamente alle parti autorizzate, come le autorità di controllo.

L’assenza di commissioni delle transazioni IOTA permette di evitare costi imprevisti tali da limitare l’utilizzo di questa infrastruttura decentralizzata, caratteristica che si applica tanto alla condivisione dei dati richiesti quanto all’elaborazione dei pagamenti.

Inoltre, IOTA Access abiliterà scenari di trading energetico ancor più dinamici, per esempio integando eMaasS (electric Mobility as a Service).

Pensiamo a un veicolo elettrico che necessita di energia per portare a termine il proprio percorso: esso richiederà stazioni di ricarica nelle vicinanze utilizzando la piattaforma di scambio flessibile. Allo stesso tempo pensiamo ai proprietari di stazioni di ricarica private che pubblicizzano la propria disponibilità nei limiti di un determinato quantitativo energetico: una volta che domanda e offerta vengono abbinate dalla piattaforma di mercato, l’autorizzazione ad accedere alla stazione di ricarica selezionata può essere attribuita direttamente all’automobile in questione, permettendo quindi esclusivamente ai veicoli autorizzati di effettuare la ricarica.

Come può la IF lanciare una tale infrastruttura?

Per riuscirci, sviluppiamo svariate componenti hardware e software. L’immagine in basso mostra il quadro dettagliato dell’architettura del sistema.

Infrastructure and Marketplace Architecture

Infrastruttura e architettura di mercato

Il nostro focus è l’infrastruttura relativa a dati e pagamenti basata sul tangle di IOTA, tuttavia, per mostrarne il valore sono stati implementati altri elementi aggiuntivi. Come accennato, la IOTA Foundation ambisce a portare la decentralizzazione del processo alla rete elettrica e a poter connettere direttamente gli asset energetici all’infrastruttura. A tal fine abbiamo sviluppato un IOTA Asset Module: un dispositivo IoT incorporato (che utilizza una scheda PyCom) con contatore integrato e un crypotocore IOTA che permette a ogni asset energetico di pubblicare direttamente dati nel tangle. Il modulo è in grado di connettersi a una rete wi-fi locale o LTE-M e può essere utilizzato su una serie di asset energetici e scenari. È compatibile con diversi standard e misura gli asset energetici connessi direttamente o attraverso un contatore integrato (come ABB SiteEMS) connesso tramite una presa HAN-Port. Il dispositivo registra la propria identità (public key) sul tangle di IOTA permettendogli di criptare e firmare tutti i messaggi generati.

IOTA (edge) Asset Module

IOTA (edge) Asset Module

L’interfaccia dell’Asset Manager (strumento di gestione degli asset) è mostrata in basso e permette ai proprietari di configurare il modulo con parametri come costo dell’energia venduta o prezzo di quella acquistata. I pagamenti vengono effettuati direttamente dal dispositivo, provvisto di wallet IOTA che può essere implementato utilizzando la medesima interfaccia, dalla quale è possibile trasferire la quantità di token desiderata da un wallet centrale al dispositivo. È altresì possibile impostare avvertimenti per segnalare quando il saldo del wallet locale scende al di sotto di una determinata soglia, nonché prelievi periodici quando il limite predefinito viene superato. Tutte le transazioni che riguardano il dispositivo sono registrate sul tangle di IOTA e visibili utilizzando le funzioni di auditing dell’interfaccia.

Marketplace prototype dashboard

Prototipo del dashboard della piattaforma

Una volta effettuata la configurazione iniziale, il modulo genera automaticamente le offerte relative all’energia in eccesso e le domande per gli asset connessi sulla base dei parametri predefiniti, pubblicandoli nell’infrastruttura del tangle utilizzando un canale stream.

Vari API standard (API piattaforma - tangle) permettono al nostro back-end (sviluppato a scopo dimostrativo) o a quello di qualsiasi altra piattaforma di trading di estrarre domande e offerte (se l’accesso allo stream rilevante è garantito dal proprietario), di convalidare l’integrità della fonte e abbinarle automaticamente al fine di massimizzare l’output.

In questa fase, nello strumento di gestione connesso è stata implementata una semplice strategia di abbinamento (ossia l’energia in eccesso offerta supera la richiesta e il prezzo è inferiore rispetto a quello offerto). Tuttavia, strategie più complesse possono essere adottate dalle piattaforme connesse utilizzando l’API fornito. Una volta creato un abbinamento (match), l’offerta stabilita è salvata sul tangle dal modulo di «accordo» (utilizzando i medesimi API standard) per sottoporla ad audit. Il produttore e il consumatore coinvolti riceveranno una notifica.

