Gestire al meglio energia verde e risorse naturali: la chiave del nostro futuro! Parlare di energia verde, di fonti sostenibili e di economia più in generale è sempre molto difficile quando non si approfondisce od inquadra l’aspetto tecnico. Spesso si legge “Cambiare si può. Cambiare si deve!” ma il punto, per tutti coloro che intendano davvero percorrere questa strada, il vero nodo da sciogliere, è: “come?”. 

Quella di oggi è una discussione tecnica su alcuni tasselli fondamentali, alcuni passi imprescindibili in questa direzione. Gestire l’energia verde e la compatibilità energetica è diventato un imperativo categorico assoluto a livello globale, planetario. L’idea di implementare sistemi intelligenti e sfruttare le tecnologie wireless per migliorare l’utilizzo e l’efficienza energetica, insieme con lo sfruttamento, o meglio l’utilizzo, di nuove, più naturali e compatibili risorse energetiche è diventata una realtà pervasiva. E questo è successo nonostante l’indiscusso dominio sul mercato internazionale di tutte le grandi firme che si occupano di combustibili fossili ed energie nucleari. Tutto nasce, come da tradizione delle cose migliori, da un’idea relativamente semplice ovvero quella di realizzare un sistema intelligente embedded e di unire queste caratteristiche con un sistema di comunicazione integrati in un dispositivo per il metering. In questo modo sarebbe anche possibile avere accesso remoto ai dati per poterli analizzare ed utilizzare al meglio. Di un sistema così configurato e descritto prima, e sicuramente più ovvia applicazione, dovrebbe essere effettuato uno streaming dei dati. Tuttavia, attraverso questa semplice implementazione della comunicazione, è nato qualcosa di davvero potente: un network. E questo ha dato vita a poco meno che un’esplosione delle applicazioni e delle innovazioni, cambiando il modo in cui l’energia può essere misurata, valutata (soprattutto dal punto di vista economico) e, naturalmente, utilizzata. Come dicevamo in apertura, diverse sono le forme di energia che possono essere monitorate e controllate in un intero ecosistema che effettui Energy Metering. Tra queste ci sono gas, acqua, elettricità ma soprattutto energia termica. La misurazione delle informazioni può trovare spazio in applicazioni residenziali, commerciali ed anche industriali ed essa può essere periodica e, pertanto, sistemica. Leggere i valori dei consumi, delle produzioni, ad intervalli regolari, raccogliere i dati ed inviarli ad un provider specifico, crea una vera e propria rete di controllo virtuosa. Sebbene la possibilità di lettura automatica fornisca grandi svantaggi, ad oggi quello che si fa è implementare network two-ways che in futuro permetteranno agli individui ed a coloro che lavorano in questo settore di realizzare proprio quel lusso efficiente dell’energia che essi stessi consumano. Se pensiamo ai display in sistemi domestici, come nei termostati ad esempio, stiamo già ragionando sul più semplice di questi tool. Essi permettono già di realizzare un livello superiore di controllo ed il fatto che l’operatore possa essere anche un utente non qualificato in questo stesso campo è di per sé una possibilità. Un sistema two-ways connesso in network implementa un livello di controllo ulteriore che garantisce affidabilità proprio sulle variabili misurate.

