Risolvere l’intermittenza delle rinnovabili con l’accumulo energetico per la rete

La sfida principale: far corrispondere la produzione variabile di energia eolica e solare alla domanda costante

Il problema dell'energia eolica e solare è che dipende fortemente dalle condizioni meteorologiche e dalle ore di luce diurna, il che genera ogni tipo di incongruenza nell’approvvigionamento. Nel frattempo, le persone continuano a utilizzare l’elettricità in orari prevedibili durante l’intera giornata, generando quindi una costante pressione per un’erogazione stabile di energia. Quando è disponibile troppa energia rinnovabile ma la domanda è insufficiente, i gestori della rete non hanno altra scelta se non disattivare temporaneamente alcune di queste fonti, sprecando di fatto energia pulita che altrimenti potrebbe essere utilizzata. Dall’altra parte, ogni volta che la domanda registra un picco ma le fonti rinnovabili non producono abbastanza energia, siamo costretti a riattivare vecchie centrali a carbone e a gas pur di garantire un funzionamento regolare del sistema, con un conseguente aumento evidente dei livelli di inquinamento. Secondo una recente ricerca dell’Agenzia Internazionale per l’Energia, non appena le fonti rinnovabili superano il 30% della produzione energetica totale in una determinata regione, i problemi cominciano ad accumularsi rapidamente, a meno che non siano disponibili soluzioni efficaci per immagazzinare o gestire tale variabilità. Questi squilibri tra offerta e domanda gravano ulteriormente sui nostri sistemi elettrici e rallentano, in ultima analisi, gli sforzi volti a ridurre complessivamente le emissioni di anidride carbonica.

Come lo stoccaggio di energia nella rete colma i divari temporali: carica quando l’energia è in eccesso, scarica quando necessario

L'accumulo di energia per le reti elettriche affronta il problema della generazione elettrica intermittente spostando in modo intelligente l'elettricità. Quando durante il giorno c'è troppa luce solare o di notte soffia un vento particolarmente forte, questi sistemi assorbono l'energia in eccesso e la rilasciano nel momento in cui è più richiesta dagli utenti. Prendiamo ad esempio la produzione solare di mezzogiorno: l'energia in eccesso viene immagazzinata nelle batterie, che poi entrano in funzione durante le ore di punta serali, quando tutti accendono luci ed elettrodomestici. Ciò sostituisce fondamentalmente quelle vecchie centrali a gas, che entravano in funzione solo in caso di improvvisi picchi di domanda. Ciò che rende questa soluzione così preziosa è la sua capacità di trasformare fonti rinnovabili imprevedibili in una risorsa affidabile, controllabile secondo necessità, oltre a contribuire alla stabilità della rete elettrica mediante funzioni come il controllo della frequenza. La maggior parte dei sistemi attuali si basa sull'accumulo idroelettrico a pompaggio per le esigenze quotidiane, affiancato da batterie agli ioni di litio. Per l'accumulo su scala stagionale, la tecnologia dell'idrogeno verde mostra prospettive promettenti. Qual è l'impatto? Studi indicano che soluzioni di accumulo adeguatamente implementate possono aumentare la quota di energia rinnovabile effettivamente utilizzata nelle aree in cui l'energia pulita costituisce la principale fonte di approvvigionamento, raggiungendo talvolta miglioramenti pari al 40% senza compromettere la stabilità complessiva del sistema.

Tecnologie chiave per l'accumulo di energia nella rete e i loro ruoli

Accumulo idroelettrico a pompaggio: la struttura consolidata per l'accumulo di energia di lunga durata nella rete

