Rinnovabili e sistemi sempre più integrati

In un mondo preoccupato per i cambiamenti climatici, l'impennata della generazione da energia rinnovabile non programmabile negli ultimi vent’anni ha richiesto, e richiederà ancora di più in futuro, una maggiore flessibilità del sistema elettrico. A ottobre 2020, in occasione della presentazione del rapporto "Energy Technology Perspectives 2020", il direttore esecutivo della IEA Fatih Birol ha spiegato che «nonostante le difficoltà causate dalla crisi del Covid-19, diversi sviluppi recenti ci danno motivo di aumentare l’ottimismo sulla capacità del mondo di accelerare le transizioni di energia pulita e raggiungere i suoi obiettivi energetici e climatici. Tuttavia, rimangono problemi importanti». L’entità della sfida è notevole, sebbene siano numerose le innovazioni e i modelli di energia rinnovabile che prendono forma in tutto il mondo.

Uno dei componenti che permettono di migliorare la flessibilità del sistema è l’energy storage. Gli accumuli elettrochimici, insieme al Demand Side Management (DSM), rappresentano la soluzione per far fronte a questa esigenza. Già oggi stiamo assistendo all’installazione di batterie accanto a parchi solari ed eolici negli impianti a energia rinnovabile. Si tratta di un trend particolarmente rilevante nell’economia delle aziende “ibride”, che possono accumulare energia per erogare servizi di sistema e per il bilanciamento. Secondo l’Energy Storage Outlook 2019, una delle funzioni delle batterie con maggiori prospettive riguarda l’immissione di energia nella rete in un periodo della giornata diverso rispetto a quello in cui l’energia è stata prodotta e accumulata.

In ogni caso, per consentire la transizione a un settore energetico sostenibile è fondamentale il sostegno delle azioni governative dei singoli Paesi, che dovrebbero sostenere le iniziative green e stanziare fondi per la lotta al cambiamento climatico. Poiché il solare e l'eolico tendono a essere più variabili e incerti rispetto alle fonti convenzionali, raggiungere questi obiettivi comporterà modifiche alla pianificazione e alle operazioni del sistema di alimentazione. Grazie a metodi efficaci di integrazione della rete si potrà massimizzare il rapporto costo-efficacia dell'incorporazione di fonti energetiche rinnovabili variabili (VRES) nel sistema di alimentazione, mantenendo o aumentando anche la stabilità e l'affidabilità della struttura.

«Nonostante i numerosi riferimenti – spiegavano gli autori dello studio "Getting Wind and Sun onto the Grid", pubblicato nel 2017 dall'IEA – la discussione sull'integrazione della VRE (Variable Renewable Energy) è spesso ancora viziata da idee sbagliate, miti e, in alcuni casi, anche da disinformazione. Le affermazioni comunemente sentite includono che lo stoccaggio dell'elettricità è un prerequisito per integrare VRE e che i generatori convenzionali sono esposti a costi aggiuntivi molto elevati man mano che la quota VRE cresce». Tali affermazioni distorte, si evince dal report, possono distrarre i decisori dalle questioni reali e rallentare l'implementazione delle rinnovabili variabili.

Un futuro rinnovabile

In quest'ottica è interessante il quadro disegnato dall'ultimo rapporto pubblicato da IRENA, l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili, in merito alle soluzioni di integrazione delle VRE nei sistemi di alimentazione. Nello studio si esaminano le soluzioni per favorire la diffusione dell’energia rinnovabile (solare ed eolica) in relazione a quattro dimensioni dell’innovazione: tecnologie abilitanti, modelli di business, progettazione del mercato e funzionamento del sistema. La sinergia tra questi quattro elementi riduce i costi di integrazione di elevate quote di energia rinnovabile variabile, rendendo più flessibili la produzione, la trasmissione e il consumo di energia.

Secondo le stime della tabella di marcia 2050 di IRENA, decarbonizzare il settore energetico globale in linea con gli obiettivi dell’Accordo di Parigi richiederà una quota dell’85% di energia rinnovabile nella produzione totale di elettricità entro il 2050. A quel punto, le energie rinnovabili variabili rappresenterebbero il 60% della potenza totale generata a livello globale. Passando a una nuova fase in cui il massiccio, ma economicamente vantaggioso, aumento delle energie rinnovabili è fondamentale, la trasformazione del settore energetico sarà fortemente accelerata dalle tendenze innovative nella digitalizzazione, nel decentramento e nell'elettrificazione dei settori di uso finale. «Comprendere e apprendere dalle esperienze dei paesi leader nell’integrazione VRES – sostiene Irena – è fondamentale per replicare e potenziare l’innovazione che può accelerare questa trasformazione».

