Tre approcci alla stabilizzazione della rete
In tutto il mondo, le fonti di energia alternative vengono collegate alle reti di distribuzione per migliorare la sostenibilità e ridurre l'impatto ambientale. Tuttavia, la proliferazione delle fonti di energia può rendere più complessa la gestione della rete. Questo articolo esamina rapidamente alcuni approcci di risposta e mostra come le banche di carico possano offrire un valore.
I dolori della crescita
Le reti di distribuzione collegano in genere più centrali elettriche ai clienti in un'ampia area. Per garantire un funzionamento sicuro e corretto, la tensione, la frequenza e altre caratteristiche elettriche della rete devono essere mantenute entro intervalli specifici. Se questi parametri escono dall'intervallo, la rete potrebbe diventare instabile, producendo effetti che possono avere un impatto o danneggiare le apparecchiature della rete elettrica. Un effetto... quando la quantità di energia sulla rete supera la domanda, la tensione operativa può aumentare, creando un effetto di inversione di potenza che può danneggiare le apparecchiature di produzione di energia nelle centrali elettriche.
Si potrebbe concludere che le società di servizi pubblici dovrebbero ridurre il loro apporto di energia, riducendo o chiudendo le centrali di produzione. Possono farlo... fino a un certo punto. Tuttavia, l'apparato di generazione delle centrali elettriche, che in genere comprende grandi caldaie a vapore e turbine a vapore complesse e sensibili, potrebbe non essere in grado di funzionare correttamente senza produrre una quantità minima di energia. Inoltre, un'utility potrebbe dover affrontare spese e perdite operative elevate se il suo apparato di generazione non viene caricato come previsto. Per questi motivi e altri ancora, le utility devono mantenere livelli base di produzione di energia.
Soluzioni potenziali
Esistono diverse soluzioni per gestire l'eccesso di potenza che altrimenti destabilizzerebbe una rete elettrica. Le sezioni seguenti illustrano brevemente tre approcci.
1. Immagazzinare l'energia in eccesso per utilizzarla quando la domanda aumenta
Batterie di accumulo
Per immagazzinare l'energia in eccesso da consumare quando la domanda supera l'offerta si possono utilizzare diversi mezzi. Un approccio è quello di utilizzare batterie di accumulo, che si caricano ogni volta che l'energia in eccesso è disponibile e si scaricano quando la domanda aumenta. In questo modo si può applicare un carico sufficiente per evitare una condizione di inversione di potenza e soddisfare i picchi di domanda. Forse l'esempio più famoso di una soluzione di accumulo a batterie è la Hornsdale Power Reserve vicino ad Adelaide, nell'Australia meridionale, che utilizza la tecnologia e le apparecchiature sviluppate da Tesla.
Questo approccio non è privo di limiti. Uno di questi è che le batterie hanno una capacità limitata di immagazzinare energia. Questo aspetto diventa rilevante quando l'area servita da una rete elettrica è interessata da un periodo prolungato di tempo soleggiato e temperato. Quando le batterie raggiungono la loro capacità, non saranno più in grado di assorbire l'energia in eccesso. Senza un altro mezzo per assorbire o consumare questa energia, le batterie potrebbero non riuscire a stabilizzare la rete una volta caricate completamente.
