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Capitolo 15 Smarthoods: Microgriglie integrate acquaponica

1. 15.1 Introduzione

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Il passaggio verso un sistema energetico pienamente sostenibile richiederà in parte il passaggio da un sistema centralizzato di generazione e distribuzione a un sistema decentrato, a causa dell'aumento delle tecnologie di generazione decentrata dell'energia che utilizzano la radiazione eolica e solare sul tetto. Inoltre, l'integrazione dei settori del calore e dei trasporti nel sistema elettrico comporterà un aumento molto significativo della domanda di picco. Tali sviluppi richiedono adeguamenti massicci e costosi all'infrastruttura energetica, mentre l'utilizzo degli attivi di produzione esistenti dovrebbe scendere dal 55% al 35% entro il 2035 (Strbac et al. 2015). Ciò rappresenta una sfida importante, ma anche un'opportunità: se i flussi energetici possono essere bilanciati localmente in microgrids, la domanda di costosi aggiornamenti infrastrutturali può essere ridotta al minimo, fornendo al contempo maggiore stabilità alla rete principale. Per questi motivi, «le microgriglie sono state identificate come un componente chiave della Smart Grid per migliorare l'affidabilità e la qualità dell'alimentazione e aumentare l'efficienza energetica del sistema» (Strbac et al. 2015).

   Le microreti possono fornire resilienza e flessibilità tanto necessarie, e sono quindi suscettibili di svolgere un ruolo importante nel sistema energetico del futuro. Si stima che entro il 2050 oltre la metà delle famiglie dell'UE produrrà la propria energia elettrica (Pudjianto et al. 2007). È quindi necessario sbloccare risorse flessibili all'interno delle microreti per bilanciare la generazione intermittente di energia rinnovabile.

   I sistemi agricoli urbani, come l'acquaponica (dos Santos 2016), possono fornire questa necessaria flessibilità energetica (Goddek e Körner 2019; Yogev et al. 2016). Le piante possono crescere all'interno di una vasta gamma di condizioni esterne, poiché sono abituate a farlo in natura. Lo stesso vale per i pesci in un sistema di acquacoltura, che può prosperare in un ampio intervallo di temperatura. Queste condizioni operative flessibili consentono un effetto buffering sui requisiti di energia in ingresso, creando un ampio grado di flessibilità all'interno del sistema. L'elevata massa termica incorporata nel sistema di acquacoltura consente di immagazzinare grandi quantità di calore all'interno del sistema. Le luci possono essere accese e spente a seconda dell'abbondanza di elettricità, consentendo di ridurre sostanzialmente la produzione di elettricità in eccesso trasformandola in biomassa preziosa. Le pompe possono essere azionate in sincronia con i tempi di generazione di potenza di picco (es. mezzogiorno) per limitare la potenza netta di picco (rasatura di picco). Le unità di distillazione ottimali (cap. 8) hanno anche una domanda di calore molto flessibile e possono essere disattivate non appena c'è un eccesso di fornitura di calore o elettricità (cioè la pompa di calore convertirebbe l'energia elettrica in energia termica). Tutti questi aspetti rendono i sistemi aquaponici adatti a fornire flessibilità a una microgriglia.

   Oltre a fornire flessibilità nel consumo, un sistema acquaponico multi-loop può essere ulteriormente integrato per fornire anche flessibilità nella produzione. Il biogas è prodotto come sottoprodotto dall'UASB nell'impianto acquaponico. Questo biogas può essere bruciato per produrre sia calore che energia, incorporando un micro-cogenerazione nella microgriglia. L'integrazione di sistemi aquaponici all'interno delle microgriglie può quindi aumentare la flessibilità energetica sia sul lato della domanda che dell'offerta.