Figura 1: un ipotetico sistema smart metering

TIPI DI UTILITY

Naturalmente per parlare di questo argomento è necessario analizzare dal sistema più semplice a quello più complesso. In un'accezione più ampia ci sono tre distinte categorie di dispositivi di misurazione e controllo: il primo riguarda l’elettricità, naturalmente, ed il suo scopo è quello di quantificare i consumi. Il secondo si riferisce a fluidi, pertanto viene impiegato nel controllo di consumi di gas, acqua, combustibili e via dicendo. La terza categoria ha lo scopo di racchiudere tutti i dispositivi che quantificano il consumo di energia termica. Per quanto riguarda i primi, le funzionalità possono essere identificate in due aree distinte: la metrologia ed i sottosistemi di comunicazione. Il requisito per la prima funzione dipende moltissimo dall’applicazione specifica. D’altronde non potremmo mai pensare che lo stesso sistema sia utilizzabile sia per un’utenza domestica sia per un impianto industriale. Non sono comparabili per necessità, carico di lavoro, dimensionamento ma soprattutto sistemi di sicurezza connessi. Inoltre un sistema industriale tipicamente lavora in trifase, cosa che in un'utenza domestica è completamente senza senso. Ma naturalmente anche la precisione con cui vanno misurati i consumi è totalmente differente. I consumi variano anche nel tempo, dal momento che un impianto industriale di notte certamente farà registrare un’attività completamente differente rispetto ad un’utenza domestica. In generale questi sistemi misurano la potenza elettrica consumata dall’utente, il fattore di potenza del carico ed il tempo di consumo al fine di realizzare multi- rate metering. Queste misure vengono effettuate con strumenti, tipicamente sensori, che fanno riferimento anche a diverse tecnologie e questo è principalmente dovuto al fatto che tra un sistema trifase ed un'utenza “normale” c’è grande differenza. Questi misuratori ottengono, tipicamente, la misura grazie ad un’alimentazione principale ma richiedono anche un generatore di supporto. Qui ci riferiamo alla possibilità di utilizzare batterie oppure super condensatori che mantengono l’impianto attivo soprattutto quando dovesse esserci un problema di alimentazione, un calo di tensione. Per comprendere quanto questo sia indispensabile, basti pensare agli ospedali: i sistemi di generazione ausiliari devono permettere all’intero impianto di essere funzionante sempre. Cosa accadrebbe se la corrente andasse via davvero durante un intervento? Sembra una considerazione tutto sommato banale ma occuparsi di queste cose e lavorare in questo settore insegna quanto queste non siano preoccupazioni infondate bensì criteri di selezione perfino del personale addetto al progetto. I gas meters o i water meters (che possiamo vedere nella figura che segue) sono generalmente alimentati a batteria ed implementano un controller che si interfaccia al sensore che effettua la misurazione. Vengono dotati di display e blocchi deputati alla comunicazione che di solito sono transceiver wireless o contactless più in generale. Spesso si utilizzano quelli che sono detti “positive displacement flow meters”, ovvero sistemi che misurano il numero di “volte” (per unità di volume) che il fluido si muove attraverso il sistema. Tutti abbiamo avuto a che fare con un contatore dell'acqua e sappiamo bene che il flusso scorre all’interno del tubo e che ciò che si frappone, permettendone comunque il passaggio allo scorrere del fluido stesso, è una valvola che ruotando incrementa il valore