Smart grid lo scenario tecnologico e brevettuale - Filippo Ghiraldo

Smart-GridLo scenario tecnologico e brevettuale

Presentazione Sardegna Ricerche

Filippo Ghiraldo 07/11/2014

Obiettivo

Lo scopo della presentazione è:

� Spiegare brevemente cosa si intende per

� “smart-grid” (“rete intelligente”)

� “micro-grid”

� Presentare le tecnologie che compongono una

smart-grid

� Verificare la situazione brevettuale nel settore

“smart-grid”

Panoramica tecnologica e brevettuale

Smart-Grid 207/11/2014

Lo scenario tecnologicoLo scenario tecnologico

Panoramica tecnologica e brevettuale Smart-

Grid 307/11/2014

Le sfide per il sistema elettrico - 1

� L’attuale rete distributiva elettrica deve consentire anche

nel futuro (immediato) di rispondere alle esigenze globali

� di sicurezza energetica

� di crescita economica

� tenuto conto dei cambiamenti climatici in atto.



Crescita nei consumi elettrici tra il 2007-50 (Fonte: BLUE Map Scenario, IEA, 2010).

Le sfide per il sistema elettrico - 2

� L’obsolescenza delle attuali infrastrutture e l’elettrificazione di nuove

regioni mondiali

� La continua crescita nella domanda, particolarmente nei paesi a recente

industrializzazione

� La gestione dei picchi di consumo

� L’integrazione di un numero crescente di fonti di generazione variabili

rinnovabili e distribuite

� L’integrazione su vasta scala dei veicoli elettrici, una categoria di

“utilizzatori” del tutto nuova

� La necessità di migliorare il livello di sicurezza ed affidabilità delle

forniture elettriche

� La necessità di accelerare lo sviluppo di tecnologie a bassa emissione di

CO2

� Il problema della gestione di comunità o utenze isolate

� Criticità del sistema Italia che nel 2009 ha importato energia primaria

per l’85% del suo fabbisogno (media UE circa 53%)



La risposta alle sfide: la smart grid

� La reti intelligenti o smart grid comprendono una varietà di

tecnologie che si estendono lungo l’intero sistema elettrico

� dalla produzione, alla trasmissione fino all’utente finale

� Attraverso il coordinamento dei vari componenti ed i soggetti,

l’obiettivo è quello di ridurre al minimo le inefficienze

� Assicurare energia sostenibile, economica, sicura ed affidabile.

� Il coordinamento e l’integrazione sono resi possibili da sistemi

di comunicazione bidirezionale tra i diversi componenti

� in una rete tradizionale nella quale il flusso di comunicazione procede in

modo unidirezionale dalla generazione all’utenza



La rete del futuro (presente)



Nuovi attori per una “rete intelligente”

� La produzione da grandi impianti centralizzati tradizionali (i.e.

in continuo) è affiancata a piccoli impianti di generazione

rinnovabile gestiti da “prosumer”

� Una rete di sensori controlla in tempo reale lo stato della rete

adattandosi alle diverse tipologie e profili di domanda, anche

grazie all’impiego di elettrodomestici “smart”

� Sensori ed attuatori intelligenti consentono di intervenire

quando disturbi impongano il momentaneo scollegamento di

porzioni della

� Sistemi di storage consentono di immagazzinare energia da

utilizzare per mitigare inattesi picchi nella domanda;

� Micro-grid gestite con la stessa logica possono soddisfare le

esigenze di piccole comunità



I benefici delle smart-grid

Smart Grid

Abilita la partecipazione informata dai

clienti

Include tutte le opzioni di

generazione e stoccaggio

Abilita nuovi prodotti, servizi

e mercati

Qualità dell’energia in

linea con specifiche esigenze

Ottimizza l'uso delle risorse e

l'efficienza operativa

Fornisce resilienza ai

disturbi, attacchi e calamità naturali



Definizione di micro-grid

� Una micro-grid è un insieme di utenze e sorgenti di energia

che operano come un singolo sistema controllabile con lo

scopo di fornire energia elettrica e calore all’area locale.

� Una micro-grid può essere definita come un insieme di utenze

collegate tra loro che decidono di effettuare scelte comuni per

soddisfare i propri fabbisogni energetici, in modo di

massimizzare i benefici derivanti da un approccio “collettivo”.