Lo scambio energetico può dunque essere monitorato da un modulo di accordo che osserva le misurazioni pubblicate a livello di produzione e consumo in un canale Stream apposito. L’energia inviata e ricevuta è misurata dal modulo Asset connesso di IOTA. Quando lo scambio è confermato, il modulo «pagamento e audit» si attiva e una richiesta di pagamento da consumatore a produttore viene registrata nel medesimo Stream.  IL modulo IOTA controlla che il pagamento richiesto venga elaborato prima di avviare un processo di risoluzione delle controversie.

Energy Marketplace workflow

Workflow marketplace energetico

E poi?

La missione della IOTA Foundation è di creare nuove soluzioni che possano trarre vantaggio dall’utilizzo del ledger IOTA e di altre tecnologie. Con il presente articolo abbiamo mostrato come l’infrastruttura smart grid può essere ottimizzata al fine di abilitare piattaforme di mercato per scambiare l’energia locale.

Inoltre, ampliando una tale infrastruttura digitale mediante API IoT standard (come FIREWARE) ai fini di un’integrazione degli asset senza interruzioni e introducendo protocolli standard per lo scambio dati (come OASIS eMIX) è possibile supportare la capacità dei prosumer di connettersi a diverse piattaforme di mercato. Allo stesso tempo, gli operatori delle piattaforme saranno in grado di connettere vari Distribution Energy Operators (DSO) e algoritmi di ottimizzazione.

Per abilitare una tale interoperabilità saranno necessari blocchi aggiuntivi, come:

·       gateway Interconnessione basati su API aperti standard per consentire a qualsiasi asset l’accesso a qualsiasi DSO, algoritmo di ottimizzazione. A tal fine analizzeremo vari standard, fra cui OASIS WG specification;

·       librerie IoT e integrazione hardware per connettere gli asset energetici a gemelli digitali standard; integrare un’identità decentralizzata per le cose, al fine di garantire l’integrità dei dati, l’autenticità delle fonti e di permettere la creazione di una buona reputazione nonché crediti per i proprietari.

Per saperne di più su come contribuire all’espansione di questa infrastruttura e allo sviluppo dei blocchi costruttivi necessari, contatta il team della IOTA Foundation all’indirizzo [email protected]. In questa fase sono particolarmente benvenute organizzazioni di ricerca e accademiche.

Appello alla partecipazione: manifestazione di interesse

Infrastruttura e piattaforma di mercato sono attualmente impiegate per connettere produttori energetici (come serie di pannelli fotovoltaici) e consumatori, tra cui rientrano batterie e infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici utilizzati negli edifici Zero Energy Building, un living lab per la ricerca in ambito di energia sostenibile presso il campus NTNU, a Trondheim.

Per promuovere uso e adozione di questa infrastruttura digitale al di fuori del progetto +CityxChange e partner e permettere lo sviluppo delle nuove soluzioni di trading energetico smart city e peer-to-peer urbano, la IOTA Foundation collabora anche con Alpha Venturi, un’innovazione norvegese e studio di venture specializzato in tecnologie emergenti che incuba una venture spin-off, le ricerche ad essa correlate e iniziative di innovazione che sfruttano il progetto +CityXchange e le componenti presentate nel presente post.

Per accelerare lo sviluppo e la commercializzazione di soluzioni pronte per il mercato promuovendo questa infrastruttura, Alpha Venturi accoglie con favore input da parte di:

·       potenziali utenti e beneficiari dell’energia in questione, settore immobiliare, città, cooperative e altri settori;

·       banchi di prova e living lab pronti ad accogliere future iniziative pilota;

·       partner di sviluppo e distribuzione negli ambiti dell’industria, della ricerca, accademici o associazioni.

Contatta Alpha Venturi tramite Wilfried Pimenta de Miranda all’indirizzo [email protected].

Il testo originale in lingua inglese si trova qui: https://blog.iota.org/iota-powered-smart-grid-infrastructure/

Se avete trovato utile la mia libera traduzione, accetto volentieri delle donazioni 😉

IOTA: ASASUZTJPIASTYQJPPGPJOFQLYEKPA9PFHKBQKZPISVHSWZLLYBWUOHIKCVCSFYBOVPRZMO9TPOUYCWPZC9FEV9MVC

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