Produzione d’energia eolica e accumulo distribuito

La produzione eolica su larga scala è pronta per essere una risorsa futura per l’approvvigionamento elettrico. Come tale, ci sono sfide incombenti legate all’integrazione della produzione eolica, la cui produzione varia nel corso della giornata e da minuto a minuto. Accoppiare la generazione variabile di energia eolica con lo stoccaggio dell’elettricità distribuita – specialmente all’interno di “tasche di carico” costruite per generazione e/o trasmissione – può essere molto allettante per aumentare il valore della produzione eolica e fornire una serie di vantaggi per i vari attori del sistema elettrico.

Una sfida significativa per gli operatori di rete è l’effettiva integrazione di una quantità crescente di energia rinnovabile distribuita, la cui produzione varia nel tempo. Le variazioni avvengono anno dopo anno, stagione per stagione, su base giornaliera, oraria e perfino minuto per minuto. I tipi di generazione di energie rinnovabili variabili, o non programmabili, includono l’energia eolica, solare (in particolare il fotovoltaico), e quella che sfrutta le onde marine e la potenza delle maree.

Per il futuro prevedibile, si prevede che la produzione di elettricità più variabile da fonti rinnovabili dipenda molto dalla generazione di energia eolica. Ma c’è anche un crescente interesse per le risorse energetiche distribuite. Si possono dunque combinare i benefici dell’integrazione della rinnovabili con i vantaggi “localizzati” associati allo stoccaggio distribuito, ovvero lo stoccaggio situato nel sistema di distribuzione dell’utility, in corrispondenza o vicino a dove viene utilizzata l’energia elettrica.

Con il rapido sviluppo della generazione di energia eolica durante questi anni, sono stati creati molti grandi parchi eolici e l’impatto negativo delle fluttuazioni di energia eolica sulla rete elettrica è diventato significativo. Un sistema di accumulo dell’energia distribuito – che può attenuare le fluttuazioni dell’energia eolica e offrire prestazioni migliori nei parchi eolici più grandi – può far fronte a questo effetto e massimizzare il rapporto di utilizzazione dell’energia eolica.

Si noti che, a differenza dei metodi di accumulo tradizionali, i moderni sistemi di accumulo di energia possono venire collocati vicino ai centri in cui si trovano i carichi piuttosto che vicino ai parchi eolici, in linea di principio senza richiedere ulteriori investimenti. Infatti, le stazioni di ricarica per i veicoli elettrici possono venire costruite all’interno di alcune delle stazioni di stoccaggio dell’energia e questi veicoli elettrici possono anche essere considerati dei dispositivi di accumulo di energia.

Inoltre, possono venire applicati diversi tipi di dispositivi per migliorare la velocità di risposta e la capacità del sistema di accumulo di energia. Inoltre, questi sistemi di accumulo di energia distribuiti hanno prestazioni migliori se combinati con altri tipi di generazione di energia rinnovabile. La ricerca in tale campo si basa sulla simulazione digitale e sull’esperimento dinamico, ed i risultati mostrano che questa strategia di stoccaggio energetico distribuito è più efficace dei metodi tradizionali.

Lo stoccaggio distribuito con le batterie delle auto elettriche plug-in in ricarica presso le apposite stazioni, che non vengono usati per circa il 90% del tempo dagli utenti, aiuta il cosiddetto “livellamento del carico” nella rete elettrica, eliminando i picchi.

I benefici e le sinergie dello stoccaggio distribuito sono numerosi. Ad esempio, di notte, quando si verifica la maggior parte della generazione di energia eolica, la richiesta di energia e quindi il valore dell’energia sono bassi. Accumulando quell’energia a basso valore per un uso futuro quando la domanda è più alta, il suo valore viene aumentato. Perciò, vi è un interessante vantaggio di tipo economico che è possibile quantificare al computer con degli appositi software di simulazione.

Per coincidenza, il sistema di trasmissione delle utenze è sottoutilizzato e più efficiente di notte, quindi caricare il sistema di accumulo distribuito con energia eolica “sfusa” durante questo periodo di sottoutilizzo aumenta e ottimizza l’utilizzo delle infrastrutture di trasmissione e distribuzione. L’utilizzo dello stoccaggio distribuito per fornire energia elettrica più vicina agli utenti finali offre dunque più vantaggi della stessa quantità di energia prelevata da più lontano rispetto agli utenti finali.

