La crescente richiesta mondiale di energia elettrica e la scarsità di risorse energetiche stanno portando allo sviluppo di tecnologie che permettono l'ottimizzazione della gestione dell'energia, adottando nuove politiche per la generazione, per la distribuzione e l'utilizzo. L'insieme di queste tecnologie prende il nome di smart grid. Lo smart meter, contatore elettronico intelligente, assume un ruolo chiave in questo contesto grazie alla capacità di telecontrollo e telelettura da remoto, Amr (Automatic meter reading) e Ami (Advanced metering infrastructure). Uno dei maggiori vantaggi dell'Amr/Ami è la capacità di utilizzare i dati di consumo acquisiti da remoto con la telelettura, per fare delle analisi strategiche creando dei modelli di richiesta dell'energia e stabilendo o stimando quali sono i picchi di consumo energetico globale e parziale, per ogni singolo utente ed eventualmente aggiornare i parametri di tariffazione in funzione delle fasce orarie in base al tipo di contratto. In questo modo il fornitore di energia può creare una tabella dinamica dei consumi, in funzione del carico totale della rete e del consumo del singolo consumatore al fine del bilanciamento della rete di distribuzione e prevenire eventuali interruzioni dell'erogazione dell'energia. Parallelamente, i consumatori potranno essere consapevoli dei propri consumi e pianificarli in modo più intelligente rispetto al passato al fine di beneficiare delle tariffe ridotte offerte dai vari fornitori di energia. Il fornitore di energia ha anche la possibilità di monitorare e controllare, tramite il telecontrollo da remoto, il contatore elettronico di ogni singolo utente in tempo reale, rispettando la sicurezza e la riservatezza dei dati, al fine di abilitare e disabilitare la fornitura di energia in modo selettivo, eseguire la diagnostica da remoto, rilevare eventuali guasti o frodi e conseguentemente ridurre al minimo il numero degli interventi tecnici degli operatori specializzati in loco. Esistono diversi mezzi di comunicazione che permettono di implementare questo scambio di informazioni tra dispostivi remoti, per rendere l'approvvigionamento di energia più efficiente e sicuro. Il più utilizzato nell'implementazione nei contatori elettronici di energia elettrica “intelligenti" è il Plc (Power line communication). Il Plc utilizza la rete elettrica tradizionale, a 230 V, per trasferire dati, utilizzando una modulazione digitale. In alternativa, è possibile utilizzare mezzi di comunicazione di tipo wireless (senza fili), a radio frequenza, per collegarsi con il concentratore locale, che comunica con il fornitore di energia utilizzando una connessione dati, per esempio Gprs/Umts. Lo smart energy metering è oggi una realtà in molti paesi nel mondo. In particolare, per quanto riguarda la telelettura dei contatori elettronici di energia elettrica, l'Italia detiene il primato a livello mondiale, infatti ad oggi sono stati installati più di 33 milioni di contatori elettronici di energia elettrica “intelligenti”, basati su i dispositivi Plm (Power line modem) di STMicroeletronics. All'interno di questo contesto, ST, oltre a essere un fornitore di componenti elettronici a largo spettro con un ampio portafoglio prodotti (che spaziano dall'analogico, ai sensori, ai dispositivi di potenza, ai microcontrollori, ecc...), ha saputo creare con i propri clienti dei rapporti di collaborazione che sfociano in soluzioni e progetti che rappresentano sia lo stato dell'arte, sia l'innovazione nel campo applicativo delle smart grid, in generale, e dello smart metering, in particolare.
Le esigenze del gas metering
Se nelle reti elettriche il concetto di smart grid è ormai abbastanza comune e alcune delle tecnologie chiavi a esso associate sono sufficientemente diffuse, nelle reti gas invece, la situazione, sia dal punto di vista tecnologico che di infrastrutturazione, è ancora abbastanza prematura. Esistono però delle esigenze che spingono a intravedere anche per la distribuzione del gas, un'importanza crescente delle tecnologie associate allo smart metering. Infatti, la direttiva sull'efficienza degli usi finali dell'energia e i servizi energetici (2006/32/CE) prevede la maggior efficienza tramite l'applicazione diffusa di innovazioni tecnologiche efficienti sotto il profilo costi/benefici. In questo contesto si è inserito il provvedimento dell'Autorità per l'energia elettrica e il gas (ARG/gas 155/08) che ha imposto una forte accelerazione nella sostituzione degli apparati di misura installati sulla rete di distribuzione del gas, avviando un processo significativo di innovazione tecnologica nel comparto della misura, utile per la competitività e per la liberalizzazione dell'intero sistema. Ci sono più di 400 milioni di contatori del gas meccanici in tutto il mondo e i maggiori fornitori di gas si preparano a sostituire gradualmente i loro contatori tradizionali con soluzioni elettroniche più precise, affidabili e intelligenti. Il telecontrollo del contatore elettronico del gas prevede una rete di collegamento a breve raggio tra i contatori elettronici del gas e il concentratore locale, che raccoglie le informazioni da tutti i contatori del gas e li spedisce periodicamente al fornitore di energia utilizzando una connessione dati. Il collegamento tra i contatori del gas ed il concentratore può essere di tipo cablato o di tipo senza fili, utilizzando diverse tipologie di rete, come per esempio lineare o a stella. L'interoperabilità tra reti elettriche e reti gas sembra essere un requisito essenziale per un'evoluzione equilibrata del sistema. Quindi, lo scambio di informazioni su queste reti avviene utilizzando protocolli di comunicazione standard, uno dei protocolli più conosciuti in quest'ambito è il M-Bus (Meter Bus). Il protocollo M-Bus è uno standard, per la telelettura e il telecontrollo, basato sulla normativa europea, che utilizza una connessione cablata basata normalmente sul doppino intrecciato. Una variante wireless del protocollo M-Bus, è rappresentata dal Wireless M-Bus (W M-Bus), operante nelle bande Ism/Srd (169 MHz, 433 MHz o 868 MHz).
