Negli ultimi anni, Vattenfall, un’azienda leader del settore energetico nel Nord Europa, ha puntato sulla Ricerca Operativa per massimizzare la produzione di energia eolica nei suoi parchi eolici e per minimizzare i costi nella fase di progettazione di nuovi parchi, risparmiando milioni di euro. Il progetto di ricerca dietro a questi risultati, condotto dalla giovane ricercatrice italiana Martina Fischetti, ha ricevuto numerosi riconoscimenti nazionali e internazionali.

Adattamento dell’articolo “Mathematics generates million-euro savings on future offshore wind farms”, di Niels V. Vester ed Esben Baltzer Nielsen, a cura di Martina Fischetti.

Il design di parchi eolici in mare (in inglese, offshore) racchiude molte sfide in termini di ottimizzazione. Quando un parco eolico viene progettato, bisogna tenere in considerazione moltissimi fattori, come la direzione del vento, la profondità del mare, i costi per le fondamenta delle turbine, gli ostacoli presenti sul sito, considerazioni elettriche per il trasporto dell’energia, e tanti altri.

È importante, per esempio, tenere conto anche dell’interferenza tra le turbine. Infatti, la posizione delle singole turbine rispetto alle altre nel parco ha un enorme impatto sulla produzione di energia eolica del parco, poiché le turbine si “fanno ombra” l’un l’altra, “rubando” il vento a quelle che stanno dietro di loro. Il fenomeno in gergo è detto “wake effect” (effetto d’ ombra) ed è simile a quello che spinge i ciclisti esperti a stare nella scia di altri ciclisti, per avere meno vento addosso. La differenza è che le turbine vorrebbero stare fuori dalle scie di altre turbine, in modo da prendere più vento possibile, e quindi produrre più energia. In questo caso, il problema di ottimizzazione che si vuole affrontare consiste nel calcolare un posizionamento ottimale delle turbine eoliche nel parco, per evitare più scie possibili e massimizzare al tempo stesso la produzione di energia. Questo problema è molto complesso, soprattutto considerando che la direzione del vento cambia continuamente e che ci sono anche altri fattori (costi e vincoli).

Wake effect in un parco eolico non ottimizzato. In questo scenario di vento, la prima linea di turbine produce il massimo che quel modello di turbina può produrre, ma tutte le altre sono oscurate dalle prime, comportando quindi una grande perdita di produzione su tutto il parco [foto source: Vattenfall].

In passato, la progettazione dei parchi eolici nell’azienda leader del settore Vattenfall era poco automatizzata: disegnare un parco poteva facilmente occupare diverse settimane, a volte quasi un mese. Gli ingegneri alla Vattenfall si basavano unicamente sulla loro esperienza e avevano a disposizione dei programmi abbastanza semplici, che non riuscivano a considerare tutti gli aspetti del problema nella sua totalità. Ogni disposizione delle turbine, nonché dei cavi che li collegavano, era verificata da diversi gruppi di persone e continuamente modificata. Arrivare a un risultato (comunque non ottimale) richiedeva molto tempo. Tale processo è stato però radicalmente cambiato e migliorato quando Martina Fischetti, una giovane ricercatrice italiana, ha concentrato il suo percorso di dottorato in Ricerca Operativa prima, e poi il suo lavoro come Ingegnere Leader alla Vattenfall, proprio su queste tipologie di problemi e sui parchi eolici stessi.

 

La Programmazione Lineare è un paradigma che consente di rappresentare e risolvere problemi (anche ispirati da situazioni reali) attraverso un processo di modellazione dei dati in termini di variabili e vincoli, definendo una funzione obiettivo da minimizzare o massimizzare. Le variabili sono le incognite, le quantità da determinare; quando alcune sono continue e altre intere, si parla di Programmazione Lineare Mista. “Traducendo” un problema in questa forma, è possibile analizzarlo e darlo in pasto a un solver che si occuperà di individuare una soluzione ottima, rispettando tutti i vincoli. Il paradigma della Programmazione Lineare Mista è uno dei metodi a cui è ricorsa anche Martina Fischetti per affrontare il problema di design ottimale dei parchi eolici. Oltre a metodi esatti, Martina Fischetti ha progettato anche delle euristiche, integrando tutto poi in nuovi software di ottimizzazione messi a disposizione dell’azienda.