Inoltre, i difetti di progettazione o di produzione potrebbero causare condizioni come il thermal runaway, in cui le batterie si surriscaldano a tal punto da provocare incendi o danni termici. Nel febbraio 2018, la Commissione statunitense per la sicurezza dei prodotti di consumo ha segnalato oltre 25.000 incidenti di surriscaldamento o incendio che hanno coinvolto più di 400 tipi di dispositivi di consumo alimentati con batterie al litio nell'arco di cinque anni. 1Piùrecentemente, le batterie agli ioni di litio che alimentano le automobili potrebbero aver avuto un ruolo in un incendio che ha provocato l'affondamento di una nave da carico. 2
Accumulo di energia idraulica
Un altro mezzo di stoccaggio dell'energia è la generazione idroelettrica. È possibile creare un serbatoio per immagazzinare l'acqua al di sopra di un altro corso d'acqua costruendo una diga idroelettrica. Nei periodi di eccesso di energia, l'energia elettrica viene utilizzata per pompare l'acqua dal corso d'acqua al serbatoio. Quando la domanda di energia aumenta, l'acqua immagazzinata viene rilasciata dal serbatoio attraverso le apparecchiature di generazione nella diga per creare energia. La Yards Creek Generating Station nel New Jersey, USA, ne è un esempio. L'acqua viene pompata ogni giorno dal fiume Delaware in due serbatoi quando la domanda di energia è bassa, per poi essere rilasciata nuovamente nel fiume quando la domanda di energia è alta. I serbatoi coprono più di 450 acri (182+ ettari), immagazzinano più di 10.000 acri-piedi (~13 milioni di metri cubi) di acqua e possono fornire fino a 420 megawatt di potenza.3
Per tutti i loro vantaggi, i progetti di accumulo di energia presentano molteplici caratteristiche che devono essere prese in considerazione. Queste includono:
Requisiti di spazio: L'accumulo di energia su scala richiede spazio, potenzialmente molto spazio. Per un progetto di stoccaggio a batteria, l'ingombro delle attrezzature può essere grande, per un serbatoio, ancora più grande. Di conseguenza, questi impianti funzionano meglio al di fuori delle aree urbane, dove è meno probabile che lo spazio sia disponibile e le comunità circostanti sarebbero più facilmente interessate da potenziali impatti.
Capacità finita di assorbire il carico: Quando le batterie sono completamente cariche o un serbatoio è pieno, la soluzione non può più essere utilizzata per stabilizzare la rete quando è disponibile energia in eccesso. Allo stesso modo, una soluzione di accumulo di energia completamente piena non può distribuire energia fino al ritorno di una domanda sufficiente.
Impatto ambientale: Il ciclo di vita delle soluzioni di accumulo di energia ha un impatto sull'ambiente, anche se in modi diversi. Per le batterie, le preoccupazioni ambientali iniziano con l'estrazione dei minerali, si estendono alla produzione e allo smaltimento delle sostanze tossiche utilizzate per la loro costruzione. Nel caso dell'energia idroelettrica, la costruzione di una diga e di un bacino idrico consuma una vasta area di terreno che altrimenti potrebbe avere un valore ecologico, agricolo o economico.
Considerazioni sulla sicurezza: Le batterie sovraccariche possono presentare problemi di sicurezza. Eventi come gli incendi nell'elettronica di consumo e nell'impianto di stoccaggio delle batterie di Tesla mostrano i potenziali risultati dei problemi nei sistemi di stoccaggio delle batterie su piccola e grande scala. Le dighe utilizzate per creare bacini idrici forniscono in genere un servizio affidabile, ma devono essere progettate, costruite, ispezionate e mantenute correttamente per evitare rischi eccessivi per le comunità a valle. Indipendentemente dalla tecnologia, lo stoccaggio di grandi quantità di energia in un unico luogo richiede precauzioni per evitare eventi che potrebbero avere un impatto sulla salute umana, sulla sicurezza o sull'ambiente.
2.Convertire l'energia in eccesso in carburante
L'elettricità in eccesso può alimentare l'elettrolisi dell'acqua, un processo relativamente semplice che produce idrogeno e ossigeno. Esistono già usi industriali per queste sostanze e l'idrogeno può essere utilizzato come combustibile. L'ossigeno è utilizzato anche in campo sanitario. Essendo un combustibile più pulito, un uso più ampio dell'idrogeno potrebbe svolgere un ruolo nelle strategie energetiche future ed è stato proposto come carburante sostitutivo per i veicoli a motore e per altre applicazioni che attualmente si basano sul petrolio.
La conversione dell'energia in eccesso in idrogeno presenta alcuni problemi:
- Gli impianti di produzione e stoccaggio dell'idrogeno richiedono uno spazio adeguato. Le aziende di servizi pubblici potrebbero non essere in grado di collocare questi impianti dove è disponibile l'energia in eccesso, richiedendo quindi la costruzione di infrastrutture di trasmissione verso i luoghi di produzione.
- L'utilizzo dell'energia di rete in eccesso dipende dal corretto funzionamento di qualsiasi processo o impianto di produzione dell'idrogeno. Se la produzione di idrogeno viene interrotta, l'impianto non può essere utilizzato per stabilizzare la rete quando necessario.
- La produzione di sostanze chimiche non rientra negli interessi commerciali e nelle competenze chiave della maggior parte dei produttori di energia elettrica. Il ricorso a terzi per l'utilizzo dell'energia in eccesso per la produzione di idrogeno potrebbe comportare rischi commerciali.