Gli autori del report guardano all’UE28 come leader nell’integrazione, con circa il 15% di quota VRES nella produzione annuale di elettricità, prevista in aumento di quasi il 50% entro il 2050. Per i tre più grandi sistemi energetici al mondo – Cina, India e Stati Uniti – si prevede un raddoppio della propria quota di VRES a oltre il 10% della generazione annuale entro il 2022.

Flessibilità e Storage

All'interno dello scenario appena tracciato emerge come il settore energetico abbia preso in carico un duplice e fondamentale ruolo: da un lato c'è la spinta a portare avanti il processo di decarbonizzazione grazie a importanti investimenti nelle fonti rinnovabili; dall'altro c'è quello di indirizzare, gestire e risolvere problemi di sicurezza energetica, causati dagli effetti del cambiamento climatico e dal calo della domanda elettrica provocato dall'emergenza Covid-19. Ricordiamo a questo proposito come le misure di isolamento adottate nel primo semestre del 2020 siano state la principale causa di riduzione dei consumi elettrici in Italia (-25%), in Francia (-20%) e nel Regno Unito (-12%) nella cornice temporale di marzo-aprile 2020 rispetto al 2019.

In prima linea fra i protagonisti del settore energetico impegnati a garantire efficienza e affidabilità al sistema, CESI ha pubblicato in estate (come riportato nel precedente numero di Energy Journal) uno studio dove si evidenzia come la crisi a cui stiamo assistendo rappresenti quello che potrebbe accadere fra circa cinque anni in termini di penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili rispetto al carico: 44% nel 2020, rispetto al 30% nello stesso periodo del 2019. Osservando quanto avvenuto nel corso del lockdown, è emersa un'anticipazione di ciò che avverrebbe nel sistema elettrico italiano se non venissero implementate le misure di flessibilità necessarie per gestire un sistema ad alta penetrazione di rinnovabili. Di fatto, è il momento di accelerare il processo di integrazione, identificando le strategie indispensabili a garantire condizioni sicure durante l'immissione in rete di quote elevate di VRE. «Per quanto riguarda le fondamentali attività di test, ispezioni e certificazioni – spiega l’Amministratore Delegato di CESI, Matteo Codazzi – CESI e KEMA Labs forniscono servizi per tutti i principali componenti dei sistemi di alimentazione. Questo nuovo approccio ci consente di raggiungere obiettivi che soddisfino in modo efficiente le esigenze dei nostri clienti, utilizzando in tutto il mondo le nostre risorse all’avanguardia e le competenze di alta qualità».

Attraverso il Flex Power Grid Laboratory di Arnhem, Paesi Bassi, KEMA Labs aiuta i produttori a testare e verificare i sistemi di accumulo di energia in condizioni realistiche ma controllabili. Grazie alla connessione a una rete flessibile (che consente di imitare le condizioni di rete della vita reale e di variare parametri come frequenza e tensione), i test del Flex Power Grid Laboratory sono in grado di mostrare, ad esempio, il ruolo principale svolto dall'inverter nel determinare le prestazioni di rete dei sistemi di accumulo di energia. O verificare il comportamento dei sistemi durante il funzionamento standard e in scenari estremi come variazioni di frequenza, sovratensione e sottotensione, inquinamento della rete e altro.

Analisi e studi di integrazione

In ambito internazionale, oltre alle attività di consulenza per supportare le strategie di investimento dei protagonisti del settore energetico, CESI produce analisi di profittabilità (necessarie a identificare opportuni interventi regolatori e facilitare così la roadmap di futuri investimenti nel settore), analisi di impatto e studi di conformità relativi alle opportunità di mercato e allo sviluppo di requisiti tecnici necessari a integrare le FER ai sistemi di trasmissione.

Tenendo conto della complessità del sistema, CESI ha sviluppato una serie di simulatori dei mercati elettrici che permettono di identificare la necessità e la profittabilità di investimenti nell’accumulo (dagli scenari previsionali alle regole di mercato, dalle prestazioni delle batterie all’evoluzione delle tecnologie). Le simulazioni quantitative condotte da CESI consentono, dunque, di quantificare quali siano i servizi più profittevoli per gli accumuli e di eseguire un’analisi avanzata dei rischi. CESI inoltre utilizza questi strumenti per vari studi condotti a livello globale con l’obiettivo di evidenziare una serie di parametri, tra cui il ruolo chiave delle batterie per l’integrazione di energia rinnovabile non programmabile nella rete elettrica.

