Perché l'intelligenza artificiale potrebbe essere la chiave per rendere la rete a prova di futuro

Un recente articolo di Conversation ha sottolineato che il mix elettrico britannico nel 2016 è stato il più pulito degli ultimi 60 anni, con capacità record da energie rinnovabili, principalmente da energia eolica e solare. Ma un problema con questa grande espansione delle rinnovabili è che sono intermittenti, il che significa che dipendono dalle condizioni meteorologiche come il vento che soffia o il sole che splende. A differenza della potenza convenzionale, questo significa che non possono necessariamente soddisfare picchi di domanda. Da qui, negli ultimi anni, molti titoli di stampa sulle “luci che si spengono”.

Griglia nazionale, l'operatore di rete del Regno Unito, ha diversi modi per garantire che l'offerta possa sempre soddisfare la domanda. Per brevi intervalli di generazione, chiede ai fornitori di elettricità di far funzionare le loro centrali elettriche convenzionali al di sotto della massima potenza potenziale e di aumentare secondo necessità.

Per spazi più lunghi, assicura centrali elettriche, in particolare quelli a base di gas, sono tenuti in standby. Ad alcune stazioni potrebbe essere richiesto di generare energia solo per alcune decine e poche centinaia di ore all'anno. Oltre a contribuire alle emissioni di carbonio, far funzionare le centrali per interventi così brevi è costoso.

La domanda è cosa fare con questo problema. Potremmo costruire meno energia rinnovabile e rendere l'energia convenzionale "più verde" rimuovendo la CO₂ e seppellendola nel sottosuolo. Le opinioni divergono su quando queste tecnologie di cattura del carbonio possono essere rese commercialmente sostenibili su larga scala. Nel Regno Unito, sfortunatamente due progetti di kickstarter del governo sono falliti a causa di preoccupazioni sui costi e disaccordi dipartimentali.

Un'alternativa è installare batterie molto grandi ("grid scale") in grado di immagazzinare energia rinnovabile da rilasciare quando richiesto. Questo ha suscitato molto interesse ultimamente. Ma dati i costi dell'attuale tecnologia delle batterie, lo storage su scala di rete richiede costosi investimenti iniziali.

Soluzioni su richiesta

Mentre i ricercatori studiano questi problemi, il Regno Unito sta sviluppando un'alternativa nota come risposta dal lato della domanda. Un aspetto consiste nel premiare alcuni consumatori di elettricità per aver ridotto il loro utilizzo con breve preavviso. Questo può variare dai grandi clienti industriali ai consumatori più piccoli che utilizzano l'energia per riscaldare le stanze, raffreddamento, illuminazione o addirittura refrigerazione.

L'altro aspetto della risposta alla domanda consiste nel chiedere ai clienti che possiedono apparecchiature in grado di immagazzinare energia di bilanciare i picchi di domanda. Per esempio, i proprietari di una casa dotata di pannelli solari e relativo accumulo di batterie potrebbero ridurre i costi di rimborso delle apparecchiature mettendo le unità batteria a disposizione della rete. Altre apparecchiature in questa categoria includono veicoli elettrici e gruppi di continuità ospedalieri/universitari (UPS).

Entrambi i tipi di risposta alla domanda stanno già accadendo. Alcuni clienti elettrici industriali e alcune altre società come gli operatori alberghieri hanno contratti per la riduzione dell'energia, mentre National Grid ha attirato molto interesse da parte degli offerenti per i sistemi di stoccaggio dell'energia e ne ha in corso alcuni in alcune parti del paese. Questo deposito è un'alternativa alla distribuzione di batterie su larga scala, e promette di essere molto più economico se riusciamo a farlo funzionare su una scala sufficientemente ampia.

Il problema è che questi schemi diventano più complicati una volta che il pool di clienti supera una certa dimensione. Sapere quali clienti iscrivere e quali tariffe offrire richiede di capire fino a che punto i dispositivi saranno disponibili e a quale costo, Per esempio.

Una volta creato un pool di clienti, alcuni dispositivi potrebbero non essere sempre disponibili per l'archiviazione o per ridurre la domanda quando necessario. Questo deve essere preso in considerazione nei calcoli sia per ridurre al minimo l'interruzione della rete sia per incentivare i clienti a partecipare in questi momenti.

Ci possono essere anche effetti indesiderati, come grandi rimbalzi simultanei dei consumi. Ad esempio, molti frigoriferi assorbiranno energia extra per portare la loro temperatura interna al di sotto del livello richiesto al termine del periodo di risposta alla domanda.

Infine c'è un potenziale problema di sicurezza importante:un sistema centrale che raccoglie dati sull'utilizzo di energia da molti dispositivi può essere soggetto ad attacchi dannosi e manomissione delle informazioni. Ciò potrebbe minare sia il bilanciamento della rete che il monitoraggio di ciò che i clienti sono dovuti.

In che modo l'intelligenza artificiale può aiutare

Le tecnologie emergenti di intelligenza artificiale sembrano fornire risposte a queste sfide. Per selezionare i migliori partecipanti, Per esempio, gli operatori di rete saranno in grado di utilizzare sofisticate tecniche di apprendimento automatico per modellare il comportamento dei singoli dispositivi e delle unità di accumulo della batteria rivedendo i dati provenienti da contatori intelligenti e sensori.

Una volta registrato per l'archiviazione in rete, dovrebbe essere possibile stimare la vita utile di un pacco batteria o di un'unità applicando algoritmi prognostici ai suoi dati di carica/scarica. I proprietari riceveranno quindi un compenso adeguato, più l'ulteriore incentivo di sapere quanto durerà la loro batteria.

Quando si tratta di gestire i dispositivi in ​​piscina, le persone pensavano che potessimo utilizzare contatori intelligenti individuali o dispositivi di controllo per alimentare un server centrale nel cloud. Ma i contatori sono costosi e i brevi tempi di risposta richiedono che il server cloud analizzi i dati in millisecondi, che sembra irrealizzabile una volta che molte migliaia di unità sono in una piscina.

Un'alternativa è disporre di dispositivi di misurazione che rilevano i livelli di domanda sulla rete e riducono di conseguenza la potenza. Questi riducono la pressione sul server centrale e richiedono solo la misurazione a livello di sito, piuttosto che per ogni dispositivo elettrico. Ma ti lascia ancora con un problema di controllo complesso nel coordinare tutte queste decisioni individuali. Noi di Heriot-Watt stiamo lavorando a una soluzione a questo problema utilizzando algoritmi basati sull'intelligenza artificiale.

Un'altra linea di ricerca sull'intelligenza artificiale si basa sulle intuizioni della teoria dei giochi algoritmica per sviluppare meccanismi di ricompensa/penalità che garantiscano che un numero sufficiente di clienti nel pool sia disposto a partecipare, e rispondere effettivamente quando necessario. I ricercatori sono anche ottimisti sul fatto che i protocolli blockchain, utilizzando la stessa tecnologia di Bitcoin, potrebbe essere alla base di un sistema di contabilità decentralizzato che eliminerebbe il rischio per la sicurezza di avere un unico punto di archiviazione per i dati degli utenti.

Numerosi gruppi di ricerca sull'IA, sia nel Regno Unito che altrove, hanno affrontato queste sfide, mentre un certo numero di start-up ha iniziato a sviluppare tali sistemi nella pratica - ora stanno iniziando a essere utilizzate versioni relativamente semplici dell'apprendimento automatico, ad esempio. Il Regno Unito ha buone possibilità di essere in prima linea negli sforzi internazionali per rendere una risposta alla domanda più intelligente una realtà nei prossimi anni.