Lo stoccaggio idroelettrico a pompaggio, o PHS (pumped hydro storage) come è comunemente chiamato, rimane tuttora la soluzione leader per l’immagazzinamento di energia su rete, rappresentando circa il 90% di tutta la capacità installata a livello mondiale. L’idea alla base è in realtà piuttosto semplice: l’acqua viene pompata verso l’alto in bacini di accumulo quando la domanda di elettricità è bassa o quando è disponibile un’eccedenza di energia rinnovabile. Successivamente, quando la domanda aumenta bruscamente, tale acqua immagazzinata defluisce nuovamente verso il basso attraverso turbine per generare nuovamente elettricità. Ciò che rende questo approccio particolarmente attraente è la sua scalabilità e la capacità di immagazzinare energia per un periodo compreso tra sei e venti ore, o anche più. Questa flessibilità si rivela estremamente efficace per smorzare le fluttuazioni della produzione di energia solare ed eolica nel corso della giornata e della settimana. Anche i tassi di efficienza sono notevolmente migliorati: i sistemi moderni raggiungono un’efficienza di ciclo completo compresa tra il 70% e l’85%. Alcune installazioni arrivano addirittura a coprire una capacità nell’ordine di diversi gigawattora. Sebbene i vincoli geografici rappresentino effettivamente una sfida per un’adozione diffusa, approcci innovativi — quali la conversione di vecchi siti minerari o la riqualificazione di dighe esistenti prive di capacità di generazione elettrica — stanno aprendo nuove possibilità per espandere questa tecnologia consolidata.

Sistemi di accumulo di energia per batterie (BESS) e idrogeno verde: abilitare la flessibilità a breve termine e lo spostamento stagionale

I sistemi di accumulo di energia per batterie (BESS) e l’idrogeno verde soddisfano esigenze complementari su scala della rete:

• BESS (principalmente litio-ionici) forniscono una risposta sub-secondo per la regolazione della frequenza e il livellamento dell’energia solare, con durate di scarica comprese tra 4 e 8 ore. La loro modularità consente l’installazione presso cabine elettriche o in co-locazione con impianti rinnovabili.
• Idrogeno verde , prodotto mediante elettrolisi sfruttando l’eccesso di energia da fonti rinnovabili, consente uno stoccaggio a lungo termine—settimane o mesi—in cavità saline o serbatoi. Costituisce un combustibile privo di emissioni di carbonio per turbine o celle a combustibile durante i periodi stagionali di ridotta produzione eolica e solare.

Insieme, consentono un’integrazione completa: i BESS gestiscono le fluttuazioni da secondo a ora, mentre l’idrogeno verde risolve le lacune legate alle condizioni meteorologiche e alla stagionalità.

L’accumulo di energia per la rete come asset multifunzionale della rete

Fornitura di Servizi in Tempo Reale: Regolazione della Frequenza, Emulazione dell'Inerzia e Supporto della Tensione

I sistemi di accumulo di energia svolgono un ruolo fondamentale nel mantenere stabile la rete elettrica, in modi che le infrastrutture tradizionali non sono semplicemente in grado di eguagliare. In caso di una brusca caduta della frequenza, questi sistemi entrano in funzione quasi istantaneamente, immettendo nuovamente potenza nella rete oppure assorbendo l’elettricità in eccesso durante i picchi, prima che la situazione sfugga al controllo. Anche gli inverter moderni sono diventati piuttosto intelligenti, emulando il tipo di inerzia che un tempo proveniva dai generatori rotanti delle centrali a carbone e a gas, ormai in via di scomparsa dal nostro mix energetico. L’accumulo contribuisce inoltre alla gestione della tensione su tutta la rete: regola la potenza reattiva in punti strategici della rete stessa, mantenendo le tensioni entro limiti accettabili anche in presenza di picchi di carico o di guasti agli impianti. Ciò assume un’importanza particolare nelle reti fortemente integrate con fonti eoliche e solari, poiché queste fonti rinnovabili non forniscono lo stesso tipo di stabilità automatica di cui abbiamo sempre beneficiato, in passato, dalle centrali a combustibili fossili.

Abilitazione alla partecipazione al mercato: arbitraggio, consolidamento della capacità e servizi ausiliari