segnato. Piuttosto semplice, non trovate? Tuttavia questo principio non può essere rigidamente applicato ad ogni tipo di fluido perché il moto all’interno dei canali prestabiliti viene influenzato criticamente da un lato dalla pressione, dall’altro dalla viscosità del fluido. Come sappiamo i fluidi si muovono all’interno dei condotti secondo due possibilità distinte: moto laminare oppure turbolento. Che si verifichi una circostanza piuttosto che l’altra dipende dalla stratificazione del fluido e dagli attriti che al suo interno si verificano. Quando il fluido dovesse essere più viscoso è possibile implementare sistemi magnetici. Ciascuna rotazione viene convertita in un segnale elettrico, nel caso di sistemi intelligenti, è semplicemente accumulata in un registro contenuto nel controller embedded di cui abbiamo parlato in precedenza. Per quanto riguarda i fluidi meno viscosi, come nel caso del gas, potrebbe essere più semplice effettuare la misurazione dal momento che basterebbe un trasducer ad ultrasuoni. Ad ogni modo, indipendentemente dal “materiale” che venga misurato, è fondamentale che ci sia un basso consumo di potenza; questo risulta un parametro critico in tutti i sistemi, in realtà, specie perché l’alimentazione non può essere in alcun modo wireless! La terza classe di misuratori riguarda l’energia termica, come abbiamo avuto modo di specificare in precedenza. Misurare il calore significa riferire i valori di energia termica presenti non soltanto in prossimità di tutte le fonti e sorgenti di riscaldamento ma anche all’interno degli interi edifici e quindi valutarne ad esempio la funzionalità in termini di uniformità, che in questo caso finirà con l’essere sinonimo di efficienza. Naturalmente questo può riferirsi anche ad edifici che non hanno autonomia presso le singole unità abitative ma che sono dotati di impianti centralizzati. Questi sistemi di misura dovranno necessariamente essere in grado di misurare la quantità di calore che viene fornita agli ambienti in un dato periodo di tempo, dal momento che la necessità di riscaldare un appartamento non sarà del tutto compatibile con quella richiesta quando stiamo parlando di un ufficio o di un generico posto di lavoro. Ancora una volta, questo genere di soluzioni non potrà che essere alimentato a batteria e pertanto i sistemi dovranno risultare ottimizzati dal punto di vista del consumo di potenza anche in relazione all’interazione con il sistema complessivo. I sistemi che si occupano del thermal metering, in maniera tutt’altro che dissimile da quello che accade per acqua e gas, generalmente utilizzano sistemi integrati, microcontrollori, che misurano il flusso di calore e la temperatura per poi raccogliere i dati ed eventualmente inviarli all’host. Naturalmente i sistemi dovranno essere user friendly e questo significa che tipicamente saranno dotati di display. I blocchi di comunicazione, infine, completeranno, anche in questo caso, le caratteristiche funzionali dell’intero sistema. Quello che sarà anche utile valutare è il flusso di calore non soltanto dal punto di vista dell’immissione di aria calda all’interno dell’ambiente ma anche, e soprattutto, dal punto di vista di eventuali correnti d’aria che possano raffreddare l’edificio oppure il singolo ambiente. Queste rappresentano la principale fonte di perdita dell’intero sistema, almeno dal punto di vista dell’efficienza. Questo genere di informazioni dovrà pervenire da diversi ambienti, sarà trasmesso via wireless e, come dicevamo prima, comunicato al provider.