2. 15.2 Il concetto di smarthoods

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Per sfruttare appieno il potenziale del nesso cibo-acqua-energia rispetto alle microreti decentralizzate, un approccio completamente integrato si concentra non solo sull'energia (microgrid) e sugli alimenti (acquaponica), ma anche sull'utilizzo del ciclo idrico locale. L'integrazione di vari sistemi idrici (come raccolta delle acque piovane, stoccaggio e trattamento delle acque reflue) all'interno di microreti integrate acquaponiche produce il maggiore potenziale di efficienza, resilienza e circolarità. Il concetto di una microgriglia alimentare-acqua-energia completamente integrata e decentrata sarà da ora in poi definito un Smarthood (quartiere intelligente) ed è illustrato in Fig. 15.2.

   Il vantaggio dell'implementazione dell'acquaponica nel concetto di Smarthoods è il suo potenziale per contribuire all'ottimizzazione dei flussi integrati di nutrienti, energia e acqua (Fig. 15.1). Questo potenziale di integrazione va ben oltre il già citato

   Il nesso cibo-acqua-energia

   30% della domanda energetica globale viene utilizzato per l'agricoltura Il 70% della domanda globale di acqua dolce viene utilizzato per l'agricoltura

   

   Fig. 15.1 Il nesso cibo-acqua-energia mostra l'interazione tra energia, acqua e produzione alimentare (basato su IRENA 2015)

   img src="media/image-20201002190013698.png» alt="Sistemi acquaponici disaccoppiati in uno smarthood» style="zoom: 67%;»/

   Fig. 15.2 Integrazione di sistemi acquaponici disaccoppiati (come descritto in cap. 8) in un ambiente locale decentrato progettato per il concetto di Smarthoods. Le frecce verdi indicano fino a che punto un sistema acquaponico può interagire con il sistema generale. Le frecce rosse rappresentano i flussi di calore, le frecce blu scorre l'acqua e le frecce gialle flussi di potenza

   incroci tra i sistemi energetici e alimentari. Ad esempio, i flussi di rifiuti biodegradabili che si verificano possono essere trattati in reattori anaerobici (ad esempio UASB) e generare biogas e biofertilizzanti (Goddek et al. 2018). Anche i fanghi demineralizzati possono essere utilizzati come letame liquido sulle superfici coltivate convenzionali.

   img src=» https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom: 75%;»/

   Fig. 15.3 Foto illustrata di De Ceuvel (fonte: Metabolic — www.metabolic.nl)

   Esempio 15.1

   Un primo esempio di sviluppo urbano integrato di microgrid acquaponica è De Ceuvel, un cantiere navale precedentemente abbandonato ad Amsterdam-Nord che è stato trasformato in un autosufficiente spazio ufficio e centro ricreativo. De Ceuvel funge da banco di prova per nuove tecnologie e politiche volte a creare un'economia circolare. Dispone di una microgriglia completamente elettrica che include fotovoltaico solare, pompe di calore e scambio di energia peer-to-peer sulla blockchain utilizzando il proprio token energetico: Jouliette ¹. Una piccola struttura acquaponica produce erbe e verdure per il ristorante in loco. Lo stesso ristorante utilizza biogas estratto da rifiuti organici di produzione locale per le loro attività di cucina e per il riscaldamento degli ambienti. Inoltre, è presente un laboratorio che viene utilizzato per testare la qualità dell'acqua ed estrarre fosfati e nitrati.

   Sebbene De Ceuvel non stia attualmente utilizzando attivamente l'impianto acquaponico per aumentare la flessibilità della sua microgriglia, vengono installati sensori per monitorare i flussi di energia e nutrienti al fine di valutarne le prestazioni. Questi dati saranno utilizzati per aiutare lo sviluppo di microgriglie acquaponiche integrate più nuove e più intelligenti, come il concetto di Smarthoods proposto in questo capitolo. I casi d'uso precoce riscontrati in laboratori urbani come De Ceuvel sono essenziali per lo sviluppo di successo del concetto di Smarthoods (Fig. 15.3).