Questo standard è stato progettato per ridurre al minimo il consumo di corrente elettrica sul contatore elettronico del gas, alimentato a batteria, e quindi specifica diversi modi di funzionamento per bilanciare prestazioni e consumi, variando la potenza massima da trasmettere in funzione della sensibilità di ogni ricevitore. Il protocollo Wireless M-Bus supporta la comunicazione, unidirezionale/bidirezionale, crittografata con il concentratore, utilizzando l'algoritmo Aes-128 Ctr, al fine di assicurare la sicurezza dei dati.
Una soluzione per il Wireless-M-Bus
STMicroelectronics ha sviluppato una versione del protocollo Wireless-M-Bus utilizzando il nuovo ricetrasmettitore Spirit1 RF sub-1 GHz e il microcontrollore a basso consumo STM32L1, basato su core Arm Cortex-M3. Nello scenario della smart grid, Il contatore del gas è un sistema elettronico alimentato a batteria, che deve avere una durata tra i cinque e i dieci anni. La famiglia di microcontrollori di ST EnergyLite, 8-bit (STM8L) basato su core proprietario a 32-bit (STM32L) basato su core Arm Cortex M3, è in grado di fornire alte prestazioni combinate con bassissimi consumi. Infatti, si basa su una tecnologia di processo proprietaria di ST a 130 nm con ultra-low-leakage, combinata a funzioni sviluppate specificatamente per applicazioni a ridotto consumo, come ad esempio il Dynamic Voltage Scaling, che permette di variare la tensione di alimentazione interna, per bilanciare le prestazioni con i consumi, in run-time. La serie STM32Lx offre un ampio portafoglio di dispositivi, con package da 48pin a 144pin e memoria Flash fino a 384 KByte, offrendo diverse periferiche integrate come Adc, comparatori, timer e la capacita di pilotare un lcd a segmenti, senza utilizzare un controllore dedicato. Lo Spirit1 è un ricetrasmettitore RF, anch'esso ad alte prestazioni e bassissimo consumo di corrente, con sensibilità fino a -120 dBm. È progettato per funzionare alle frequenze di 169, 315, 433, 868, e 915 MHz e supportare le modulazioni digitali 2-Fsk, Gfsk, Msk, Ook, e Ask. La velocità di trasmissione è programmabile fino a 500 kbps e dipende dalla modulazione selezionata. Il “power managment” integrato, insieme a particolari caratteristiche del dispositivo, permette di ridurre drasticamente il consumo di energia: 9 mA in ricezione e 21 mA in trasmissione (a +11 dBm). Il dispositivo Spirit1 inoltre supporta il frequency hopping, l'antenna diversity, la crittografia Aes-128 e implementa internamente il livello Phy del protocollo Wireless M-Bus.
Sensore di flusso in tecnologia Mems
STMicroelectronics e Omron stanno collaborando per un sensore di flusso, basato su tecnologia Mems per applicazioni smart gas meter. Questo sensore di gas ha ridotti consumi, alta precisone e affidabilità rispetto ai classici sensori tradizionali e incorpora un meccanismo brevettato innovativo di compensazione automatica che dà informazioni sulla qualità del gas. In questo scenario, ST offre una soluzione dimostrativa per il smart gas meter, basata principalmente su prodotti ST, che utilizza il sensore di gas Omron/ST a supporto degli sviluppi dei clienti interessati. Come protocollo di comunicazione con il concentratore è fornito il Wireless M-Bus, con relativi esempi applicativi in differenti modalità. Il Motion Mems è utilizzato per implementare funzioni avanzate quali ad esempio la sicurezza (distacco automatico nel caso di terremoti) e anti-frode (distacco automatico nel caso di rilevazione di manomissioni meccaniche del contatore elettronico del gas).