L’integrazione della generazione eolica nei sistemi di distribuzione e trasmissione elettrica pone alcune sfide ben caratterizzate. Ad esempio, l’energia elettrica prodotta dalla generazione eolica di notte contribuisce a un numero crescente di ore durante le quali prevalgono i “prezzi negativi”. Questo perché la fornitura di energia elettrica supera la domanda e l’elettricità generata e immessa in rete non può essere ridotto senza penalizzazioni significative in termini di costi o prestazioni.

Una risposta particolarmente interessante è l’uso di sistemi di accumulo di elettricità distribuiti per immagazzinare l’energia di basso valore generata durante la notte da grandi centrali eoliche. Per coincidenza, l’energia viene trasmessa e distribuita allo stoccaggio quando i sistemi di trasmissione e distribuzione sono caricati leggermente, in modo da funzionare in modo più efficiente. Ciò aumenta l’utilizzo di tali beni, perché più energia viene trasmessa e consegnata dalla rete.

Viceversa, questa capacità di trasmissione e distribuzione viene liberata per trasmettere e fornire più energia, in tempo reale, durante i picchi di domanda. Per ridurre le perdite di energia nella trasmissione e distribuzione durante il picco, è necessaria meno generazione totale, e una minore capacità di trasmissione e distribuzione per compensare le perdite di energia. Lo stesso sistema di accumulo potrebbe anche essere utilizzato per mantenere la rete elettrica operativa in modo stabile e affidabile.

Dunque, non deve stupire che alcune delle domande più frequenti sull’energia eolica riguardino proprio il ruolo dello stoccaggio dell’energia nell’integrazione dell’energia eolica con la rete elettrica. La realtà è che, mentre sono stati condotti diversi progetti dimostrativi di stoccaggio dell’energia su piccola scala, un Paese come gli Stati Uniti è stato in grado di aggiungere più di 60.000 MW di energia eolica alla rete senza aggiungere alcun accumulo di energia su scala commerciale.

Allo stesso modo, paesi europei come la Danimarca, la Spagna, l’Irlanda e la Germania hanno integrato con successo grandi quantità di energia eolica senza dover installare nuove risorse di stoccaggio dell’energia. Negli Stati Uniti, numerosi studi peer-reviewed hanno concluso che l’energia eolica può fornire il 20% o più del fabbisogno di elettricità del Paese senza bisogno di immagazzinare energia. Com’è possibile? Il segreto sta nell’usare le fonti di flessibilità già presenti sulla rete elettrica.

Variabilità della produzione eolica irlandese in un giorno qualsiasi (15/6/11).

Ogni giorno, gli operatori di rete gestiscono costantemente la variabilità della domanda e dell’offerta di elettricità aumentando e diminuendo la produzione dei generatori “flessibili”: centrali elettriche come dighe idroelettriche o impianti di gas naturale che possono cambiare rapidamente il loro livello di generazione. Pertanto, l’acqua trattenuta da una diga oppure il gas naturale contenuto in una conduttura possono essere considerati entrambi una forma di accumulo di energia.

In pratica, gli operatori utilizzano questa energia dei generatori flessibili quando è necessaria e la “immagazzinano” quando non lo è. Gli operatori di rete utilizzano queste stesse risorse flessibili per adattarsi a qualsiasi variabilità introdotta dall’energia eolica. Un’enorme quantità di flessibilità è dunque già integrata nel sistema di alimentazione. La domanda di elettricità può variare di un fattore tre o più a seconda dell’ora del giorno e dell’anno, che a livello nazionale si traduce in gigawatt.

Questa flessibilità è già integrata nel sistema di alimentazione. Poiché queste centrali elettriche e altre fonti di flessibilità sono già state costruite, è quasi sempre molto più economico usare questa flessibilità piuttosto che costruire nuove fonti di flessibilità come le strutture di stoccaggio dell’energia, sebbene i continui progressi nella tecnologia di immagazzinamento dell’energia possono renderlo più economicamente competitivo come fornitore di flessibilità della rete.

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