“I nuovi software di ottimizzazione sviluppati utilizzando delle tecniche di matematica avanzata ci permettono di considerare tutti i fattori contemporaneamente. Il programma viene lanciato durante la notte e al mattino un posizionamento ottimizzato è pronto. Il programma definisce la posizione ottimale delle turbine per massimizzare la produzione e minimizzare i costi connessi, e definisce anche come connettere le turbine tramite cavi elettrici per consegnare l’energia a terra al minor costo possibile”, ha detto Martina Fischetti, che ha aggiunto: “Grazie all’ottimizzazione del posizionamento delle turbine e della loro connessione elettrica, possiamo ridurre i costi e aumentare la produzione, con risparmi nell’ordine di 10 milioni di euro per ogni parco eolico. In questo modo possiamo ridurre il prezzo dell’energia eolica.” Il software è stato utilizzato anche per la progettazione del parco eolico olandese Hollandse Kust Zuid 1+2, che sarà il primo parco eolico al mondo a essere costruito senza sussidi. Questo sarà un grande traguardo non solo per Vattenfall, bensì per tutto il mercato eolico.

Il risparmio e il guadagno dell’azienda non sono stati solo in termini economici. Thomas Hjort, manager del team System Design alla Vattenfall in Danimarca, ha infatti osservato quanto segue: “Non avevo mai visto utilizzare queste tecniche matematiche su questo tipo di problemi prima e i risultati sono impressionanti. Ogni volta, questo software ci dà sempre una soluzione migliore di ogni altro metodo che avevamo utilizzato precedentemente. Quello che mi piace di più però di questo software è l’energia che ha dato al mio team, che ora ha il tempo di sperimentare diverse alternative per ogni parco e pensare fuori dagli schemi. Ora possiamo provare diverse idee rapidamente e possiamo quantificare quale sarà l’impatto di ogni nostra decisione già nella fase di progettazione del parco. Inoltre, possiamo dialogare in una maniera nuova coi nostri fornitori e guidare lo sviluppo di nuovi prodotti innovativi.”

Questi programmi di matematica applicata vengono infatti ora utilizzati da Vattenfall per la progettazione di tutti i parchi eolici offshore. Vattenfall è riuscita così a diventare più competitiva nelle gare di appalto per i nuovi parchi eolici, attraverso questo metodo di migliore posizionamento di turbine e cavi, la possibilità di valutare ogni scelta e di sperimentare tutte le alternative a disposizione. Ha anche potuto ridurre i prezzi dell’energia eolica, rendendo quindi l’eolico più attraente rispetto ad altre fonti di energia non rinnovabili.

I riconoscimenti nazionali e internazionali non sono mancati, né per la ricercatrice né per l’azienda. Nel 2018, Martina Fischetti è stata finalista all’EURO Excellence in Practice Award; nel 2019, ha vinto l’EURO Doctoral Dissertation Award, il Glover-Klingman, e il titolo di Best Industrial Ph.D. from Innovation Fund Denmark; nel 2020 ha vinto il titolo di BIRD (Best young Italian Researcher in Denmark); nel 2021, è stata nominata una delle dodici YoungWomen4OR da parte di WISDOM, il forum di EURO per supportare e incoraggiare tutti i generi nel settore della Ricerca Operativa.

Con questo progetto, nel 2019 Vattenfall è stata finalista del prestigioso premio americano INFORMS Franz Edelman, concorrendo con aziende quali IBM e Microsoft.

Il manager Thomas Hjort ha dichiarato: “Dopo questa esperienza, sono un sostenitore della Ricerca Operativa e non vedo l’ora di vederla applicata a nuove sfide nel campo delle energie rinnovabili.” Questo progetto rappresenta infatti solo un primo esempio di come la Matematica, in questo caso particolare la Ricerca Operativa, possa aiutarci a risolvere problemi emergenti da questo settore e a raggiungere un futuro più sostenibile, un’equazione alla volta.

Contatti:
Martina Fischetti (martina.fischetti@gmail.com )

Alcuni riferimenti:

1. Fischetti, J. R. Kristoffersen, T. Hjort, M. Monaci, and D. Pisinger (2020). Vattenfall Optimizes Offshore Wind Farm Design. INFORMS Journal on Applied Analytics, Vol. 50, No. 1.
2. Fischetti, and D. Pisinger (2018). Mathematical Optimization for offshore wind farm design: an overview. Business and Information Systems Engineering 61 (4), pp. 469–485
3. Fischetti, D. Pisinger, (2018) Optimizing wind farm cable routing considering power losses, European Journal of Operational Research 270 (3), pp 917-930.
4. Fischetti and M. Monaci (2016). Proximity search heuristics for wind farm optimal layout. Journal of Heuristics 22 (4), pp. 459-474.