La principale fonte rinnovabile al mondo dovrà crescere per consentire una migliore integrazione delle fonti rinnovabili volatili, puntando a un ridotto impatto ambientale e alla flessibilità
La digitalizzazione per l’idroelettrico rappresenta un elemento strategico per contribuire a rendere più sostenibile ed efficiente la principale fonte di energia rinnovabile al mondo.
“L’energia idroelettrica offre spazio alla digitalizzazione, al tempo reale e al controllo remoto, strategie emergenti per supportare la transizione digitale e verde dell’UE. Le soluzioni digitali possono essere implementate sia per il monitoraggio che per migliorare la qualità dell’ambiente circostante”, si legge nell’analisi annuale del Joint Research Centre (JRC) della Commissione europea dedicata all’idroelettrico, e condotta nell’ambito del Clean Energy Technology Observatory.
Nello stesso documento si mette in luce come la digitalizzazione sia necessaria per ottimizzare il funzionamento, facilitare le operazioni di manutenzione, ridurre i costi e aumentare la resilienza dalle minacce fisiche e informatiche. Ma, come vedremo, l’elemento digitale è altrettanto importante per ridurre l’impatto ambientale di una fonte imprescindibile per il quadro energetico europeo e mondiale. Il contributo dell’energia idroelettrica al Pil annuo dell’UE (e Regno Unito) è di 25 miliardi di euro. In termini occupazionali, l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA) stima che a livello mondiale sono circa 2,36 milioni i lavoratori diretti nel settore idroelettrico (dati 2021); solo in Europa, si contano 120mila dipendenti.
Takeaway
Energia idroelettrica: qualche dato utile
Tra le fonti energetiche rinnovabili, l’idroelettrica assicura una potenza complessiva installata di 1.397 GW. Fornisce circa 4.400 TWh, ovvero oltre il 15% dell’elettricità mondiale, e il 59% di quella generata dalle FER (Fonte: World Hydropower Outlook 2023). Il 2022 ha segnato un passo avanti sostanziale: per la prima volta dal 2016 più di 30 GW di energia idroelettrica sono entrati in funzione (principalmente, in Cina).
Sull’idroelettrico si aspettano molto sia IEA che IRENA: per raggiungere l’obiettivo net zero carbon emission entro il 2050, l’Agenzia internazionale per l’Energia indica che sono necessari più di 1300 GW di capacità idroelettrica aggiuntiva, raggiungendo una capacità installata totale di quasi 2700 GW. Conclusioni simili sono presentate nello scenario del percorso di 1,5°C prodotto da IRENA, in cui la flotta idroelettrica dovrà raddoppiare nei prossimi 30 anni, raggiungendo una capacità installata complessiva di oltre 2.900 GW, di cui quasi 420 GW idroelettrici di pompaggio.
Nell’Unione europea l’attuale capacità idroelettrica è di 155 GW, con una produzione media annua di 360 TWh/anno. Lo ricorda Emanuele Quaranta, scientific officer presso il JRC della Commissione europea ed esperto di idroelettrico, nel report dedicato:
«La generazione idroelettrica rappresenta la quota più elevata da FER, insieme all’eolico, e corrisponde a circa il 12% della produzione netta di elettricità della UE. Inoltre, la UE ospita circa un quarto (in termini di capacità installata) degli impianti di pompaggio a livello globale (Pumped Hydro Storage, PHS): nei PHS, la UE ospita circa 45 GW di potenza installata per il turbinaggio, e circa 32 GW per il pompaggio».
Perché si punta sull’idroelettrico? Innanzitutto perché offre una elevata efficienza.
Quella idroelettrica, oltre a essere una tecnologia consolidata, garantisce efficienze complessive generalmente superiori all’80%. L’efficienza della turbina idroelettrica può raggiungere il 95%, che è circa cinque volte superiore a quella del fotovoltaico e tre volte superiore a quella dei generatori eolici.
Tuttavia, uno degli aspetti da considerare nell’idroelettrico – come anche per le altre fonti energetiche e non solo – riguarda l’impatto ambientale. I generatori idroelettrici non emettono direttamente inquinanti atmosferici. Tuttavia, dighe, bacini idrici e gli stessi generatori idroelettrici possono influire sull’ambiente in vario modo.
