Funzionamento sostenibile di sistemi multi-energetici sotto strategie cooperative e non cooperative

Perché è importante condividere energia pulita locale

Con l’aumento di abitazioni e imprese che installano pannelli solari sui tetti, batterie e piccole turbine eoliche, le nostre reti elettriche stanno cambiando silenziosamente. Invece che scorrere in una sola direzione da poche grandi centrali, migliaia di piccole “microreti” possono ora produrre, immagazzinare e scambiare energia. Questo studio analizza come queste microreti possano collaborare con il gestore locale in modi più intelligenti e equi—riducendo i costi, limitando gli sprechi e mantenendo la continuità del servizio, soprattutto considerando che gli edifici hanno anche bisogno di riscaldamento.

Dalla fornitura unidirezionale a un mercato di quartiere bidirezionale

Tradizionalmente, un unico operatore locale—chiamato distributore di sistema o DSO—compra elettricità dal mercato all’ingrosso e la rivende ai clienti. Nel mondo studiato in questo articolo, il DSO continua a fare da intermediario ma ora tratta con microreti basate su rinnovabili invece che con consumatori passivi. Ogni microrete raggruppa pannelli solari, turbine eoliche, piccoli motori, celle a combustibile, batterie e impianti di riscaldamento locale che servono un gruppo di edifici. Il DSO può anche produrre calore ed elettricità usando unità a cogenerazione, caldaie e accumuli termici, per poi vendere sia energia elettrica sia calore alle microreti. La domanda centrale è: come devono essere fissati prezzi e scambi energetici affinché l’utility realizzi profitto mentre le microreti mantengono bassi i loro costi?

Permettere alle microreti di trattare insieme

La maggior parte dei modelli precedenti assume che ogni microrete negozi separatamente con il DSO. Questo lascia molto potere al DSO: stabilisce prezzi diversi per ciascuna microrete e si concentra principalmente a soddisfare la domanda elettrica, relegando il riscaldamento a un ripensamento. Questo studio ribalta lo scenario permettendo alle microreti di cooperare. Quando le microreti formano una coalizione, possono confrontare offerte, scambiarsi energia e presentarsi unite al DSO. Gli autori costruiscono un modello matematico “a due livelli” in cui il DSO, al livello superiore, sceglie quanto comprare dal mercato all’ingrosso e come fissare i prezzi per le microreti, mentre le microreti, al livello inferiore, decidono come utilizzare i loro generatori locali, gli accumulatori e le possibili riduzioni di carico per minimizzare il costo giornaliero.

Aggiungere il calore al puzzle dell’energia pulita

Ciò che distingue il quadro proposto è il trattamento congiunto di calore ed elettricità. Gli edifici non hanno bisogno solo di energia per luci e apparecchi: richiedono anche acqua calda e riscaldamento degli ambienti. Fornire calore in modo efficiente può, a sua volta, modificare quanta elettricità è richiesta dalla rete. Il modello permette al DSO di scegliere quando avviare la caldaia, quando far funzionare unità a cogenerazione che producono sia calore sia elettricità e quando caricare o scaricare accumuli sia elettrici sia termici. Coordinando queste scelte con i prezzi in tempo reale per le microreti, il sistema può sfruttare meglio le rinnovabili, evitare l’uso inutile di combustibile e ridurre l’“energia non fornita”—i periodi in cui la domanda non può essere completamente soddisfatta.

Cosa succede quando le microreti si alleano

Gli autori testano il loro approccio su una rete di distribuzione di esempio con un DSO e quattro microreti rinnovabili, ciascuna con mix diversi di solare, eolico, celle a combustibile e microturbine, oltre ai propri profili di domanda per potenza e calore. Prima esaminano il caso non cooperativo, in cui le microreti possono solo acquistare dal DSO. Poi consentono la cooperazione, così le microreti possono commerciare tra loro e comportarsi come un unico acquirente più grande nei confronti del DSO. I risultati sono impressionanti: la cooperazione riduce i costi operativi delle microreti di circa il 9% e diminuisce l’energia non servita di oltre un terzo. Per restare competitivo, il DSO è costretto ad abbassare i prezzi al dettaglio rispetto al caso non cooperativo, specialmente nelle ore di maggiore domanda in cui le microreti altrimenti potrebbero fare maggior affidamento sulle proprie risorse o su quelle dei vicini.

Mercati resilienti in condizioni di prezzi variabili

Lo studio esplora anche il comportamento del sistema quando i prezzi dell’elettricità all’ingrosso sono incerti. Utilizzando una gamma di scenari di prezzo possibili e un’impostazione robusta del “peggiore caso”, gli autori mostrano che la cooperazione avvantaggia costantemente le microreti, anche quando l’energia dalla rete più ampia diventa più cara. In condizioni più difficili, il profitto del DSO si riduce perché deve pagare di più per l’elettricità ma non può alzare troppo i prezzi al dettaglio senza perdere clientela a favore della generazione locale e degli scambi peer-to-peer tra microreti. Ciò suggerisce che favorire le comunità energetiche locali può rendere il sistema complessivo più flessibile e meno vulnerabile agli shock dei prezzi.

Cosa significa per gli utenti energetici di tutti i giorni

Per i non specialisti, la conclusione è semplice: quando piccoli sistemi di energia pulita nei quartieri possono condividere energia e negoziare insieme, tutti—tranne il venditore monopolista—tendono a trarne vantaggio. Famiglie e imprese possono vedere bollette più basse e meno interruzioni; l’utility locale continua a guadagnare ma deve offrire prezzi più ragionevoli; e il sistema energetico nel suo insieme usa combustibile e apparecchiature in modo più efficiente, anche per il riscaldamento. Con l’aumentare dei pannelli solari, delle batterie e dei controlli intelligenti installati, modelli come quello presentato in questo articolo indicano un futuro in cui la cooperazione locale sarà altrettanto importante quanto il nuovo hardware per costruire una rete energetica più pulita e affidabile.

Citazione: Karimi, H. Sustainable operation of multi-energy systems under cooperative and non-cooperative strategies. Sci Rep 16, 6177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36536-9

Parole chiave: microreti, energie rinnovabili, mercati dell'energia, teleriscaldamento, scambio di energia peer-to-peer