   Sebbene un approccio olistico ai sistemi FWE urbani come i concetti di Smarthoods produca molti vantaggi, l'integrazione dei sistemi acquaponici all'interno delle microgrids rimane molto dipendente dai casi. I sistemi di produzione alimentare Aquaponic sono caratterizzati da una maggiore resa e da un minore impatto idrico, nutriente ed energetico rispetto ai sistemi agricoli convenzionali; tuttavia, sono anche più costosi da costruire. Sono quindi più adatti in luoghi che richiedono rese elevate a causa, ad esempio, delle limitazioni di spazio. Nelle aree urbane dense, potrebbe non esserci sempre spazio sufficiente per costruire una struttura acquaponica, mentre per le zone rurali il costo del terreno potrebbe essere troppo basso per giustificare la costruzione di una struttura acquaponica all'avanguardia; una struttura agricola standard con costi di finanziamento e rendimenti inferiori sarà più adatta in tali aree casi. Il caso d'uso più ottimale per un impianto acquaponico integrato è quello in cui è disponibile spazio sufficiente ed è necessario un rendimento elevato per superficie per compensare il costo dell'uso del suolo. I quartieri suburbani e le altre aree urbane (ad esempio un magazzino abbandonato) sono quindi più probabile che la prima realizzazione di microgrids sia integrata con un impianto acquaponico (cfr. esempio 15.1).

   Footnotes

   1. https://www.joulitte.net ↩

3. 15.3 Gol

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   L'obiettivo di questa ricerca è quantificare il grado di autosufficienza e flessibilità per una microgrid integrata con un sistema acquaponico multiloop disaccoppiato.

4. 15.4 Metodo

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   Un quartiere di 50 famiglie è stato assunto uno «Smarthood», con una struttura acquaponica multiloop disaccoppiata presente che è in grado di fornire pesce e verdure a tutti i 100 abitanti dello Smarthood.

   Per la modellazione dettagliata dello Smarthood, è stato utilizzato un ipotetico caso di riferimento di un quartiere periferico di Amsterdam, composto da 50 famiglie (case) con una occupazione familiare media di 2 persone per famiglia (100 persone totali). Inoltre, un impianto acquaponico urbano è costituito da una serra, un sistema di acquacoltura, un UASB e un'unità di distillazione. Il dimensionamento dei diversi componenti è motivato utilizzando i dati relativi a una tipica famiglia olandese e serra (cfr. tabella 15.1).

   15.4.1 Il modello del sistema energetico

   È stato realizzato un modello di sistema energetico (ESM) in grado di simulare i flussi di energia di una vasta gamma di componenti, le cui specifiche principali sono riportate nella tabella 15.2. L'ESM è in grado di calcolare i flussi energetici per ogni componente per ogni ora dell'anno.

   Tabella 15.1 Requisiti alimentari ed energetici per persona/famiglia nei Paesi Bassi

   tavolo testata tr td/td Media (pro capito/anno) /esimo Totale (100 persone) /th ThSource/TH /tr /testata tbody tr th colspan=4cibo/th /tr tr Consumo vegetale (Paesi Bassi) /td td 33 kgsupa/sup (mentre u73 kg/u sono raccomandati /td td 7300 kg /td td EFSA (2018) /td /tr tr class="dispari» TDREquired zona serra/td td Circa 4 msup2/sup /td td 400 msup2/sup /td td Stima in base al min. raccomandazione di consumo /td /tr tr class="even» Consumo TDfish/td td 20 kg /td td 2000 kg /td td FAO (2015) /td /tr tr class="dispari» TdRequired Volume di acquacoltura supb/sup/td td 0,2 msup3/sup /td td 20 msup3/sup /td td Stima /td /tr tr th colspan=4 Energia/th /tr tr class="dispari» TDConsumo di calore domestico (Paesi Bassi) /td td 6500 kWhsubth/Sub/Casa/anno /td td 325 MWhsubth/Sub/anno /td td CBS (2018) /td /tr tr class="even» td rowspan=2RAS consumo di elettricità/td td rowspan=2 0,05—0,15 kWsube/SUB/MSUP3/SUP /td td 1—3 kWsube/sub /td td rowspan=2 (Espinal, pers. comunicazione) /td /tr tr class="dispari» td 8,76—28,26 MWHsube/Sub/ anno /td /tr /tbody /tavolo

