Smart grid lo scenario tecnologico e brevettuale - Filippo Ghiraldo

Smart-Grid
Lo 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 SOLUZIONE
SMART 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 ataset -
No m e D ata set Sm art-g rid
Banca d ati u tilizzat a Tutte + D W P I
N o inv e nzioni (N o co dic i) 2391
No inv enzioni cod ice Y 02B 725
No inv enzioni cod ice Y 02E 13 99
No inv enzioni cod ice Y 02T 473
No inv enzioni cod ice Y 04S 11 35
N o C odici C PC (CPC 4 c arat te ri) 242 5 (146)
No inv enzioni cod ice Y 02B 9 5
No inv enzioni cod ice Y 02E 123
No inv enzioni cod ice Y 02T 7 1
No inv enzioni cod ice Y 04S 7 3
R ange T e m po rale
(Earlie st Priority Ye ar)
N azione di prim o dep osito
(Earlie st Priority Cou ntry)
N o T ito lari (no rm alizz ati) 1816
Azien d e 738
Un iversità e C ent ri d i Ric erca 164
En ti go v ernat iv i 49
In v ento ri Privati 865

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
68
52 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-4chrs
vs.
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
NoBrevetti

07/11/2014
Smart-Grid 41
Grazie dell’attenzione!
Filippo Ghiraldo
f.ghiraldo@innovazionesumisura.it

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