La transizione energetica si gioca sui fili della rete elettrica e sulla capacità di innovazione. Il passaggio dai combustibili fossili alle fonti rinnovabili richiede un aumento della domanda di elettricità, nell’elettrificazione dei consumi, e un maggior contributo di fotovoltaico ed eolico. Tutto questo mette a dura prova le reti elettriche. Ed è qui che entrano in gioco le tecnologie smart grid, perché possono gestire questa transizione, “ridurre la necessità di nuove e costose infrastrutture e migliorare la resilienza e l’affidabilità della rete”.
A riportarlo è l’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA), che proprio in questi giorni ha pubblicato un documento di analisi sull’attività brevettuale legata alle soluzioni tecnologiche riguardanti le reti intelligenti.
Le smart grid sono infrastrutture strategiche, che hanno bisogno, però, di un adeguato sviluppo. Per questo la IEA auspica che su di esse vengano stanziati importanti investimenti, che dovranno più che raddoppiare entro il 2030 – dagli attuali circa 300 miliardi di dollari l’anno a quasi 600 miliardi di dollari l’anno – per essere in linea con lo scenario Net Zero entro il 2050.
La smart grid è una combinazione tra infrastrutture di rete e tecnologie digitali, un sistema integrato di reti elettriche e ICT. Nasce con la finalità “di monitorare e gestire il trasporto di elettricità da tutte le fonti di generazione per soddisfare le diverse richieste di elettricità degli utenti finali”, come spiega la stessa Agenzia internazionale per l’Energia.
È bene evidenziare, a questo punto, quanto la rete elettrica abbia bisogno di essere modernizzata. Oltre il 70% della rete elettrica USA ha più di 25 anni (Fonte: DoE); il 40% delle reti di distribuzione elettrica europee ha più di 40 anni (Dato: Commissione UE).
Ben vengano, quindi, le tecnologie smart grid, per riuscire a gestire una progressiva elettrificazione dei consumi che, dal riscaldamento domestico alla mobilità, necessita di contare su un apporto sempre più sensibile di energia elettrica.
Rystad Energy, guardando agli Stati Uniti, prevede che già solo i veicoli elettrici e i data center aggiungeranno 290 TWh di nuova domanda entro il 2030. Se l’anno scorso, il consumo di elettricità nel settore dei trasporti è stato pari a 18,3 TWh, entro il 2030 si prevede che salirà a 131 TWh.
In Europa non andrà meglio: come ha avuto modo di scrivere l’autunno scorso il Commissario europeo per l’Energia, Kadri Simson, sul Financial Times. Nel 2022, l’UE ha assistito a un’impennata record di energia eolica e solare. Sono state vendute tre milioni di pompe di calore. Quasi un’auto nuova su quattro è ora elettrica.
A tutto questo scenario si aggiunge la necessità di rendersi sempre più indipendenti dal gas russo e creare uno scenario di sicurezza energetica e di autonomia che non può prescindere dalle fonti rinnovabili. Da qui la necessità per l’Europa di investire 584 miliardi di euro nelle proprie reti entro il 2030. La stessa Commissione UE si è inoltre impegnata a migliorare l’accesso ai finanziamenti per i progetti di rete, puntando, in particolare sulle reti intelligenti.
Perché possano assolvere al loro compito, le tecnologie smart grid devono essere capaci di rispondere alle necessità e alle complessità che la rete richiede. Per questo c’è bisogno che siano affidabili e siano al passo con l’evoluzione. A tale proposito, operano ricerca e innovazione, anche sotto forma di nuove idee e invenzioni che possono trasformarsi in brevetti.
Ed è sul quadro brevettuale che si focalizza il documento pubblicato da IEA, “A Global Review of Patent Data for Smart Grid Technologies”, basato sull’analisi del database dei brevetti PATSTAT dell’Ufficio europeo dei brevetti (EPO).
Per comprendere meglio il grado di innovazione nel campo delle reti intelligenti, vale la pena delinearne l’andamento, analizzando le famiglie di brevetto internazionali (IPF – l’insieme delle domande di brevetto depositate in più Paesi per proteggere la stessa invenzione), nella specifica categoria dedicata alle smart grid.
Dopo un picco di innovazione nel 2011, con duemila invenzioni uniche prodotte, che rappresentavano l’11% delle innovazioni del settore energetico, si è assistito a un declino e a un recente incremento della quota di innovazioni sulle tecnologie smart grid, che ha registrato un +13% nel 2022, allineandosi con la traiettoria dello scenario IEA Net Zero entro il 2050.
Tra il 2000 e il 2023 si sono registrati circa 16mila IPF a livello globale nei domini tecnologici associati alle reti intelligenti, costituendo lo 0,2% degli IPF totali in tutte le tecnologie. Nel periodo considerato, gli IPF corrispondenti alle tecnologie smart grid hanno rappresentato circa il 5% della categoria relativa al settore energetico.