   SUPA/SUPLa persona media olandese mangia 50 kg di verdure all'anno. Tuttavia, solo 33 kg di verdure che possono essere coltivate in sistemi idroponici, che sono fruttificazione verdure 31.87 g/giorno, verdure brassica 22,11 g/giorno, verdure a foglia 12,57 g/giorno, legumi 19,74 g/giorno, verdure staminali 4,29 g/giorno

   SUPB/supConsiderando una densità massima di pesce di 80 kg/msup3/sup

   Tabella 15.2 Componenti di produzione

   tavolo testata tr class = header» Thcomponente/th th Dimensioni /th th Specifici /th /tr /testata tbody tr class="dispari» TDSolar PV/TD td 40 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.15 /td /tr tr class="even» TDurban eolico turbina/td td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.33 /td /tr tr class="dispari» Pompa TDheat/td td 10 kWsubp, e/sub /td td POLIZIOTTO: 4.0 /td /tr tr class="even» TDCHP/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td EtaSubel/sub: 0,24, etasubth/sub = 0,61 /td /tr tr class="dispari» TDFuel cella/td td 10 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.55 /td /tr tr class="even» TDElectrolyser/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.45 /td /tr tr class="dispari» TDBattery/TD td 200 kWh /td td Eta: 0.90 /td /tr tr class="even» Serbatoio di acqua calda/td td 930 kWh /td td 40—60C /td /tr tr class="dispari» Serbatoio TDhydrogen/td td 1000 kWh /td td 30 kg di stoccaggio Hsub2/sub /td /tr /tbody /tavolo

   Il sistema energetico è stato modellato in MATLAB utilizzando i dati del profilo energetico per Amsterdam ottenuti tramite DesignBuilder. Il modello numerico delle serie temporali incorpora un'ampia selezione di tecnologie energetiche, elencate nella tabella 15.2 con le relative specifiche (fig. 15.4).

   Il modello di sistema energetico (ESM) utilizza semplici dichiarazioni condizionali per il processo decisionale, cioè si tratta di un sistema di controllo basato su regole. Nella versione attuale di questo modello, il controllo è centralizzato, con l'obiettivo dell'autoconsumo

   

   Fig. 15.4 Il modello acquaponics microgrid (F. de Graaf 2018), che mostra i bilanci energetici per la potenza (diagramma superiore) e il calore (diagramma inferiore) per il caso di riferimento (Amsterdam)

   massimizzazione per il sistema nel suo complesso (in una versione futura, l'architettura di controllo sarà decentrata, cfr. Sez. 15.5). Le dichiarazioni condizionali per raggiungere questo obiettivo possono essere dichiarate come segue:

   1. Mantenere l'accumulo di calore al minimo.

   2. Prevedere la produzione e il consumo di elettricità inflessibile prevista.

   3. (a) Se la batteria è piena, attivare il consumo flessibile.

   (b) Se la batteria è scarica, attivare la generazione flessibile.

   Mantenendo al minimo l'accumulo di calore, il buffer per il bilanciamento energetico flessibile viene massimizzato. In caso di sovrapproduzione di elettricità inflessibile (cioè produzione di elettricità che non può essere programmata o controllata in modo flessibile, come solare o eolica), la pompa di calore può essere attivata per creare un tampone fornito dallo stoccaggio dell'acqua calda e dalla massa termica del sistema RAS acquaponico. Al contrario, se vi è una sottoproduzione di elettricità, è possibile accendere la generazione flessibile come la cogenerazione e la cella a combustibile, utilizzando così la capacità di accumulo termico.

