Livellamento del carico e sistemi di accumulo

I vantaggi forniti dallo stoccaggio dell’energia sembrano essere quasi illimitati e non vi è eccezione nei sistemi di rete elettrica. Lo stoccaggio di energia può essere utilizzato per livellare un carico elettrico caricando l’accumulo quando il carico del sistema è basso e scaricare l’accumulo quando il carico del sistema è alto. Questa tecnica è nota come “livellamento del carico”. Uno dei maggiori vantaggi che il livellamento del carico può produrre è l’eliminazione di costosi generatori a gas, utilizzati perché possono reagire a cambiamenti drastici in un modo che altri generatori non possono fare.

Infatti, se il carico è abbastanza regolare, non è necessario utilizzare i generatori a gas, perché non ci sono cambiamenti drastici nel carico. Il livellamento del carico richiede che un dispositivo di accumulo abbia una capacità molto elevata. Diversi tipi di stoccaggio di grandi dimensioni sono stati studiati per capire quali sono i più adatti per le applicazioni di livellamento del carico. In ultima analisi, i migliori sistemi sono risultati essere l’accumulo in batterie e l’accumulo idrico pompato.

Lo stoccaggio di energia utilizzato per l’applicazione del livellamento del carico può essere economicamente più o meno vantaggioso in base al tipo di accumulo utilizzato. Lo stoccaggio in batterie non è oggi abbastanza pronta per essere usato per questa applicazione, ma con alcuni miglioramenti alla tecnologia potrebbe esserlo presto. L’immagazzinamento pompato, d’altra parte, è il più economico accumulo di energia a livello di rete e può generare una grande quantità di guadagno.

Le applicazioni di accumulo di energia che sembrano produrre il maggior guadagno economico sono quelle di livellamento del carico e di “rasatura del picco” (peak shaving). Quest’ultimo è stato utilizzato in passato sia per la protezione dei sistemi elettrici sia per il guadagno finanziario. La rasatura dei picchi si è dimostrata utile per l’applicazione a livello di rete utilizzando accumuli di potenza inferiore a 10 MW, che proteggono le apparecchiature e ne riducono il costo grazie alla riduzione dei picchi.

Un profilo di carico completamente piatto ridurrebbe il costo complessivo della generazione dovuto al fatto che tutti i generatori termoelettrici possano funzionare sempre con la stessa potenza in uscita. Idealmente sarebbe molto utile utilizzare l’accumulo di energia per ottenere un profilo di carico completamente piatto, tuttavia, a causa dei tassi di scarica non costante delle unità di accumulo di energia, ci vorrebbe una quantità di unità di accumulo molto grande per raggiungere questo obiettivo.

Con una quantità ragionevole di unità di accumulo di energia, il caso migliore che si possa ottenere è un profilo molto più piatto del carico originale, ma non perfettamente piatto. Deve essere anche scelto il miglior tipo di accumulo di energia per l’applicazione del livellamento del carico di interesse al fine di determinarne la fattibilità e il beneficio economico che producono. Vi sono alcuni vantaggi che alcune forme di accumulo possono avere e che altre forme non hanno.

Un diagramma che illustra il concetto di “livellamento del carico”.

Va notato che per l’applicazione del livellamento del carico è richiesta molta più energia rispetto alla “rasatura del picco”. La ricarica dello stoccaggio di energia aumenta il carico quando il carico “cade”, ad es. durante le prime ore del mattino. Per il livellamento del carico, il carico è aumentato o abbassato rispetto al valore medio del carico dei sistemi. L’energia immagazzinata viene scaricata durante le ore di picco – ad es. mezzogiorno e prima serata – nel tentativo di mantenere un profilo di carico piatto.

Supponiamo che la curva di carico abbia due picchi. Questi due picchi presentano la sfida di decidere quando scaricare i dispositivi di accumulo. Una soluzione a questo problema è scaricare metà del dispositivo di accumulo durante il primo picco e in seguito scaricare l’altra metà del dispositivo di archiviazione durante il secondo picco. Però, a meno che entrambi i picchi siano esattamente uguali in ampiezza – cosa improbabile – il carico rimarrà irregolare in entrambi i casi.