Per quanto riguarda le tendenze nei principali gruppi di IPF delle reti intelligenti, IEA riporta che dal 2005 al 2011 si è verificata una forte crescita globale nell’innovazione delle reti intelligenti poiché è stato registrato un numero crescente di IPF.
“Il livello di innovazione si è stabilizzato o è diminuito dal 2011, a seconda della tecnologia della rete intelligente. Dal 2000 al 2005 l’innovazione delle reti intelligenti nei tre gruppi principali ha seguito la stessa traiettoria di crescita. Da allora l’innovazione delle reti intelligenti è stata più forte nelle applicazioni per gli utenti finali, generando più IPF rispetto alle altre due categorie dal 2008 al 2014”.
Dal 2020 al 2021 si è osservato un picco nella quota di IPF delle reti intelligenti che coinvolgono sistemi che supportano la generazione di energia elettrica, la trasmissione o distribuzione. Questa categoria rappresenta il 40% del totale degli IPF smart grid registrati in questo periodo.
Più nello specifico, la categoria “Sistemi a supporto della generazione, trasmissione o distribuzione di energia elettrica” ha rappresentato la quota maggiore del conteggio totale dell’IPF durante il periodo di analisi più recente (2020-2021).
Negli ultimi dieci anni, due tecnologie di rete intelligente hanno contribuito maggiormente all’innovazione in questa categoria: “Apparecchiature di monitoraggio o controllo per unità di generazione di energia” e “Sistemi o metodi di supporto al funzionamento o alla gestione della rete elettrica”. Nel 2020 queste tecnologie hanno raggiunto rispettivamente il 19% e il 22% del totale delle registrazioni di brevetti smart grid.
Sempre a proposito di attività brevettuale sulle tecnologie smart grid, il documento riporta anche i contesti geografici dove si è registrata la maggiore attività In Asia orientale si è concentrata oltre la metà dell’innovazione delle reti intelligenti nel periodo 2017-2021; dal 2007 ha mantenuto la prima posizione rispetto ad altre regioni. Il Nord America e l’Europa occidentale si spartiscono le restanti quote di IPF.
Un quarto delle famiglie di brevetto internazionali sulle reti intelligenti registrati negli ultimi dieci anni proveniva da inventori residenti in Giappone e quasi un quarto da inventori residenti negli Stati Uniti. La metà delle registrazioni rimanenti è frutto degli inventori della Cina, della Germania e della Corea del Sud.
Se si considera poi l’indice del vantaggio tecnologico rivelato (RTA), che segnala la specializzazione del paese nell’innovazione delle reti intelligenti rispetto alla sua capacità di innovazione complessiva, negli anni più recenti considerati (in particolare tra 2016 e 2021), la Svizzera e il Canada sono emersi come più specializzati nell’innovazione delle reti intelligenti rispetto al resto del mondo.
In particolare, il Paese elvetico, con un RTA di 2,4, si è evidenziato come il più specializzato nella categoria “Innovazioni complementari a sostegno della digitalizzazione del settore energetico”. Nella stessa categoria si fa notare anche l’Italia, con il terzo valore più alto tra i 12 Paesi al mondo più avanzati per livello di specializzazione nella innovazione.
Quello che colpisce è il ruolo delle città in questa attività inventiva. Oltre il 40% dell’innovazione nelle smart grid avviene in dieci città in tutto il mondo. Dal 2000 al 2022, le sei città o aree principali di innovazione sono Tokyo, Seul, Pechino, Nagoya, Norimberga e la Baia di San Francisco.
La motivazione è chiara: in esse si concentrano società attive nel settore IT. A Tokyo (che conta duemila famiglie di brevetti internazionali tra il 2000 e il 2022), e più in generale nella regione asiatica, operano aziende di innovazione digitale come Toshiba, Fujitsu, Hitachi, Honda, Mitsubishi, NEC, Nishan Sony.
Norimberga, in Germania, ospita Siemens e il Centro di ricerca locale Huawei, specializzato in tecnologie di conversione e distribuzione dell’energia, soluzioni avanzate di propulsione per veicoli elettrici e algoritmo di potenza e tecnologia di connessione alla rete. L’area della Baia di San Francisco (che comprende Palo Alto, San Carlos e San Jose) ospita, tra gli altri, Tesla, PG&E, Schneider Electric e ChargePoint.
Oltre a esse, il documento menziona Monaco di Baviera (al primo posto in termini di occupazione nel settore delle tecnologie ICT) e sede di alcune delle migliori università tecniche, e Raleigh (sede della next generation Power Electronics Innovation Institute nella Carolina del Nord), che hanno entrambe svolto un ruolo importante nell’innovazione delle reti intelligenti.