- L'idrogeno e l'ossigeno sono gas esplosivi che vengono tipicamente stoccati sotto pressione e presentano quindi rischi per la sicurezza che devono essere gestiti.
- Al di là degli usi attuali, non esistono infrastrutture per l'emergente "economia dell'idrogeno". Senza infrastrutture aggiuntive, potrebbe non esserci domanda per tutto l'idrogeno che potrebbe essere prodotto.
- Potrebbe non essere pratico localizzare la produzione di idrogeno vicino ai luoghi in cui è disponibile l'energia in eccesso, in particolare nelle aree densamente sviluppate.
- Come le soluzioni di stoccaggio dell'energia di cui sopra, la produzione di idrogeno non può essere utilizzata per stabilizzare una rete dopo che gli impianti di stoccaggio sono pieni.
3. Assorbire e dissipare l'energia in eccesso con i banchi di carico
I banchi di carico sono dispositivi elettrici che convertono l'energia in calore, che viene poi dissipato nell'ambiente circostante. Facili da installare e da utilizzare, non si basano sulla conversione chimica dell'energia come le batterie di accumulo e la produzione di idrogeno.
I banchi di carico adatti sono ora disponibili per l'industria elettrica e offrono un ingombro ridotto e costi di capitale e di esercizio favorevoli. Inoltre, possono funzionare indipendentemente dalle condizioni atmosferiche e, poiché non sono mai "pieni", possono fornire carichi stabilizzanti a tempo indeterminato. Possono essere utilizzati quasi ovunque sia disponibile energia in eccesso.
A differenza delle altre soluzioni esaminate, i banchi di carico dissipano l'energia in eccesso. Mentre le altre soluzioni utilizzano parte della potenza in eccesso per convertire l'energia da una forma all'altra, i load bank assorbono l'intera quantità in eccesso. In questo senso, l'efficienza delle reti che utilizzano i load bank potrebbe essere inferiore a quella delle reti stabilizzate con altri mezzi. Tuttavia, considerando questa inefficienza rispetto alle conseguenze di una rete elettrica instabile o danneggiata, i load bank possono diventare un'opzione interessante.
Sintesi
La proliferazione delle fonti energetiche alternative offre vantaggi in termini di sostenibilità, ma può rendere più difficile il funzionamento di una rete elettrica affidabile. Quando le nuove fonti producono un eccesso di energia, sono necessarie soluzioni per garantire il funzionamento corretto e affidabile della rete elettrica. L'immagazzinamento dell'energia in batterie e serbatoi d'acqua può contribuire a stabilizzare le reti assorbendo l'energia quando è disponibile una quantità eccessiva di energia, per poi rilasciarla nuovamente nella rete quando la domanda di energia è maggiore. Allo stesso modo, l'energia può essere utilizzata per produrre carburante da utilizzare successivamente. Questi tipi di soluzioni richiedono spazio, presentano problemi logistici e di sicurezza e offrono capacità limitate di stoccaggio dell'energia. I banchi di carico, invece, offrono una soluzione di stabilizzazione compatta e affidabile per gestire l'energia in eccesso e sono disponibili da subito.
1Commissione statunitenseper la sicurezza dei prodotti di consumo. Relazione sullo stato di avanzamento del progetto sulle batterie ad alta densità energetica. 12 febbraio 2018. p.4. https://www.cpsc.gov/s3fs-public/High_Energy_Density_Batteries_Status_Report_2_12_18.pdf?UksG80UJqGY0q4pfVBkbCuUQ5sNHqtwO, consultato l'11 marzo 2020.
2QuartzMedia, Inc. Le batterie agli ioni di litio stanno alimentando il fuoco di una nave da carico in fiamme piena di Porsche. Aurora Almendral. 21 febbraio 2022. https://qz.com/2130711/electric-vehicles-make-it-harder-to-quell-fire-on-felicity-ace-cargo-ship/, consultato il 14 marzo 2020.
3NationalAssociation of Utility Regulatory Commissioners. Nesso tra acqua ed elettricità: Una visita alla stazione idroelettrica di pompaggio di Yards Creek. Uprenda Chivukula. Non datato. https://www.naruc.org/bulletin/the-bulletin-03-08-2018/nexus-between-water-and-electricity/, consultato l'11 marzo 2020.
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