La Teoria dei Giochi al servizio delle Smart Grids

Come puo` la Teoria dei Giochi, finora utilizzata in campo militare ed economico, contribuire a costruire un futuro energetico più pulito, più affidabile e più conveniente? Lo abbiamo chiesto al Dr. Massimo Orazio Spata, ricercatore ed esperto di Sistemi Distribuiti.

Smart Grid

La teoria dei giochi del premio Nobel John Nash l’abbiamo un po’ tutti scoperta nel film “A Beautiful Mind”. Ci risulta un po’ difficile immaginarla applicata al campo delle Smart Grid.

Prima di addentrarci nella descrizione di base dell’idea, servirebbe fare una breve panoramica sui tre concetti che, integrati, permettono la realizzazione di tale idea: i sistemi ad Agenti, la Teoria dei Giochi, e le Smart Grids.

I sistemi Multiagente sono un insieme di Agenti situati in un certo ambiente ed interagenti tra loro mediante un’opportuna organizzazione. Un Agente è cioè un’entità caratterizzata dal fatto di essere, almeno parzialmente, autonoma, sia essa un programma informatico, un robot, un essere umano, e così via.

La Teoria dei Giochi e` una branca della matematica applicata e dell’Economia, dove si studiano quelle situazioni in cui i giocatori scelgono di intraprendere delle azioni volte a massimizzare il proprio profitto. Dapprima sviluppato come strumento per comprendere il comportamento dei mercati economici e quindi dalla RAND Corporation, durante la “guerra fredda”, per definire le strategie nucleari, la teoria dei giochi è oggi utilizzata in diversi campi accademici, che vanno dalla biologia e psicologia alla sociologia e la filosofia. Infine, la teoria dei giochi ha di recente attirato l’attenzione di informatici a causa del suo uso nel campo dell’intelligenza artificiale e nella cibernetica.

Una Smart Grid è una rete cosiddetta “intelligente” per la distribuzione di energia elettrica. Una Smart Grid possiede strumenti di monitoraggio intelligenti per tenere traccia di tutto il flusso elettrico del sistema, come pure strumenti per integrare energia rinnovabile nella rete. Dunque un’altra definizione di smart grids: “… un sistema di energia elettrica che puo` incorporare milioni di sensori interconnessi attraverso un sistema di comunicazione e di acquisizione dati avanzato. Questo sistema fornisce un’analisi real-time attraverso un sistema di calcolo distribuito che permette una risposta predittiva piuttosto che reattiva agli input provenienti dal sistema …”

Immaginando il sistema elettrico come un mercato dell’energia, dove gli utenti sono tutti giocatori o “Agenti” del sistema, che giocano per acquistare o vendere energia, il “gioco” e` fatto!

Come puo’ tutto questo aiutare i singoli utenti che vogliono diventare produttori di energia a sfruttare al meglio le risorse?

Una visione ottimistica ci permette di immaginare che un giorno le nostre case saranno tutte collegate a una rete elettrica intelligente che gestisce l’elettricità con la massima efficienza ed il minimo costo, grazie a fonti energetiche pulite e rinnovabili come vento e sole. A livello domestico, gli utenti possono contribuire a generare la propria energia attraverso piccole turbine o pannelli solari, e utilizzare l’energia accumulata per ricaricare per esempio le batterie della propria auto.

E’ una visione brillante, ma che pone un paio di sfide. Per esempio, mentre in teoria ha senso che un individuo possa volere caricare la sua auto elettrica nelle ore non di punta, quando i costi energetici sono più bassi, in pratica, se tutti agiscono seguendo questa “strategia” e prendono la stessa decisione, il risultato sarebbe un picco della domanda.

D’altra parte, se tutti gli utenti agiscono seguendo la stessa strategia e cominciano immettere energia nel sistema durante i periodi di picco della domanda, il risultato potrebbe essere un maggiore guadagno iniziale, che si tramuterebbe a regime in un’eccessiva offerta e nessuna domanda, con conseguente calo del guadagno e dei prezzi dell’energia elettrica.

Serve dunque trovare un punto di Equilibrio, tra domanda ed offerta tra tutti gli utenti del sistema Smart Grid, in una visione di “Gioco non Cooperativo”. La soluzione per tale gioco potrebbe dunque essere applicare l’Equilibrio di Nash.

Quello che non ci e’ ancora chiaro e’ come ogni utente di questa futura rete energetica possa trarne un vantaggio.

I giocatori, che corrispondono agli utenti del sistema, raggiungono un Equilibrio di Nash se nessuno può più migliorare il proprio risultato modificando solo la propria strategia. Quindi il proprio guadagno risulta vincolato alle scelte degli altri. Poiché questo vale per tutti i giocatori, è evidente che se esiste un Equilibrio di Nash ed è unico, esso rappresenta la soluzione del gioco in quanto nessuno dei giocatori ha interesse a cambiare strategia!

Potremmo approfondire le problematiche relative al concetto di equilibrio di Nash in un gioco, quali ad esempio la non esistenza di tale Equilibrio, o la molteplicità di tale possibile soluzione, ma cosi` facendo forse potremmo annoiarvi un po`, quindi rimandiamo tale approfondimento ad un futuro articolo …

Perche’ tutto questo non e’ ancora realta’?

Il sistema di fornitura elettrica tradizionale e` stato progettato in un periodo in cui i combustibili fossili erano relativamente poco costosi e non si era ancora presa coscienza del loro potere inquinante. Successivamente si e’ puntato su l’energia nucleare che produce inevitabilmente scorie radioattive altamente dannose per l’uomo e l’ambiente. Dunque, oggi, l’unica alternativa valida restano le fonti energetiche rinnovabili ed il loro impiego intelligente.

Il mondo e` cambiato. Adesso si deve lasciare spazio alle Smart Grid!

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