Figura 2: schema a blocchi di un sistema di misurazione di gas ed acqua

FUNZIONI DI MISURAZIONE

Dal momento che abbiamo chiarito quali sono le categorie di sistemi di misurazione, è il caso di analizzare anche quali sono gli scopi ed i tipi di misuratori, le loro funzioni in particolare.

• Misurazioni quantitative: queste variano a seconda del tipo di misuratore ma la funzione primaria di qualunque di questi sistemi è effettuare rilevazioni accurate al fine di quantificare una determinata variabile che nel tempo, verosimilmente, incrementerà. Questi sistemi di misura prevedono anche, come si sarà certamente intuito da quanto detto in precedenza, diverse tipologie che includono, tra gli altri, alcuni esempi significativi: sensori di temperatura, sensori di flusso, resistori di shunt, trasformatori ad isolamento, trasformatori di corrente e sistemi time-keeping.
• Controllo e calibrazione: questo genere di funzioni varia in maniera considerevole a seconda del tipo di sistema di cui stiamo parlando dal momento che la calibrazione, in particolare, sarà richiesta per compensare errori sistemici introdotti dagli strumenti. Chiunque abbia avuto a che fare con i multimetri digitali ed abbia avuto la possibilità di studiarli conosce bene gli errori sistemici come la non linearità integrale e differenziale, gli offset, gli errori di guadagno e così via dicendo. I sistemi che effettuano il controllo e la calibrazione possono anche essere utilizzati per svolgere funzioni specifiche in situazioni come interruzione di servizio ed altre.
• Comunicazioni: questa funzione può essere utilizzata per configurare parametri all’interno del misuratore e trasferire dati memorizzati ad un host seguendo, o meglio sfruttando, le caratteristiche di connettività che sono state implementate. Taluni sistemi godono anche della possibilità dell’aggiornamento del firmware tramite gli stessi protocolli.
• Power management: ai sistemi di misura occorre essere robusti, da intendersi come caratteristica progettuale, ed anche poco “esosi” in termini di consumo di potenza, soprattutto nel caso in cui si debba far fronte ad un calo di tensione o ad un’interruzione dell’erogazione di energia. Nelle applicazioni che non prevedono energia elettrica (misuranda), il power management resta comunque cruciale dal punto di vista del consumo di potenza per massimizzare la durata della batteria.
• Display: si tratta certamente del sistema di interfaccia più intuitivo ed utile per il dialogo con l’utente. Naturalmente esistono diverse soluzioni dalle più semplici (display a sette segmenti) alle più complicate (schermi LCD e LED). Altre possibilità sono display alfanumerici, display a matrice ed altri, anch’essi molto comuni.
• Sincronizzazione: la sincronizzazione temporale è un elemento cruciale perchè la trasmissione dei dati sia coerente ed affidabile. Ma non solo, dal momento che il sistema deve essere in grado di effettuare analisi sui dati (specie quando stiamo parlando di reti di sensori distribuite che hanno lo scopo di effettuare il controllo di ampi spazi oppure di ambienti molto complessi). In particolare, la sincronizzazione risulta un parametro cruciale per sistemi wireless distribuiti per esempio negli impianti industriali. I risultati dell’assenza di una sincronizzazione precisa sono pressoché imprevedibili; quello che è certo, però, è che l’analisi, di conseguenza, non potrà essere ritenuta affidabile.

VANTAGGI DEL BASSO CONSUMO DI POTENZA

A seconda delle applicazioni e del mercato di riferimento, i misuratori sono soggetti a requisiti di bassa potenza più o meno stringenti. Un esempio di questo è la misurazione ed il controllo delle acque sotterranee, specialmente quando si fa riferimento alle falde, che deve essere fatto una volta ogni vent’anni, o anche meno. Naturalmente questo numero deve essere riferito anche alla specifica area geografica ed al potenziale interesse che si ha nell’effettuare un controllo periodico anche in relazione ad eventi catastrofici; vengono in mente, naturalmente, i terremoti ma anche i disastri ambientali ed ogni genere di incidente che possa essere provocato dall’uomo oppure dalla sua attività (effettivamente stiamo proprio parlando di Fukushima!). Per questo genere di applicazioni, vengono utilizzate specifiche batterie al litio (ad esempio Li-SOCL2) che sono soggette a fenomeni di scarica in maniera davvero minima e questo permette a tali sistemi di raggiungere i requisiti in termini di longevità. Sfortunatamente questo genere di batterie può essere incredibilmente costoso se comparato con le loro alternative più “in voga”. E per tale motivo, a fronte della necessità di lavorare su questo genere di sistemi, l’analisi costi-benefici non potrà eludere tali considerazioni. Un tipico esempio di batterie Li-SOCL₂ misura “D” ha una capacità compresa tra i 16 ed i 19 Ah. Anche se parliamo di grandi volumi, non è irragionevole ipotizzare costi compresi tra i 50 ed i 75 cents/Ah. Tuttavia, quando ci riferiamo a sistemi che devono avere una durata di almeno vent’anni, le correnti associate allo steady-state non superano i 10 A. Così si avrà:

Naturalmente questi costi devono essere considerati nell’ottica del produttore: chi produce, anche in gran numero, i misuratori, di solito maneggia milioni di pezzi all’anno. Ecco per quale motivo lavorare sul basso consumo di potenza è davvero un investimento.