   Sia per il calore che per l'energia elettrica, il bilancio energetico è equivalente a

   $P_ {gen, flex} + P_ {gen, inflex} + P_ {grid} = P_ {cons, inflex} + P_ {cons, flex} + P_ {storage} $ (15.1)

   Le generazioni flessibili includono la pompa di calore, l'unità combinata di calore e potenza (CHP), la cella a combustibile, la batteria e i dispositivi intelligenti e flessibili (ad esempio pompe aquaponiche). Eolico, solare fotovoltaico (PV) e collettori solari sono classificati come generazione inflessibile. I dispositivi non flessibili costituiscono la maggior parte del consumo di elettricità, specialmente in inverno (a causa della necessità di illuminazione istantanea) (Fig. 15,5).

   

   Fig. 15.5 Esempio dei flussi energetici (diagramma Sankey) di una possibile configurazione integrata di microgrid a De Ceuvel (de Graaf 2018), comprendente un biodigestore per la produzione di biogas. Questa particolare configurazione non include l'unità combinata di calore e potenza presente nel concetto di Smarthood, né tiene conto di una grande struttura acquaponica

5. 15.5 Risultati

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   Il consumo elettrico e termico totale delle abitazioni e dell'impianto acquaponico per la serra (modellato dai dati delle tabelle 15.1 e 15.2) è riportato nella tabella 15.3. L'impianto acquaponico serra è responsabile del 38,3% del consumo energetico e del 51,4% del consumo di calore. La domanda di energia per un impianto acquaponico integrato in una microrete residenziale è quindi leggermente superiore a un terzo del fabbisogno energetico locale totale, dato che tutta la produzione di energia residenziale e verdura/pesce avviene localmente. Il fabbisogno di calore comprende circa il 50% del fabbisogno di calore totale, che può essere attribuito per gran parte all'unità di distillazione che funziona con acqua ad alta temperatura.

   Come si può vedere nelle Fig. 15.4 e 15.6, il sistema energetico Smarthoods è in grado di bilanciare la produzione e la domanda la maggior parte del tempo. La quota totale di elettricità importata dalla rete è del 4,62% per il caso di riferimento. A volte, si può osservare un leggero squilibrio di potenza, che può essere attribuito al controllo subottimale per la versione corrente del modello per la maggior parte. La cogenerazione, ad esempio, passa da uno stato acceso a uno stato fuori più volte nel corso di diverse ore, con conseguente sovrapproduzione di elettricità. Tale comportamento non si verificherà per un sistema di controllo più ottimizzato, poiché la cogenerazione può essere ridotta in coordinamento con la pompa di calore al fine di fornire la quantità precisa di elettricità e calore necessari.

   15.5.1 Flessibilità

   Il sistema è altamente flessibile grazie alla CHP e all'impianto acquaponica con illuminazione flessibile e pompe, nonché all'elevata capacità di tamponamento termico, oltre che alla

   Tabella 15.3 Carico elettrico e termico per diversi aspetti della microgriglia

   tavolo testata tr class = header» th/th th Residenziale /th th Impianto Aquaponic /th /tr /testata tbody tr class="dispari» Domanda media lettica/td td 17,2 kW /td td 10,2 kW /td /tr tr class="even» Domanda di picco TDElectricale/td td 47,6 kWsubp/sub /td td 15,2 kWsubp/sub /td /tr tr class="dispari» ilDomanda totale lettrico/° th 143,2 MWh/anno /th th 89,2 MWh/anno /th /tr tr class="even» TDThermal domanda media/td td 37,1 kW /td td 39,3 kW /td /tr tr class="dispari» TDThermal picco domanda/td td 148,4 kW /td td 121,2 kW /td /tr tr class="even» TH Domanda totale termica/esimo th 325.0 MWhsubth/Sub/anno /th th 344,2 MWhsubth/Sub/anno /th /tr /tbody /tavolo

   