Le tre strategie di livellamento del carico

La domanda di elettricità da parte dei consumatori e dell’industria è in costante cambiamento, ampiamente all’interno delle seguenti categorie di tempo: stagionale (durante gli inverni oscuri è necessaria più illuminazione elettrica e riscaldamento, mentre in altri climi il caldo aumenta il fabbisogno di aria condizionata); settimanale (la maggior parte delle attività chiudono durante il fine settimana, riducendo la domanda); giornaliera (come un picco del mattino quando gli uffici sono aperti); oraria.

I dispositivi elettrici generalmente hanno un intervallo di tensione di lavoro per cui richiedono, comunemente, 220-240 V. Variazioni minori nel carico vengono automaticamente livellate da lievi variazioni nella tensione disponibile nel sistema. Le centrali elettriche possono essere fatte funzionare al di sotto della loro normale produzione, con la possibilità di aumentare la quantità che generano quasi istantaneamente. Questa è definito “riserva di rotazione”.

Inoltre, della generazione aggiuntiva può essere portata online. Tipicamente, questa è costituita da turbine idroelettriche o a gas, che possono essere avviate in pochi minuti. Il problema con le turbine a gas di riserva è rappresentato dai costi più elevati, mentre tali apparecchiature di generazione costose sono inutilizzate per la maggior parte del tempo. Anche la riserva di rotazione ha un costo, in quanto gli impianti al di sotto della potenza massima sono solitamente meno efficienti.

L’idroelettrico (linea blu) è un tipico esempio di impianto usato come “inseguitore del carico”  (linea rossa) e compensa anche le fluttuazioni della generazione eolica e termica. Quest’ultima è usata per alimentare il “carico di base” (base load).

L’accumulo di energia in una rete viene utilizzato per spostare la generazione dai momenti di carico di picco alle ore non di picco. Le centrali elettriche sono così in grado di funzionare al massimo dell’efficienza anche durante le notti e nei fine settimana. Le strategie di livellamento della domanda-offerta possono dunque essere intese a ridurre il costo di fornitura di potenza di picco oppure per compensare la produzione intermittente di energia eolica e solare, sempre più rilevante.

L’energia derivata da fonti solari, maremotrici e eoliche varia intrinsecamente: la quantità di elettricità prodotta varia a seconda dell’ora del giorno, della fase lunare, della stagione e di fattori casuali come il tempo. Sebbene il collegamento di molte fonti eoliche separate possa ridurre la variabilità generale, il solare non è disponibile in modo affidabile durante la notte, e l’energia delle maree si sposta con la luna, quindi le maree si verificano in modo irregolare quattro volte al giorno.

In un picco estivo, più solare può essere generalmente assorbito e abbinato alla domanda. Nei picchi invernali, in misura minore, il vento è correlato alla domanda di riscaldamento e può essere utilizzato per soddisfare tale domanda. A seconda di questi fattori, oltre il 20-40% della produzione totale delle fonti intermittenti connesse alla rete tendono a richiedere investimenti nelle interconnessioni della rete, nello stoccaggio dell’energia della rete o nella gestione della domanda.

Pertanto, le energie rinnovabili in assenza di stoccaggio presentano particolari problemi alle utenze elettriche. In una rete elettrica priva di accumulo dell’energia, la generazione che fa affidamento sull’energia immagazzinata all’interno di combustibili (carbone, biomassa, gas naturale, nucleare, etc.) deve essere scalata e abbinata per adeguarsi all’aumento e alla diminuzione della produzione elettrica da fonti intermittenti (si parla perciò di centrale elettrica “inseguitrice di carico”).

Mentre gli impianti idroelettrici e quelli a metano possono essere rapidamente scalati di potenza verso l’alto o verso il basso per seguire l’andamento dell’eolico, il carbone e le centrali nucleari richiedono molto tempo per rispondere al carico. Le utenze con meno gas naturale o generazione idroelettrica sono quindi più dipendenti dalla gestione della domanda, dalle interconnessioni di rete o dall’accumulo costoso tramite il pompaggio dell’acqua. In tali casi, l’accumulo a batterie può essere una soluzione.

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