� Possiamo dire che una micro-grid definisce una “Comunità

Energetica”

� Questo approccio “collettivo” è reso possibile da tecnologie

per la generazione distribuita di energia, per l’accumulo e la

gestione intelligente dei flussi energetici


Smart-Grid 1007/11/2014

Classificazione delle micro-grid

� Una micro-grid può avere due modalità di funzionamento:

� Autonomo (“off-grid”), in questo caso la micro-grid rappresenta

un sistema fisicamente isolato dalla rete elettrica pubblica o

principale;

� Non autonomo (“on-grid” o “grid-connected”), ovvero collegato

al sistema di distribuzione principale.


Smart-Grid 1107/11/2014

Un esempio di micro-grid


Smart-Grid 12

Il nuovo rifugio del Club Alpino Svizzero sul Monte Rosa

07/11/2014

Il rifugio contiene una micro-grid.

Possiede un’autosufficienza energetica pari al 90%.

Micro-grid vista come una rete a BT


Smart-Grid 1307/11/2014

Micro-grid vista come un alimentatore a BT


Smart-Grid 1407/11/2014

Micro-grid di una abitazione


Smart-Grid 1507/11/2014

Aree tecnologiche in una “smart grid”


Smart-Grid 1607/11/2014

Funzionigramma di una rete intelligente

FUNZIONALITÀ SOTTO-FUNZIONALITÀ SOLUZIONESMART GENERATION Comunicazione bidirezionale tra gli impianti di

produzione e la rete elettrica

Smart inverter

Automazione degli interventi di manutenzione sugli

impianti di produzione

Gestione aggregata/dis-aggregata degli impianti di

produzione

Sistemi di ottimizzazione

degli asset

Stabilizzazione della produzione da impianti

(soprattutto da tonti rinnovabili)

Sistemi di storage

SMART NETWORK Automazione della raccolta, elaborazione e

memorizzazione dei dati sullo stato della rete

Sistemi di controllo,

automazione e sensoristica

Ottimizzazione dei carichi della rete Demand Response

Management System (DRMS)

Automazione della raccolta, elaborazione e

memorizzazione dei dati sullo stato dei punti di

prelievo

Advanced Metering

Infrastructure (AMI)

Stabilizzazione della produzione da impianti

(soprattutto da fonti rinnovabili)

Sistemi di storage

SMART METERING & ACTIVE DEMAND

Automazione della lettura del profilo di consumo Advanced Metering

Infrastructure (AMI)Comunicazione bidirezionale con la rete di

distribuzione

Controllo automatizzato dei punti di consumo Home Management System

(HMS)

Stabilizzazione della interazione degli impianti da

fonti rinnovabili presso l’utenza (scambio sul posto)

Sistemi di storage


Smart-Grid 1707/11/2014

Componenti di una smart-grid

AREA TECNOLOGICA HARDWARE SISTEMI E SOFTWARE

1 Monitoraggio e controllo su vasta scala

Misuratori di fase (Phasor Measurement Units

PMU) ed altri sensori

Supervisory Control And Data Acquisition

(SCADA), Wide-Area Monitoring Systems

(WAMS), Wide-Area Adaptive Protection,

Control and Automation (WAAPCA), Wide Area

Situational Awareness (WASA)

2 Integrazione Information & Communication Technology

Sistemi di comunicazione (Power line carrier,

WIMAX, LTE, RF mesh network, cellular),

routers, relays, switches, gateway, computers

(servers)

Software dedicati per Enterprise Resource

Planning (ERP), e per Customer Information

System (CIS)

3 Integrazione di fonti rinnovabili e distribuite

Equipaggiamento per supportare la

comunicazione bidirezionale tra sistemi di

generazione e rete (power conditioning).

Hardware di controllo per la generazione e per

l’accumulo di energia

Energy management system (EMS),

distribution management system (DMS),

SCADA, Geographic Information System (GIS)

4 Sistemi di trasmissione evoluti

Sistemi di trasmissione mediante cavi a

superconduttori, FACTS, HVDC

Network stability analysis, automatic recovery

systems

5 Gestione della rete di distribuzione

Attuatori, switches e capacitori, controllo

remoto di sistemi di generazione ed accumulo

distribuiti; sensori per trasformatori, per cavi e

conduttori.