   Fig. 15.6 Diagrammi grafici della serie temporale per i bilanci energetici (in alto a sinistra) e del calore (in basso a sinistra) (in W) del sistema Smarthood. La capacità di stoccaggio (in kWh) è indicata sul lato destro per potenza (in alto a destra) e calore (in basso a destra). L'asse x rappresenta il numero di ore dall'inizio dell'anno. La linea nera rappresenta lo squilibrio dell'energia

   batteria, e il sistema a idrogeno. Il sistema aquaponico, in particolare, aumenta notevolmente la flessibilità complessiva del sistema, in quanto può funzionare per una vasta gamma di input di energia, come si può ricavare dalla tabella 15.4. Grazie a questa flessibilità, il sistema riesce a raggiungere l'autosufficienza energetica quasi totale (95,38%) e il 100% di autosufficienza termica.

6. 15.6 Discussione

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   Autosufficienza Il sistema energetico proposto per il concetto di Smarthood è in grado di raggiungere una quasi totale indipendenza dalla rete attraverso l'utilizzo della flessibilità fornita dai vari componenti del sistema. Il sistema aquaponico, in particolare, ha un positivo

   Tabella 15.4 Domanda flessibile del sistema aquaponico

   tavolo testata tr class = header» th Componente /th th Ordine di grandezza /th th La flessibilità /th /tr /testata tbody tr class="dispari» td rowspan=3 Pompe /td td 0,05—0,15 kWsube/Sub MSUP3/SUP /td td rowspan=3 Non tutte le pompe devono funzionare continuamente. I processi principali (controllo dell'ossigeno, controllo dell'ammoniaca, controllo COsub2/sub, scambi di serbatoi, controllo di solidi sospesi) devono essere eseguiti continuamente. I processi più piccoli come il dosaggio del tampone pH, le routine di controlavaggio, gli scambi idrici o l'ossigenazione di riserva non devono essere eseguiti continuamente /td /tr tr class="even» td 1—3 kWsube/sub /td /tr tr class="even» td 8,76—28,26 MWHsube/Sub/anno /td /tr tr class="dispari» td rowspan=2 Illuminazione /td td 80—150 W/MSUP2/SUP /td td rowspan=2 Le piante hanno bisogno di circa 4—6 ore di oscurità, il resto della giornata possono essere accese artificialmente. Ciò lascia circa 0 (estate) a 12 ore (inverno) di illuminazione aggiuntiva flessibile /td /tr tr class="even» td Con un fattore di capacità del 10 -20% questo porta a 28—105 MWHsube/Sub/anno KwSube/Sub /td /tr tr class="dispari» td rowspan=2 Riscaldamento d'ambiente (a pavimento) e riscaldamento del serbatoio di acquacoltura /td td 444 kWsubth/Sub/MSUP2/SUP/anno /td td rowspan=2 A causa dell'elevata massa termica del pavimento in cemento e del grande volume d'acqua nel serbatoio RAS, il carico termico è estremamente flessibile /td /tr tr class="dispari» td 177,8 MWhsubth/Sub/anno /td /tr tr class="even» td rowspan=2 Unità di distillazione /td td 50 kWsubth/Sub MWHsube/Sub/anno /td td rowspan=2 L'unità di distillazione funziona con acqua calda (70—90 ˚C) e può essere azionata con un significativo grado di flessibilità (MEMsys 2017) /td /tr tr class="dispari» td 166,4 MWhsubth/Sub/anno /td /tr /tbody /tavolo

   effetto sulla flessibilità complessiva del sistema. Con 95,38% di autosufficienza di potenza, questo sistema funziona meglio di qualsiasi altro sistema economicamente fattibile valutato nella ricerca precedente (de Graaf 2018).