Il ruolo della digitalizzazione per l’idroelettrico
Come può essere utile la digitalizzazione nell’idroelettrico? In molti modi. Le tecnologie finalizzate al controllo in tempo reale possono migliorare le prestazioni complessive delle centrali idroelettriche. Tutto quello che riguarda digitalizzazione, informazione, comunicazione e controllo può essere impiegato per il funzionamento, l’efficienza e le prestazioni ambientali, contribuendo così alla sostenibilità dell’energia idroelettrica.
Un impiego possibile riguarda la manutenzione predittiva, per estendere la durata delle apparecchiature, ridurre le interruzioni e valutare i rischi di sicurezza informatica. Le tecnologie digitali sono in grado di migliorare l’efficienza complessiva dell’impianto idroelettrico, e anche di aumentare la sicurezza delle dighe nonché di prevenire frane.
“L’impiego di un algoritmo genetico per la regolazione in tempo reale può essere utile per la previsione dell’energia e del flusso idrico, e in serbatoi multiuso per migliorare l’allocazione dell’acqua e l’economia del serbatoio”.
Inoltre, la digitalizzazione è utile per modernizzare le infrastrutture idroelettriche esistenti, opportunità che interessa buona parte degli asset la cui età media in UE sfiora i 45 anni. Lo stesso scientific officer del JRC e altri esperti hanno stimato che la digitalizzazione degli impianti permetterebbe un incremento dell’efficienza di circa l’1%, ma l’energia addizionale generata grazie alla digitalizzazione potrebbe aumentare in alcuni casi fino al 10% annuo, se si considerano anche l’aumento delle ore di funzionamento e un utilizzo della risorsa idrica più efficace. Inoltre, la produzione annua di elettricità dalla flotta idroelettrica esistente potrebbe essere aumentata ulteriormente di circa l’8% (corrispondente a circa 30 TWh/anno), implementando altre strategie di ammodernamento, come l’ammodernamento dei dispositivi elettromeccanici e delle strutture di convogliamento delle acque. Sempre nel report, Quaranta illustra che:
«Solo nell’UE si contano circa 4500 grandi dighe (impianti con altezza superiore ai 15 metri oppure tra i 5-15 m ma con un volume di oltre 1 milione di metri cubi), di cui quasi il 70% sono per scopo singolo e il resto per scopo multiplo. L’idroelettrico è uno degli impieghi: in entrambe le categorie, la finalità idroelettrica compare in circa la metà degli invasi. In totale, se si considerano tutti i tipi di impianti idroelettrici (anche quelli senza invaso), il numero stimato è di circa 24mila impianti idroelettrici, circa il 90% dei quali con potenza inferiore ai 10 MW e il 75% inferiore a 1 MW».
Digitalizzazione e sostenibilità: l’idroelettrico per la transizione digital e green
Transizione ecologica e digitale sono due priorità della Commissione europea. E se, in materia di biodiversità e protezione della natura, le politiche UE costituiscono importanti restrizioni per la produzione e lo sviluppo di energia da fonte idroelettrica, dall’altro lato c’è la necessità di puntare su questa importante fonte energetica per raggiungere gli obiettivi fissati in RePowerEU. Per questo la digitalizzazione per l’idroelettrico può costituire un elemento prezioso: per ridurre l’impatto ambientale degli impianti idroelettrici, ma anche per ottimizzare le loro prestazioni.
Pochi mesi fa la Commissione europea ha indetto un bando per finanziare progetti di ricerca internazionali sulle tecnologie digitali applicate al settore idroelettrico. L’obiettivo era rinnovare, aggiornare e aumentare la capacità idroelettrica esistente per renderla adatta alle sfide del mercato e del futuro sistema energetico e per supportare quote crescenti di fonti energetiche rinnovabili variabili.
L’aspetto ambientale è sempre considerato, come in un nuovo bando volto all’ammodernamento sostenibile degli impianti. Nel caso dell’idroelettrico, la digitalizzazione può fornire più di un contributo, incluso nel settore ambientale.
