Strategia avanzata di controllo predittivo delle batterie per migliorare la flessibilità energetica negli edifici a energia positiva

Gli edifici come sistemi energetici intelligenti

Il settore edilizio rappresenta una sfida cruciale nella lotta contro il cambiamento climatico: gli edifici sono responsabili del 40% del consumo energetico globale, rendendoli protagonisti imprescindibili nel percorso verso la neutralità climatica. È proprio in questo scenario che la flessibilità energetica degli edifici emerge come un fattore chiave di successo, acquisendo un'importanza ancora maggiore quando viene combinata con il concetto innovativo di Plus Energy Building (PEB)—edifici progettati per generare annualmente più energia rinnovabile di quanta ne consumino.

Una nuova pubblicazione scientifica, frutto della collaborazione di Eurac Research con partner internazionali nell’ambito del progetto di ricerca H2020 Cultural-E, affronta questa sfida attraverso un approccio innovativo e multidisciplinare. Lo studio, intitolato "An Advanced Predictive Battery Control Strategy for Plus Energy Building Flexibility", presenta una strategia di controllo predittivo avanzata per la gestione ottimale dei sistemi di accumulo a batteria negli edifici a energia positiva.

Il cuore della ricerca risiede nella capacità di trasformare gli edifici da semplici consumatori passivi di energia a veri e propri sistemi energetici intelligenti e flessibili. Ma cosa significa esattamente "flessibilità energetica"? Si tratta della capacità dell'edificio di adattare dinamicamente i propri consumi e la gestione dell'energia accumulata in risposta a segnali esterni provenienti dalla rete elettrica.

Questi segnali possono essere di diversa natura: variazioni dei prezzi dell'elettricità nel mercato energetico, livelli di emissioni di CO₂ associate alla produzione elettrica in un dato momento, o situazioni di congestione della rete che richiedono una riduzione dei consumi. Grazie a questa capacità di risposta, gli operatori di sistema possono influenzare dinamicamente i modelli di consumo, contribuendo alla stabilità della rete elettrica e favorendo una maggiore integrazione delle fonti energetiche rinnovabili, per loro natura intermittenti e variabili.

Una metodologia innovativa: dalla simulazione al laboratorio

Ciò che rende questo studio particolarmente rilevante è la sua metodologia completa e rigorosa, che combina due approcci complementari: l'analisi attraverso simulazioni su larga scala e l'implementazione pratica in ambiente di laboratorio. Questo doppio binario permette non solo di valutare teoricamente le prestazioni della strategia di controllo proposta, ma anche di verificarne concretamente l'applicabilità e l'efficacia su dispositivi reali.

I ricercatori di Eurac Research hanno condotto simulazioni dettagliate della durata di un anno intero, esplorando diversi scenari ottenuti combinando un archetipo di edificio di riferimento con vari geoclusters europei rappresentativi. Questi geoclusters riflettono le diverse realtà climatiche, culturali e normative presenti nel continente europeo. Le simulazioni hanno inoltre considerato diversi modelli di consumo elettrico derivanti da strategie di controllo personalizzate degli impianti termici dell'edificio, come sistemi di riscaldamento e raffrescamento.

I risultati ottenuti si sono rivelati estremamente eterogenei tra i diversi geoclusters analizzati, evidenziando come fattori quali il clima locale, le abitudini culturali di consumo energetico e il dimensionamento specifico dei sistemi fotovoltaici e di accumulo influenzino in modo significativo le prestazioni del controllo predittivo. Particolarmente interessanti sono emersi i dati relativi al cluster mediterraneo, dove i risultati hanno mostrato miglioramenti attesi della flessibilità energetica nell'ordine del 14%—un valore che testimonia il potenziale concreto di questa tecnologia.

Dal virtuale al reale: l'esperienza di laboratorio

I promettenti risultati delle simulazioni hanno costituito una solida motivazione per il passo successivo: lo sviluppo di un setup sperimentale di laboratorio capace di testare le strategie di controllo proposte su dispositivi commercialmente disponibili, nelle condizioni operative reali che si incontrerebbero in un edificio vero e proprio.

Il nostro team ha quindi progettato e implementato questo ambiente di test presso le strutture del laboratorio outdoor PV Integration Lab di Eurac Research, creando un sistema che replica fedelmente le condizioni di funzionamento di un edificio a energia positiva dotato di impianto fotovoltaico e sistema di accumulo a batteria. Il setup è stato monitorato continuativamente per un intero anno, permettendo di raccogliere una mole consistente di dati sperimentali in diverse condizioni operative.

I risultati del monitoraggio hanno confermato l'efficacia della strategia di controllo: il sistema ha dimostrato concretamente la capacità di spostare intelligentemente l'energia immagazzinata nella batteria verso i periodi della giornata caratterizzati da prezzi energetici più elevati, massimizzando così il beneficio economico per l'utente e, al contempo, contribuendo all'equilibrio della rete elettrica. Un aspetto particolarmente interessante emerso dall'osservazione è che operazioni non standard dell'inverter, indotte dalla logica di controllo avanzata, sono state rilevate nel 10% del tempo di funzionamento—un dato che evidenzia la reattività e la sofisticazione del sistema nel rispondere dinamicamente alle condizioni reali.

Il ruolo centrale di Eurac Research

Il nostro Istituto ha svolto un ruolo di primo piano in tutte le fasi di questa ricerca. Il gruppo di lavoro di Eurac Research ha sviluppato l'architettura completa della strategia di controllo predittivo delle batterie, basata su tecniche di Model Predictive Control (MPC), e ha implementato l'intero flusso di lavoro di modellazione e analisi che ha reso possibile la valutazione delle prestazioni del sistema.

I ricercatori hanno condotto l'estesa campagna di simulazione, elaborando e analizzando i dati per quantificare con precisione lo spostamento energetico ottenibile e gli indicatori chiave di prestazione della flessibilità (KPI). Parallelamente, il gruppo di lavoro ha curato la progettazione dettagliata del setup di laboratorio, definendo procedure di test rigorose e affrontando importanti sfide metodologiche, in particolare per quanto riguarda il confronto equo tra approcci di controllo predittivo e strategie di controllo standard tradizionali.

Prospettive future e impatto della ricerca

Questa infrastruttura di laboratorio rappresenta molto più di un semplice strumento di validazione dei risultati delle simulazioni. Essa costituisce un vero e proprio ampliamento delle nostre capacità di ricerca, permettendoci di testare sistemi di controllo sempre più avanzati su hardware fisico reale, in un ambiente controllato ma rappresentativo delle condizioni operative effettive.

I dati sperimentali raccolti nel corso del monitoraggio annuale costituiscono una risorsa preziosa che supporterà il continuo perfezionamento dei nostri modelli di simulazione, creando un circolo virtuoso tra sviluppo teorico e validazione sperimentale. Questo approccio iterativo contribuirà allo sviluppo di soluzioni sempre più efficaci ed efficienti di gestione energetica, capaci di trasformare gli edifici in attori protagonisti della transizione energetica.

La combinazione di una valutazione rigorosa basata su simulazioni condotte in diversi contesti europei con prove pratiche su hardware reali posiziona questo lavoro come un contributo significativo e concreto verso il raggiungimento della neutralità climatica attraverso una gestione intelligente e ottimizzata dell'energia negli edifici.