Geographic Information System (GIS),

Distribution Management System (DMS),

Outage Management System (OMS),

Workforce Management System (WMS)

6 Infrastrutture avanzate di misura

Advanced Metering Infrastructure, smart-

meter, in-home displays, server, relay

Meter Data Management System (MDMS)

7 Infrastrutture per la ricarica di veicoli elettrici

Infrastrutture per la ricarica, accumulatori,

inverter

Sistemi di fatturazione dell’energia,

metodologie “smart” per carica Grid-To-

Vehicle (G2V) e scarica Vehicle-To-Grid (V2G)

8 Sistemi CS (Customer-Side) Elettrodomestici intelligenti, router, display

domestici, sistemi domotici, accumulatori

termici, termostati intelligenti

Lavagne energetiche (“Energy dashboards”),

sistemi EMS/ HMS (Energy/ Home

Management System) applicazioni dedicate

per smart phones e tablets


Smart-Grid 1807/11/2014

Lo scenario brevettualeLo scenario brevettuale

Panoramica tecnologica e brevettuale Smart-

Grid 1907/11/2014

Il brevetto è una "ricetta tecnica” - 1

20

� Il brevetto è un documento

tecnico-legale

� Il brevetto descrive

un'invenzione

� L'invenzione è una soluzione

nuova ed originale ad un

problema tecnico.

� Il problema tecnico può

riguardare un:

� Un prodotto;

� Un processo produttivo

Il problema tecnico:come produrre una membrana per

proteggere le impalcature a bassi costi

con prefissate dimensioni, garantendo

elevati standard produttivi.



Il brevetto è una "ricetta tecnica” - 2


Smart-Grid 21

I contenuti della ricetta:

� La data di deposito

(quando ?)

� Il richiedente e

l’inventore (chi ?)

� Il riassunto e la

descrizione (cosa ?)

07/11/2014

Il processo di ricerca brevettuale

22

Individuazione dell'oggetto della ricerca

Immissione del termini per

l'oggetto della ricerca

Analisi e selezione dei

risultati ottenuti

Approfondimento ricerca (e.g. classi IPC, citazioni, etc.)

Creazione del database definitivo

Valutazione conclusiva

Affinamento ricerca con aggiunta di un

ulteriori termini

In tutti i casi il processo di ricerca è iterativo

07/11/2014


Smart-Grid

Criticità nella ricerca brevetti sulle smart-grid

� La smart-grid non rappresenta una tecnologia singola

� Come codificarla ? Ogni componente ha i suoi codici !

� La smart-grid è un insieme di tecnologie “trasversali”

� Il vantaggio tecnico ha natura “collettiva”

� Molte tecnologie (es. un sistema di metering) possono essere usate in modo autonomo

� Solo in combinazione con altre soluzioni diventano “smart”

� Non è detto che il concetto di “rete intelligente” sia dichiarato nel testo brevettuale

� Per giustificare la novità e l’inventività di un’invenzione sulle smart-grid

� Diverse soluzioni tecnologiche applicabili alle smart-grid sono state inventate molti anni fa e riscoperte solo recentemente

� Il collegamento tra invenzione e prodotto sul mercato può essere debole

� Esistono grandi player (es. ABB) con enormi portafogli brevetti

� Difficoltà di far emergere i brevetti veramente applicabili alle smart grid


Smart-Grid 2307/11/2014

Codici di classificazione e smart-grid

� Il sistema di classificazione CPC viene in soccorso per chi

vuole fare una ricerca sulle smart-grid

� Contiene dei codici specifici per classificare le tecnologie

“trasversali” e “verdi”:

� Y02: Technologies or applications for mitigation or adaptation

against climate change;

� Y04: Information or communication technologies having an

impact on other technology areas


Smart-Grid 2407/11/2014

Il Cooperative Patent Classification (CPC) è stata introdotto nel 2013. Fonde il sistema di europeo (ECLA) con quello americano (USPC)

Tecnologie “verdi” applicate alle costruzioni

� Y02B: INDEXING SCHEME RELATING TO CLIMATE CHANGE

MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS

� Y02B10 Integration of renewable energy sources in buildings

� Y02B20 Energy efficient lighting technologies

� Y02B30 Energy efficient heating, ventilation or air conditioning

[HVAC]

� Y02B40 Technologies aiming at improving the efficiency of home

appliances

� Y02B60 Information and communication technologies [ICT]

aiming at the reduction of own energy use

� Y02B70 Technologies for an efficient end-user side electric

power management and consumption

� Y02B90 Enabling technologies or technologies with a potential

or indirect contribution to GHG emissions mitigation


Smart-Grid 2507/11/2014

Tecnologie “verdi” per ridurre “effetto serra”