«Grazie a sistemi digitali è possibile svolgere monitoraggio continuo dei vari parametri mediante cui si possono effettuare interventi correttivi per migliorare lo stato ambientale: per esempio, nel caso in cui l’ossigeno disciolto nell’acqua ha un valore inferiore all’ottimale, è possibile iniettarne una determinata quantità in modo da ripristinare i valori ideali. Oppure, si può intervenire sulla temperatura stessa dell’acqua, in modo da rilasciarla in valle a una temperatura ottimale (“prelievo selettivo”). Inoltre, si possono monitorare le strutture di passaggio dei pesci, che permettono loro di migrare attraverso la diga. Anche in questo caso si può monitorare la portata, la velocità, i livelli e adattare con delle apposite paratie il funzionamento in modo da creare le condizioni ideali perché i pesci possano spostarsi in maniera più agevole».
La digitalizzazione per l’idroelettrico del futuro: dai digital twin alla robotica
Transizione ecologica, energetica e digitale caratterizzeranno sempre più l’idroelettrico, soprattutto in UE. Specifica ancora Quaranta, con riferimento a un suo articolo scientifico:
«Se il primo “elemento di futuro” è l’ammodernamento degli impianti esistenti, va considerata la possibilità di impiegare l’idroelettrico nelle infrastrutture idriche esistenti come i vecchi mulini, gli acquedotti o impianti di trattamento delle acque. In essi è possibile installare turbine per produrre energia idroelettrica. Il potenziale che si può installare nei mulini, negli acquedotti, negli impianti di trattamento acque, arriva a circa 5/6 TWh/anno di energia, corrispondente a un 2% aggiuntivo sul complesso».
L’uso razionale della risorsa idrica, l’aumento dell’efficienza, la flessibilità di generazione, l’integrazione con altre fonti energetiche e un impatto ridotto sugli ecosistemi rappresentano i principali pilastri per progettare l’idroelettrico del futuro.
Un’altra applicazione possibile, già testata sperimentalmente, per rendere sostenibile (in termini di efficienza) e digitale gli impianti idroelettrici è costituita dal digital twin. Un esempio applicativo è rappresentato da Hydro-Clone, sistema di monitoraggio della simulazione in tempo reale. Si tratta di un gemello digitale che replica l’impianto idroelettrico, potendo riprodurre in tempo reale qualsiasi comportamento dinamico dell’impianto in base alle condizioni al contorno misurate in situ.
C’è poi l’opportunità di impiegare tecniche di intelligenza artificiale. Per esempio, il colosso energetico cinese State Power Investment Corporation ha introdotto una suite di strumenti per automatizzare e ottimizzare le routine di ispezione e manutenzione nelle sue centrali elettriche in Cina. Ogni giorno presso la centrale idroelettrica di Wuqiangxi, nella provincia di Hunan, una flotta di droni dotati di strumenti di riconoscimento di immagini e suoni, termometro a infrarossi e altri dispositivi, raccoglie dati che vengono utilizzati da una piattaforma in remoto per fornire una diagnosi dello stato di salute della stazione in tempo reale. L’AI è adottata per generare suggerimenti di manutenzione che consentono di basare la manutenzione sulle condizioni delle apparecchiature piuttosto che sulle operazioni programmate.
L’impiego di grandi quantità di dati per prendere decisioni mirate è al centro delle strategie della italiana Enel Green Power che già nel 2017 ha avviato Big Data Hydro, investendo in totale 2,5 milioni di euro per migliorare l’attività dell’intera flotta idroelettrica di EGP (che gestisce circa 800 centrali nel mondo). Anche in questo caso l’uso dei dati serve ad analizzare il funzionamento degli impianti per ottimizzarne l’esercizio e identificare in modo tempestivo eventuali malfunzionamenti attraverso l’impiego di tecniche di analisi statistica.
Infine, la robotica sarà adottata per la manutenzione degli impianti idroelettrici. A questo proposito va citato l’esempio del robot nato dalla collaborazione tra EDF, il principale produttore di elettricità in Francia, e la startup Watertracks. Nessie, questo il nome della soluzione, permette di rimuovere sedimenti e detriti dal fondo di laghi e bacini.