Un esempio di analisi tailor-based è quella relativa al progetto Renewable Integration Development Project (RIPD), che ha coinvolto la Repubblica d’Irlanda e l’Irlanda del Nord: in quell'ambito è stato essenziale ottimizzare contemporaneamente la struttura della rete di trasmissione dei due Paesi e i relativi sistemi di controllo, così da ridurre al minimo il rischio di dispersione delle energie rinnovabili non programmabili. In altri studi, condotti in Paesi subsahariani (come Etiopia, Kenya e Zambia) per Res4Africa ed Enel Foundation, è stato invece importante valutare il ruolo di sistemi di accumulo elettrochimico e idrico per periodi di estrema siccità. L'obiettivo di questa attività ha riguardato l'integrazione di fonti energetiche rinnovabili variabili nel sistema elettrico etiope. La crescente penetrazione delle tecnologie eolica e fotovoltaica è stata analizzata nel medio e lungo termine (orizzonte anni 2025 e 2030) considerando l'affidabilità, l'integrità e l'efficienza del sistema di alimentazione elettrica. Tuttavia, lo sfruttamento del grande potenziale di energia rinnovabile deve essere accompagnato dalla realizzazione delle interconnessioni internazionali attuali e future che sono un driver strategico chiave per sfruttare il vantaggio dell'Etiopia come esportatore di energia competitivo in termini di costi verso i mercati energetici regionali più costosi.

Guardando all’area del Mediterraneo, nell’ambito del programma gestito dalla Banca Mondiale, CESI ha elaborato uno studio relativo al settore energetico turco-cipriota, con l’obiettivo di sostenere lo sviluppo e l'integrazione delle energie rinnovabili nel sistema. Attraverso un piano di espansione per la generazione di costi minimi e l'esecuzione di analisi statiche, dinamiche e di affidabilità nel periodo 2020-2040, lo studio dimostra i vantaggi economici e la fattibilità tecnica dello sviluppo delle VRES e della diversificazione dal petrolio nella produzione di energia all'interno dell'isola. In Medio Oriente, per l’Arab Fund For Economic and Social Development (AFESD), CESI ha invece realizzato lo studio di fattibilità sull’interconnessione elettrica e gas, nonché il trading energetico tra i 20 paesi della Lega Araba, con l’obiettivo di definire la strategia e il master plan per lo sviluppo di un mercato dell’energia regionale, sia in termini di infrastrutture che di regole di mercato.

Infine, nell'ambito della sua missione di supportare l'attuazione degli obiettivi di policy dell'UE attraverso il finanziamento di solidi progetti di investimento, la Banca Europea per gli Investimenti ha assegnato al CESI un accordo quadro per servizi di consulenza nell'ambito del lotto “Power Generation, Transmission & Distribution”. Nell'ambito delle attività erano comprese la trasmissione di energia elettrica (HVAC, HVDC, terrestre, offshore) e le reti di distribuzione di energia elettrica (distribuzione attiva e contatori intelligenti).

Una prospettiva sui diversi impianti

Proprio per analizzare le criticità legate alla continua evoluzione dei sistemi di alimentazione, CESI ha svolto un webinar dal titolo "Rinnovabili: nuovi requisiti di connessione e principali sfide per metterli in rete", con l'obiettivo di fornire una prospettiva sui diversi impatti (sistema, rete, mercato) ed entrare nello specifico di argomenti come i requisiti del codice di rete, gli adeguamenti normativi per gestire la transizione e le misure per abilitare la connessione delle VRE ai sistemi di trasmissione e distribuzione.

Non a caso Francesco La Camera (Direttore Generale dell’Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili) ha spiegato di recente come «i paesi in Europa e in tutto il mondo stiano lavorando per superare l’impatto economico del Covid-19 ed è fondamentale che la trasformazione del sistema energetico sia al centro degli sforzi di ripresa». Secondo La Camera, la spesa pubblica, le politiche di implementazione e un quadro normativo che favorisca la diffusione delle energie rinnovabili sono elementi fondamentali per garantire che la transizione sostenga la ripresa economica, slegando la crescita dall’aumento delle emissioni.

«Sono necessarie – ha concluso – politiche che promuovano l’integrazione delle fonti di energia rinnovabile variabile nella rete elettrica, insieme a politiche industriali che sfruttino e migliorino il potenziale nazionale di ogni paese».