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Nov 12, 2023

Profili sintetici di utilizzo energetico residenziale ad alta risoluzione per gli Stati Uniti

Dati scientifici volume 10, numero articolo: 76 (2023) Cita questo articolo 2868 Accessi 4 Citazioni 4 Altmetric Dettagli metriche Il consumo efficiente di energia è fondamentale per ottenere energia sostenibile

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Un consumo efficiente di energia è fondamentale per raggiungere obiettivi energetici sostenibili nell’era del cambiamento climatico e della modernizzazione della rete. Pertanto, è fondamentale comprendere come viene consumata l’energia a risoluzioni più precise, come quella domestica, al fine di pianificare eventi di risposta alla domanda o analizzare gli impatti del tempo, dei prezzi dell’elettricità, dei veicoli elettrici, dell’energia solare e dei programmi di occupazione sul consumo energetico. Tuttavia, la disponibilità e l’accesso a dati dettagliati sull’uso dell’energia, che consentirebbero studi dettagliati, sono stati rari. In questo documento, pubblichiamo un gemello digitale unico e su larga scala di un set di dati sull’uso dell’energia residenziale per il settore residenziale negli Stati Uniti contigui che copre milioni di famiglie. I dati comprendono profili di utilizzo energetico orario per le famiglie sintetiche, disaggregati in carichi controllati termostaticamente (TCL) e utilizzo di elettrodomestici. Il quadro sottostante è costruito utilizzando un approccio dal basso verso l’alto. Per la modellazione dell'uso finale vengono utilizzati diversi sondaggi open source e modelli di principi primi. È stata condotta un’ampia convalida del set di dati sintetici attraverso confronti con i dati riportati sull’uso energetico. Presentiamo un set di dati dettagliato, aperto e ad alta risoluzione sull’uso energetico residenziale per gli Stati Uniti.

La modernizzazione della rete elettrica statunitense sta avvenendo a un ritmo notevole grazie all’installazione di nuove tecnologie all’interno della rete, come i contatori intelligenti. Consentono la comunicazione bidirezionale tra il cliente e i servizi di pubblica utilità, fornendo informazioni e controllo granulare del consumo di energia per le singole famiglie1,2. La rete sta inoltre assistendo a rapide trasformazioni dovute alla crescente penetrazione dei veicoli elettrici (EV) e delle risorse energetiche distribuite (DER) come il fotovoltaico sui tetti (PV), l’energia solare comunitaria e l’energia eolica. Sebbene questa ondata di modernizzazione sia vantaggiosa, la rete elettrica si trova al tempo stesso ad affrontare un forte aumento delle situazioni di crisi a causa dei fenomeni del cambiamento climatico3,4 come gli eventi meteorologici estremi e il riscaldamento globale. Un esempio di condizioni meteorologiche estreme è l’ondata di freddo nordamericana del febbraio 2021 che ha causato un’enorme tensione sulla rete elettrica, soprattutto in Texas, dove milioni di persone hanno perso elettricità per giorni5. Un altro esempio è l’impatto del riscaldamento globale sul consumo di energia HVAC domestica. Anche se si prevede che l’aumento compreso tra 1° e 2°C delle temperature invernali ridurrà il fabbisogno di riscaldamento, si prevede che un aumento simile delle temperature estive aumenterà significativamente il fabbisogno di raffreddamento6.

Di fronte a queste sfide, il raggiungimento degli obiettivi energetici sostenibili è diventato fondamentale per mantenere una rete sana. A tal fine, la comunità di ricerca si trova ad affrontare importanti questioni riguardanti la riduzione dell’impronta di carbonio7,8,9,10,11, l’incentivazione all’adozione di DER12, lo studio dei benefici del retrofit energetico degli edifici9,13,14, l’integrazione dei veicoli elettrici15 e il comportamento dei consumatori16 nel rete elettrica e meccanismi per definire i prezzi dell’elettricità17,18 per creare modelli efficienti di consumo residenziale. Rispondere a molte di queste domande richiede una conoscenza approfondita dei modelli di utilizzo dell’energia, del patrimonio edilizio, della struttura delle reti di distribuzione, dei comportamenti dei consumatori e così via. Tuttavia, set di dati così esaustivi sono raramente disponibili gratuitamente (o non sono affatto disponibili) per uso di ricerca, rendendo difficile per la comunità di ricerca perseguire questi sforzi19. Le ragioni dell'indisponibilità di tali dati vanno dalle preoccupazioni sulla privacy alla mancanza di un sistema per rendere i dati disponibili ai ricercatori.

La maggior parte dei dati pubblicati sul consumo energetico sono dati misurati, risultato di studi longitudinali condotti da ricercatori (Tabella 1) con campioni relativamente piccoli di famiglie che potrebbero non essere rappresentativi di una regione geografica e di dati demografici più ampi. Alcuni di questi studi monitorano le famiglie per un periodo di tempo più lungo (ad esempio due anni), tuttavia, lo svantaggio di tali esperimenti è che richiedono una notevole quantità di tempo (ad esempio consenso dei partecipanti, installazione delle apparecchiature, monitoraggio) e sforzo manuale (ad esempio, pulizia dei dati, imputazione di valori mancanti) prima che tali dati siano utilizzabili. Sebbene questi studi rilascino dati energetici ad uso gratuito, molti di essi limitano la pubblicazione dei dettagli dei partecipanti (ad esempio caratteristiche e ubicazione dell'edificio, dati demografici a livello familiare). I dettagli dei partecipanti vengono solitamente nascosti per motivi di privacy/consenso dei partecipanti, mancanza di informazioni o indisponibilità di questi attributi nella versione gratuita dei dati. La letteratura ha tentato di affrontare alcuni di questi problemi creando strutture di dati appropriate per rilasciare informazioni sui metadati degli elettrodomestici per le famiglie insieme ai dati sul consumo energetico20,21. Tuttavia, osserviamo che molti dei problemi persistono ancora nel contesto statunitense. Uno di questi esempi è il Pecan Street Dataport22. Pecan Street Inc23. è il più grande editore di dati sul consumo energetico negli Stati Uniti attraverso il suo portale – Dataport. Raccolgono dati sul consumo energetico in California (CA), Texas (TX), New York (NY) e Colorado (CO). Questo è un set di dati potenzialmente molto utile. Tuttavia, solo un piccolo campione (~25 famiglie in California e Texas) di dati sul consumo energetico è liberamente disponibile per uso pubblico e non contiene sufficienti (o nessuna) informazioni demografiche o sugli edifici.