� Y02E: REDUCTION OF GREENHOUSE GASES [GHG] EMISSION, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR

DISTRIBUTION

� Y02E10 Energy generation through renewable energy sources

� Y02E20 Combustion technologies with mitigation potential

� Y02E30 Energy generation of nuclear origin

� Y02E40 Technologies for an efficient electrical power

generation, transmission or distribution

� Y02E50 Technologies for the production of fuel of non-fossil

origin

� Y02E60 Enabling technologies or technologies with a potential or

indirect contribution to GHG emissions mitigation

� Y02E70 Other energy conversion or management systems

reducing GHG emissions


Smart-Grid 2607/11/2014

Tecnologie “verdi” per i trasporti

� Y02T: CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO

TRANSPORTATION

� Y02T10 Road transport of goods or passengers

� Y02T30 Transportation of goods or passengers via railways

� Y02T50 Aeronautics or air transport

� Y02T70 Maritime or waterways transport

� Y02T90 Enabling technologies or technologies with a potential or

indirect contribution to GHG emissions mitigation


Smart-Grid 2707/11/2014

Tecnologie trasversali per il settore elettrico

� Y04S: SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL

POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE

� Y04S10 Systems supporting electrical power generation, transmission

or distribution

� Y04S20 Systems supporting the management or operation of end-user

stationary applications, including also the last stages of power

distribution and the control, monitoring or operating management

systems at local level

� Y04S30 Systems supporting specific end-user applications in the sector

of transportation

� Y04S40 Communication or information technology specific aspects

supporting electrical power generation, transmission, distribution or

end-user application management

� Y04S50 Market activities related to the operation of systems integrating

technologies related to power network operation and communication

or information technologies


Smart-Grid 2807/11/2014


Smart-Grid 2907/11/2014

ID D a tas et -

N o m e D ata se t S m a rt-g rid

B a nc a d a ti u t i li zz at a T utte + D W P I

N o in v e n zio n i (N o co d ic i) 23 9 1

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 02 B 72 5

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 02 E 13 9 9

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 02 T 47 3

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 04 S 11 3 5

N o C o d ici C P C (C P C 4 c a ra t te ri) 2 4 2 5 (1 4 6)

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 02 B 9 5

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 02 E 12 3

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 02 T 7 1

�� N o inv e nz ioni c od ic e Y 04 S 7 3

R a n g e T e m p o ra le

(Ea r lie st P r io r ity Y e a r )

N a z io n e d i p rim o d ep o sito

(Ea r lie st P r io r ity C o u n tr y)

N o T ito la r i (n o rm a lizz a ti) 18 1 6

�� Az ie n d e 7 38

�� U n iv e rs ità e C e nt ri d i R ic e rca 1 64

�� En ti go v erna t iv i 4 9

�� In v ento ri Priva t i 8 65

Trend temporale dei depositi brevettuali


Smart-Grid 3007/11/2014

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

ALL

Y02B

Y02E

Y02T

Y04S

Il picco delle “nascite” di nuove

invenzione è già stato raggiunto

nel 2012 e sembra registrarsi un

calo nei depositi brevettuali

Distribuzione brevetti per titolare


Smart-Grid 3107/11/2014

115

73

67

61

45

36

36

35

31

30

30

29

25

21

20

19

19

18

18

17

16

15

15

15

15

14

14

14

14

13

1079

267

93

548

0 200 400 600 800 1000 1200

LG ELECTRONICS INC

STATE GRID CORP CHINA

SIEMENS AG

HALL, KESLER, KURS ET AL.

ELECTRONICS&TELECOM RES INST

TOYOTA JIDOSHA KK

SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD

INT BUSINESS MACHINES CORP

WITRICITY CORP

SEMICONDUCTOR ENERGY LAB

CHUGOKU DENRYOKU KK

SHANGHAI MUNICIPAL ELECTRIC POWER CO

UNIV NORTH CHINA ELECTRIC POWER

ACCENTURE GLOBAL SERVICES LTD

KYOCERA CORP

ALTRI - AZIENDE (708)

ALTRI - ENTI GOV. (49)

Tipologia di innovatori


Smart-Grid 3207/11/2014

64%

20%

11%

5% Corporate

People

Academic

Government

Dove nascono le innovazioni


Smart-Grid 3307/11/2014

776

482 479

372

6852 49 45

11 11 9 8 5 4 3 3 3 11

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

US CN JP KR WO GB DE EP CA FR TW IN NL IT AT AU ES ALTRE (1

PAT)

Nazioni di “primo deposito” (earliest priority country)

56%33%

8%

3%0% 0% 0%

Asia

North America

Europe

PCT

Oceania

Africa

Middle East

Cosa si brevetta


Smart-Grid 3407/11/2014

1399

1135

725

717

473

251

229

206

152

117

101

78

67

59

48

41

37

33

30

29

381

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Y02E

Y04S

Y02B

H02J

Y02T

B60L

G06Q

H01M

H04L

G01D

G06F

G01R

G05B

H04W

H01L

H04B

H02M

H03H

F03D

H05B

ALTRI (126 Codici CPC)