   Architettura di controllo Facilitare un'economia energetica locale decentralizzata, come quella proposta nel concetto Smarthoods, richiede una piattaforma che tenga traccia di tutte le transazioni peer-to-peer che si verificano all'interno del vicinato. La rete peer-to-peer corrispondente può essere classificata come un sistema multiagente (MAS), in cui più nodi (ad esempio famiglie o edifici pubblici) fungono da agenti indipendenti con un proprio obiettivo (ad esempio ridurre al minimo i costi o massimizzare il risparmio energetico) e il corrispondente processo decisionale. Tale approccio decisionale decentrato e multiagente è necessario a causa della complessità del sistema. Ci sono semplicemente troppe informazioni e troppe variabili per il calcolo di un'architettura di controllo gerarchica, top-down e centralizzata.

   Blockchain Un'architettura di controllo del sistema multi-agente basata su blockchain potrebbe potenzialmente fornire il framework necessario per ospitare una rete peerto-peer decentralizzata. Un gran numero di nodi distribuiti garantisce stabilità e sicurezza per la rete, e un'alternativa al mining può essere utilizzata: la conio. Con il coniare, gettoni/monete vengono generati sulla base dei dati forniti da un dispositivo reale come un misuratore di energia intelligente. A condizione che tali fonti di informazione possano essere attendibili, ossia che tali dispositivi possano essere sottoposti a prova di manomissione, è possibile creare un registro sicuro e indipendente in cui vari soggetti interessati possono scambiare beni (ad esempio elettricità) e servizi (ad esempio gestione della domanda). Utilizzando contratti intelligenti, servizi complessi come il trading di flessibilità possono essere programmati nell'architettura di controllo del sistema.

   Internet of Things I componenti costitutivi del sistema Smarthood, come pompe di calore, illuminazione di serra o UASB, possono essere controllati tramite sensori e attuatori collegati a Internet, noti come Internet of Things. Una rete di sensori IoT consente l'acquisizione estesa di dati, che vanno dalla concentrazione di nutrienti per acquari ai cicli di carico della batteria, il tutto in base a fasi temporali. Questi dati possono essere utilizzati per verificare il modello numerico e ottimizzare il controllo dinamico del sistema.

   _Intelligenza Artificiale _ Ottimizzare il controllo del sistema Smarthood può essere fatto analizzando i dati utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale, come la programmazione genetica (algoritmi evolutivi) o l'apprendimento del rinforzo automatico. Con l'apprendimento del rinforzo automatico, ad esempio, un insieme di azioni e la loro influenza sull'ambiente vengono passati all'algoritmo come argomenti di input, insieme allo stato attuale del sistema e a una funzione cumulativa obiettivo/costo. Un processo decisionale euristico e incrementale può essere implementato in ogni famiglia che si adatterà dinamicamente alle situazioni al fine di trovare un programma decisionale quasi ottimale che gestisca i flussi energetici all'interno della casa e del Smarthood. Ogni casa può eseguire un tale algoritmo e, di conseguenza, può essere creata un'architettura di sistema di controllo multi-nodale, nota come sistema multi-agent (MAS), relativamente economica dal punto di vista computazionale (rispetto al controllo centralizzato) —- e vicina all'ottimale.

   Barriers La natura altamente innovativa di vari aspetti del concetto di Smarthood, come la microgrid di poligenerazione, il sistema acquaponico multi-loop e i requisiti di pianificazione urbana non convenzionali, porta con sé una serie unica di sfide da superare. Per molte di queste sfide, l'attuale quadro normativo non è sufficiente a soddisfare gli sviluppi proposti nel concetto di Smarthoods.