L'accumulo di energia nella rete fa molto di più che semplici operazioni tecniche, oggigiorno. In realtà, apre una grande varietà di modalità diverse per generare ricavi. Quando i prezzi dell'elettricità scendono al di sotto di circa 20 dollari per megawattora, gli operatori intelligenti accumulano energia per poi rivenderla quando i prezzi schizzano oltre i 100 dollari. Alcune aziende stipulano contratti denominati "capacity firming agreements", che sostanzialmente garantiscono un’erogazione costante di potenza a parchi eolici e impianti solari. Questi accordi consentono ai sistemi di accumulo di fungere da riserva di backup quando il sole non splende o il vento non soffia, contribuendo così al raggiungimento di quegli impegnativi obiettivi di consegna pari al 99 percento, che la maggior parte delle fonti rinnovabili fatica a soddisfare. Vi è inoltre la possibilità di ottenere ricavi nei cosiddetti mercati dei servizi ausiliari: gli impianti di accumulo possono guadagnare tra circa 50 e 150 dollari al megawatt ogni giorno semplicemente contribuendo alla stabilità della rete, ad esempio mediante la regolazione della frequenza. Tutte queste diverse fonti di ricavo significano che l’accumulo di energia non è più soltanto una spesa aggiuntiva. Al contrario, diventa un asset di valore che migliora effettivamente l’efficienza economica dell’intero sistema elettrico.

Impatto nella realtà: casi dimostrativi del successo dello stoccaggio di energia per la rete

Riserva di potenza di Hornsdale: garantisce stabilità e risparmi sulla rete dell’Australia Meridionale, caratterizzata da un’elevata quota di fonti rinnovabili

L'Hornsdale Power Reserve si distingue come la prima installazione su larga scala al mondo di una batteria agli ioni di litio, dimostrando concretamente cosa può fare lo stoccaggio di energia per la rete elettrica in aree fortemente dipendenti da fonti rinnovabili. Situata proprio nel cuore della rete elettrica alimentata dal vento del Sud Australia, dove l'energia verde rappresenta spesso oltre la metà di tutta l'energia generata, questo sistema reagisce quasi istantaneamente per bilanciare le fluttuazioni tra offerta e domanda. Il tempo di risposta è inferiore a 100 millisecondi, il che significa che previene potenziali blackout in caso di improvvisi squilibri tra produzione e consumo. Quando viene immessa nella rete una quantità eccessiva di energia eolica, l'impianto immagazzina tale energia in eccesso per poi immetterla nuovamente nella rete durante le ore di picco del tardo pomeriggio. Questo da solo ha consentito un risparmio di circa 116 milioni di dollari statunitensi in spese energetiche già nei primi due anni successivi all’entrata in funzione. Durante forti tempeste o ondate di calore, la riserva interviene fornendo supporto di emergenza con energia elettrica, rendendo così l’intera rete molto più resistente alle interruzioni. Quanto accaduto in Australia ha ispirato progetti simili in diversi continenti, tra cui località come la California e la Germania. Queste installazioni dimostrano che, anche con una grande quantità di energia solare ed eolica immessa nelle nostre reti elettriche, è comunque possibile garantire un servizio stabile, riducendo al contempo i costi e l’impatto ambientale.

Domande frequenti

Cos'è l'intermittenza delle fonti rinnovabili?

L'intermittenza delle fonti rinnovabili si riferisce alle fluttuazioni nella produzione di energia da fonti rinnovabili, come il vento e il sole, causate da fattori quali le condizioni meteorologiche e l'ora del giorno, che possono portare a incongruenze nell'approvvigionamento energetico.

In che modo lo stoccaggio dell'energia nella rete contribuisce alla gestione della variabilità dell'energia rinnovabile?

Lo stoccaggio dell'energia nella rete contribuisce alla gestione della variabilità dell'energia rinnovabile immagazzinando l'energia in eccesso quando la produzione è elevata e rilasciandola quando la domanda supera l'offerta, garantendo così una maggiore stabilità della rete elettrica.

Quali sono i principali tipi di tecnologie per lo stoccaggio dell'energia nella rete menzionati nell'articolo?

L'articolo menziona tecnologie come lo stoccaggio idroelettrico a pompaggio (PHS), i sistemi di accumulo energetico a batteria (BESS) e l'idrogeno verde come soluzioni chiave per soddisfare le esigenze di stoccaggio dell'energia nella rete.

In che modo la Hornsdale Power Reserve contribuisce alla stabilità della rete?

L’Hornsdale Power Reserve contribuisce alla stabilità della rete rispondendo rapidamente alle fluttuazioni di offerta e domanda, immagazzinando l’eccesso di energia rinnovabile e fornendo supporto di alimentazione di emergenza nei momenti critici.