Statistiche su tecnologie

più specifiche codificate

da codici a 8 cifre sono

riportate nel Capitolo III

del Report


Smart-Grid 3507/11/2014

# CPC DESCRIZIONE CPC CODES (4-CHRS)1399 Y02E Reduction of greenhouse gases [GHG] emission, related to energy generation, transmission or

distribution

1135 Y04S Systems integrating technologies related to power network operation, communication or IT for

improving the electrical power generation, transmission, distribution, management or usage

725 Y02B Indexing scheme relating to climate change mitigation technologies related to buildings

717 H02J Circuit arrangements or systems for supplying or distributing electric power; systems for storing electric

energy

473 Y02T Climate change mitigation technologies related to transportation

251 B60L Electric equipment or propulsion of electricallypropelled vehicles; magnetic suspension or levitation for

vehicles; electrodynamic brake systems for vehicles, in general

229 G06Q Data processing systems or methods, specially adapted for administrative, commercial, financial,

managerial, supervisory or forecasting purposes […].

206 H01M Processes or means

152 H04L Transmission of digital information

117 G01D Measuring not specially adapted for a specific variable; arrangements for measuring two or more

variables not covered in a single other subclass; tariff metering apparatus […]

101 G06F Electrical digital data processing

78 G01R Measuring electric variables; measuring magnetic variables

67 G05B Control or regulating systems in general; functional elements of such systems; monitoring or testing

arrangements for such systems or elements

59 H04W Wireless communications networks

48 H01L Semiconductor devices; electric solid state devices not otherwise provided for

41 H04B Transmission

37 H02M Apparatus for conversion between AC and/or DC, and for use with mains or similar power supply

systems; conversion of DC or AC input power into surge output power; control or regulation thereof

33 H03H Impedance networks

30 F03D Wind motors

29 H05B Electric heating; electric lighting not otherwise provided for

Descrizione dei “Top 20”codici CPC


Smart-Grid 3607/11/2014

Y02B (costruzioni)

Y02E (effetto serra)

Y02T (trasporti)

Y04S (trasversali elettriche)

Sono piuttosto legate le

une alle altre

Correlazione tra codici

# Records 725 1399 473 1135

# Records

CPC-4chrsvs.

CPC-4chrs

Y02B Y02E Y02T Y04S

725 Y02B 725 172 43 448

1399 Y02E 172 1399 261 471

473 Y02T 43 261 473 224

1135 Y04S 448 471 224 1135


Smart-Grid 3707/11/2014

Y02B (costruzioni)Y02E (effetto serra)Y02T (trasporti)Y04S (trasversali elettriche)

Approfondimento brevettuale sull’Italia

� Solo 4 invenzioni italiane trovate nella ricerca

� E’ bene precisare che queste famiglie non identificano

tutte le invenzioni brevettate in Italia

� Infatti attraverso le piattaforme di ricerca internazionali

vengono individuati:

� Tutti i titoli brevettuali italiani che sono stati estesi all’estero

� Molti titoli brevettuali italiani che non sono stati estesi all’estero

� La banca dati UIBM è lacunosa. Non sempre trasmette i

dati alle agenzie internazionali

� Per avere un quadro più completo della situazione in

Italia, abbiamo effettuato una ricerca dedicata su UIBM


Smart-Grid 3807/11/2014

Strategia di ricerca

� Sulla banca dati UIBM abbiamo cercato le invenzioni:

� Codificate con il codice IPC H02 (produzione, trasformazione e

distribuzione di energia elettrica);

� Avente nel titolo almeno una delle seguenti parole: smartgrid,

smart, grid, microgrid, intelligrid, smart, meter, smart, meter,

inverter, rete, bidirez, contatore;

� Avente data di deposito compresa tra 01/01/1980 e 24/10/2014.

� Complessivamente la strategia ha individuato 458

Invenzioni.

� Complessivamente sono stati selezionati 24 brevetti

concessi sulle smart-grid (o componenti per smart-grid)


Smart-Grid 3907/11/2014

Trend di deposito brevetti in Italia


Smart-Grid 4007/11/2014

20112010200920082007200620052004200320022001200019991998

No Brevetti 64104210100103

0

1

2

3

4

5

6

7

No

Bre

vett

i

07/11/2014


Smart-Grid 41

Grazie dell’attenzione!

Filippo Ghiraldo

[email protected]