   Microgrids, ad esempio, funzionano meglio quando esiste un mercato locale in cui vari prosumers (consumatori che producono contemporaneamente energia) possono impegnarsi in scambi di energia peer-to-peer senza attrito in un mercato libero. Le forze del mercato si adopereranno quindi per creare un mercato locale dell'energia in cui un prezzo dell'energia fluttuante risulterebbe dall'offerta e dalla domanda locali. Questa fluttuazione dei prezzi incentiverà di conseguenza soluzioni energetiche intelligenti come lo stoccaggio dell'energia, la gestione del lato della domanda o la produzione di energia flessibile. Nella maggior parte dei paesi dell'UE, un libero mercato locale è attualmente impossibile a causa delle normative; le tasse devono essere pagate per ogni kWh che passa attraverso il contatore elettrico, il prezzo dell'elettricità per i consumatori è fisso e i prosumer non sono autorizzati a partecipare al mercato dell'energia senza l'intervento di un terzo partito chiamato aggregator. Con l'aumento previsto dello sviluppo di progetti di microgrid, le autorità di regolamentazione dovranno trovare modi per facilitare i mercati energetici locali al fine di liberare appieno il potenziale delle microreti altamente integrate (cfr. esempio 15.2).

   Esempio 15.2

   Un recente progresso nell'ambito del quadro normativo nei Paesi Bassi è l'introduzione del regeling sperimentale, una legge sperimentale che consente a un numero limitato di progetti accuratamente selezionati (come de Ceuvel, esempio Z.1) per consentire alle cooperative energetiche di diventare il proprio gestore del sistema di distribuzione, come se fossero dietro un solo metro di connessione. Questa legge è indicativa della consapevolezza, da parte degli organismi di regolamentazione olandesi, degli ostacoli giuridici menzionati in precedenza, e pertanto molto probabilmente porterà alla revisione dell'attuale legge sull'energia elettrica nel prossimo futuro al fine di meglio adattarsi agli sviluppi delle microreti.

   Ci sono anche alcuni ostacoli giuridici nella maggior parte dei paesi dell'UE per quanto riguarda il riutilizzo dell'acqua nera trattata per la produzione di pesce e di piante, in quanto occorre garantire che gli agenti patogeni umani siano completamente eliminati. Ulteriori informazioni sul quadro giuridico dell'acquaponica sono reperibili in cap. 20.

7. 15.7 Conclusioni

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   L'obiettivo di questa ricerca era quantificare il grado di flessibilità e autosufficienza che una microgrid integrata acquaponica può fornire. Per ottenere questa risposta, un quartiere di 50 famiglie è stato assunto uno «Smarthood», con un impianto acquaponico disaccoppiato multi-loop presente che è in grado di fornire pesce e verdure a tutti i 100 abitanti dello Smarthood.

   I risultati sono promettenti: grazie all'elevato grado di flessibilità inerente al sistema aquaponico grazie all'elevata massa termica, alle pompe flessibili e all'illuminazione adattiva, il grado complessivo di autosufficienza è pari al 95,38%, rendendolo quasi completamente autosufficiente e indipendente dalla rete. Dato che il sistema acquaponico è responsabile del 38,3% del consumo energetico e del 51,4% del consumo di calore, l'impatto dell'impianto acquaponico sul bilancio energetico totale del sistema è molto elevato.

   Ricerche precedenti (de Graaf 2018) hanno indicato che è molto difficile raggiungere livelli di autoconsumo oltre il 60% senza affidarsi a una fonte di biomassa esterna per guidare una cogenerazione. Anche con questa fonte inclusa, il massimo autoconsumo tecnicamente fattibile non ha superato l'89%. Nello Smarthood, gli input di biomassa per la cogenerazione sono parzialmente derivati dal sistema acquaponico stesso e dal riciclo delle acque grigie e nere. Un maggiore autoconsumo combinato con una minore dipendenza dagli input esterni di biomassa, e un conseguente autoconsumo del 95%, rende la microgrid integrata aquaponica proposta migliori dal punto di vista dell'autosufficienza rispetto a qualsiasi altra microgrid rinnovabile nota agli autori.

   Gli autori di questo capitolo sono quindi fortemente convinti che, con sufficiente sperimentazione, l'integrazione dei sistemi acquaponici serra all'interno delle microgriglie produca un grande potenziale per creare sistemi alimentari-acqua-energia altamente autosufficienti a livello locale.