RENDIAMO LA SOLUZIONE INTELLIGENTE

Quando parliamo delle varie categorie di misuratori ci riferiamo a loro anche in relazione alle specifiche funzioni e non possiamo dimenticare che una serie di caratteristiche e di “abilità” devono essere considerate comuni. Lo abbiamo accennato in precedenza, quando abbiamo detto che la maggior parte di questi sistemi è dotata di microcontrollori ed unità centrali embedded. Sostanzialmente, quindi, una MCU si rende indispensabile per conferire “l’intelligenza” a questi sistemi. Nelle applicazioni di cui abbiamo parlato, i microcontrollori dovrebbero essere i primi componenti ad incontrare proprio quei bassi requisiti di consumo di potenza, così come dovrebbero essere dotati di funzionalità integrate come Real Time Clocks (RTCs), ADC ed interfacce di comunicazione. Naturalmente queste non sono le uniche caratteristiche, dal momento che abbiamo parlato dell’utilizzo di display LCD. Inoltre, esiste una tecnica per garantire l’affidabilità dei sistemi che è nota con il nome di ridondanza. È possibile utilizzarla “in serie” (come nell’esempio più classico delle tante ruote di un rimorchio per autotrasporti) oppure “in parallelo”. Di solito questo genere di soluzioni diventa sempre più indispensabile quanto più critica è l’applicazione. Il campo biomedicale, ad esempio, ma anche quello avionico specie con applicazione militare, è ricco di diversi esempi di soluzioni di questo tipo. Anche la crittografia potrebbe essere una caratteristica richiesta, specie per via del fatto che le comunicazioni wireless potrebbero richiedere un livello di sicurezza per proteggere dati sensibili. Ancora, è importante la velocità, e quindi la frequenza del clock, per garantire che il microcontrollore resti attivo per brevi periodi e che sia in grado di effettuare un numero di elaborazioni in breve tempo. Nello schema di Figura 3 l’Si102x/3x, una soluzione wireless che permette diversi gradi di integrazione, anche, e soprattutto, riguardo la connettività. I trasmettitori wireless, i ricevitori ed i transceivers stanno diventando sempre più di largo utilizzo all’interno dei sistemi e non soltanto di misura ma più in generale.

Figura 3: il sistema Si102x/3x

Le caratteristiche “chiave” sono relative alla sensibilità del ricevitore (tipicamente più alte di -118 dBm) ma anche una buona potenza in trasmissione, soprattutto senza che sia necessaria un’amplificazione (con valori tipici fino al 20 dBm). Non si tratta delle uniche caratteristiche, in realtà, ma di quelle base: quando il sistema diventa più complesso vengono richiesti anche sistemi di packet handling automatizzati, modulatori e così via dicendo. Sistemi come quelli che abbiamo visto in figura combinano i vantaggi della disponibilità delle funzioni del microcontrollore proprio con le funzionalità di connettività wireless e questo rende il sistema estremamente più versatile. Sistemi single-chip così complessi riducono certamente il costo complessivo del sistema anche semplicemente per il fatto che accorciano la Bill Of Materials (BOM). Ciò non garantisce di per sè che il costo della singola unità sia inferiore alla somma di tutti i costi di tutte le voci che sono state eliminate ma, ancora una volta, gestire grandi volumi di unità può permettere di raggiungere tale scopo. Tra i vantaggi che ci permettono di concludere che questo livello di integrazione sia la strada da perseguire per rendere ancora più funzionali i sistemi, c’è la possibilità di lavorare anche con prodotti cablati come modem per comunicazione di dati line-based, ma ci sono anche timing solutions per la sincronizzazione di rete e siccome abbiamo parlato di sicurezza non possiamo certamente tenere fuori tutti i dispositivi isolati, specialmente quando l’isolamento dovesse essere ottico e non galvanico. Man mano che i sistemi embedded diventano più intelligenti, più complessi e più capaci, è sempre più chiaro quanto le applicazioni diventino variegate. Sostanzialmente stiamo parlando di strumenti che guadagnano funzionalità nel corso del tempo fino a poter essere, se questa tendenza dovesse confermarsi, considerati addirittura general purpose.

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