Energia eolica e integrazione nella rete elettrica

La penetrazione dell’energia eolica on-shore e off-shore continua a crescere in quasi tutti Paesi avanzati. Ebbene, risorse rinnovabili come l’energia eolica possono già essere integrate in modo efficiente in termini di costi e affidabilità con la rete elettrica senza usare l’accumulo di energia. Vi sono infatti diverse risorse di rete disponibili per fornire flessibilità. I “mercati” e la “generazione flessibile” sono le opzioni di costo più basso per fornire flessibilità, quindi sono la risorsa preferita per accogliere la variabilità generale della rete, inclusa qualsiasi variabilità incrementale aggiunta dall’energia eolica.

Gli studi sull’integrazione dell’eolico negli Stati Uniti hanno costantemente riscontrato che l’utilizzo di queste fonti esistenti di flessibilità del sistema per adeguarsi alla variabilità aggiunta dall’energia eolica costa circa il 10% del valore all’ingrosso tipico dell’energia eolica. Questi studi peer-reviewed hanno anche rilevato che la maggior parte delle regioni dispongono di risorse flessibili esistenti a basso costo per accogliere l’energia eolica che fornisce il 20% o più dell’elettricità in una regione.

Oggi esistono modi innovativi per utilizzare fonti di flessibilità attualmente non sfruttate sulla rete elettrica esistente, che sono meno costose rispetto ai nuovi impianti di stoccaggio. Ad esempio, la cosiddetta “risposta alla domanda” – in cui i grandi consumatori di energia come le fabbriche riducono brevemente il loro consumo di energia non essenziale in cambio di tariffe elettriche più basse – è già utilizzata da diversi operatori di rete per fornire una grande quantità di flessibilità a costi molto bassi.

Inoltre, migliori procedure operative della rete possono rendere più flessibile la pianificazione (o l’uso) delle centrali elettriche. Infine, l’espansione dei mercati energetici, così come la creazione di mercati specifici per la flessibilità stessa, possono creare dei forti incentivi per i proprietari di centrali elettriche affinché rendano i loro impianti più flessibili. I nuovi sistemi di accumulo di energia dovrebbero pertanto essere economicamente competitivi con tutte queste fonti di flessibilità.

La riduzione occasionale della produzione di energia eolica può anche essere una fonte di flessibilità molto conveniente. Infine, la nuova generazione flessibile – in particolare le centrali elettriche a gas naturale, che sono meno inquinanti delle grandi centrali a carbone – può essere aggiunta alla rete a basso costo per fornire una maggiore flessibilità. Pertanto, sembrano esserci una grande quantità di risorse flessibili in grado di fornire flessibilità a costi inferiori rispetto allo stoccaggio di energia.

La flessibilità fornita alla rete elettrica dai vari tipi di impianti o interventi.

L’alto costo dello stoccaggio di energia è il motivo principale per cui oggi non è molto utilizzato. L’utilizzo dello stoccaggio di energia per fornire flessibilità in genere costa almeno diversi centesimi per kWh solo per i costi in conto capitale (senza considerare i costi operativi, il valore dell’energia persa nel processo di conversione e altri costi). Ad es. i costi per la costruzione di un nuovo impianto idroelettrico di pompaggio sono elevati per la disponibilità limitata di siti idonei e per le restrizioni ambientali.

Lo stoccaggio idroelettrico pompato e lo stoccaggio di energia ad aria compressa (pompaggio di aria nelle caverne sotterranee, da utilizzare successivamente per far girare un generatore a turbina) sono tra le opzioni di stoccaggio di energia più economiche: diversi centesimi per kWh. Tuttavia, le fonti di flessibilità esistenti, come gli impianti idroelettrici e di gas naturale, sono in grado di fornire flessibilità a una frazione di questo costo: in pratica a costi dell’ordine di 1/10 di centesimo per kWh.

Inoltre, molti tipi di accumulo di energia sono inadeguati per aiutare ad adattarsi al tipo specifico di variabilità che l’energia eolica aggiunge alla rete elettrica. L’output di energia eolica mostra una scarsa variabilità nell’arco del tempo, con cambiamenti significativi nella produzione che tendono a verificarsi solo su scale di tempo pari o superiori a 30 minuti. Fortunatamente, è molto più economico fornire flessibilità su questi periodi di tempo più lunghi rispetto a quelli corti, ad esempio di un secondo.

Le riserve di 30 minuti, ad esempio, costano in media 50 volte in meno rispetto alle riserve di pochi secondi. Alcune tecnologie di immagazzinamento dell’energia, come volani e batterie avanzate, possono essere convenienti per accogliere la variabilità della domanda sui secondi, ma le tecnologie di immagazzinamento dell’energia non possono attualmente competere con le fonti di flessibilità convenzionali per accogliere la variabilità dell’energia eolica su una scala di più lunga durata.

Alcune persone presumono che la produzione di energia eolica debba essere “stabilizzata”, cioè che la sua variabilità debba essere livellata, per renderla preziosa per le utility elettriche o per gli operatori di sistema. In realtà, come abbiamo cercato di spiegare in questo articolo, non è necessario che le singole centrali elettriche forniscano una potenza costante; questa è naturalmente una buona cosa, poiché tutte le centrali elettriche subiscono interruzioni impreviste abbastanza frequentemente.

Come già discusso, una significativa variabilità è già naturalmente presente sulla rete elettrica, su varie scale temporali, a causa delle variazioni della domanda e dell’offerta di energia elettrica, ad esempio quando i consumatori accendono e spengono le apparecchiature e le centrali elettriche vanno inaspettatamente fuori servizio. Molti cambiamenti nella produzione di energia eolica annullano effettivamente le variazioni opposte della domanda o dell’offerta di energia.

Pertanto, il tentativo di “stabilizzare” l’energia eolica può effettivamente aggiungersi alla variabilità totale della rete elettrica. Al contrario, ha più senso che l’immagazzinamento dell’energia sia visto come una risorsa di sistema che può aiutare a livellare la variabilità complessiva di tutti i generatori e di tutta la domanda sulla rete elettrica, e non come risorsa dedicata per un singolo tipo di generatore o carico. Solo in rare situazioni ha senso accoppiare l’accumulo di energia con un impianto eolico.

Se ad esempio un vincolo sulla rete di trasmissione impedisce a un impianto eolico oppure ad un gruppo di impianti eolici di vendere la loro piena produzione su una base coerente, potrebbe essere economico immagazzinare l’elettricità che altrimenti sarebbe stata sprecata. Tuttavia, questo tipo di applicazione costituisce una correzione a breve termine; costruire una rete di trasmissione è in genere la soluzione a lungo termine più ottimale per un vincolo di trasmissione.

In conclusione, sebbene l’accumulo di energia elettrica non sia necessario per integrare l’energia eolica con la rete elettrica e spesso non sia economicamente vantaggioso, avere alcuni tipi di accumulo di energia sulla rete può ridurre modestamente il costo dell’integrazione dell’eolico. Tuttavia, dato il basso costo dell’utilizzo della flessibilità esistente per integrare l’energia eolica, è difficile per queste tecnologie di stoccaggio competere economicamente se devono svolgere solo tale funzione.

La curva di flessibilità della fornitura di energia eolica. L’accumulo con batterie è più costoso dell’accumulo tradizionale, ovvero con il pompaggio idrolettrico o con il gas.

Gli studi sull’integrazione dell’eolico hanno permesso di determinare con precisione il valore che l’accumulo di energia fornisce per integrare l’energia eolica. Supponendo una penetrazione dell’eolico del 10% sulla rete elettrica con e senza la presenza di stoccaggio idroelettrico, uno studio ha rilevato che lo stoccaggio pompato riduce i costi di integrazione dell’eolico di circa 0,1 centesimi per kWh di energia eolica. All’apparenza, un sistema di accumulo sembra essere una soluzione conveniente.

Dato, però, che una nuova centrale idroelettrica pompata costa in genere ben oltre 1 milione di €/ MW di capacità installata, ci vorranno più di 100 anni per rimborsare il costo iniziale dell’impianto sulla base dei benefici per il solo eolico, senza nemmeno prendere in considerazione costi di finanziamento o operativi per l’impianto idroelettrico pompato. Pertanto, lo stoccaggio di energia ha un ostacolo elevato da superare e ciò vale anche per altre tecnologie di accumulo, come le batterie.

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