La progressiva elettrificazione dei consumi e l’incremento delle fonti rinnovabili richiedono reti di trasmissione più efficienti. In loro aiuto arrivano le Grid-Enhancing Technologies, ancora poco impiegate, ma capaci di offrire migliori prestazioni e risparmi.
Per raggiungere la transizione energetica e soddisfare al meglio il crescente fabbisogno di energia elettrica, riducendo le emissioni, c’è bisogno di un massiccio apporto di fonti rinnovabili e di un sistema elettrico efficiente. Le reti rappresentano la colonna vertebrale di questo sistema e sono al centro di una profonda trasformazione. L’International Energy Agency, nel report “Electricity Grids and Secure Energy Transitions”, scrive che, per raggiungere gli obiettivi fissati dai singoli Paesi in termini di diffusione energetica, occorre aggiungere o rinnovare più di 80 milioni di chilometri di reti entro il 2040. Essi equivalgono all’intera rete globale già esistente.
L’evoluzione del sistema energetico vede un sempre maggiore contributo delle fonti energetiche rinnovabili, fotovoltaico ed eolico in particolare, fondamentali per ridurre drasticamente le emissioni e per cercare di limitare il riscaldamento medio globale a 1,5 °C, come stabilito dall’Accordo di Parigi.
La stessa IEA ha previsto, nel World Energy Outlook 2023, che l’elettricità fornita dalle rinnovabili passerà dal 30% di oggi al 50% nel 2030, per aumentare ulteriormente nei successivi vent’anni. Questa trasformazione richiede la necessità di interconnettere gli impianti FER (Fonti di Energia Rinnovabile), permettendo alla generazione distribuita di esprimere tutto il proprio potenziale.
Attualmente, l’interconnessione soffre di pesanti limitazioni, causate dalla mancanza di nuove infrastrutture, ma anche da un sistema in gran parte datato. Nell’Unione Europea, il 40% delle reti di distribuzione ha più di 40 anni [fonte: Commissione UE]. Oltreoceano, la situazione è simile. Negli USA, buona parte della rete elettrica è stata costruita negli anni Sessanta e Settanta del XX secolo; il 70% delle linee di trasmissione ha più di 25 anni e si sta avvicinando alla fine del ciclo di vita, stimato di 50-80 anni [fonte: Department of Energy].
Per migliorare la situazione in modo sostenibile ed efficiente, si guarda con sempre maggiore interesse alle Grid-Enhancing Technologies (GET). Si tratta di soluzioni hardware e software che vengono implementate nel sistema di trasmissione esistente, contribuendo ad aumentarne la capacità, la flessibilità e l’efficienza.
Takeaway
Cosa sono le Grid-Enhancing Technologies
Produrre energia elettrica e portarla fino alle utenze finali è il compito che è chiamato a svolgere il sistema elettrico. Esso si compone di tre fasi: la prima riguarda la produzione di energia elettrica. La seconda è la trasmissione: si attua mediante una serie di servizi di dispacciamento, che comprendono la gestione e il bilanciamento dei flussi di energia elettrica attraverso la rete dedicata, che trasporta l’elettricità su grandi distanze e ad alta tensione. Per rendere fruibile l’energia agli utenti finali, si procede alla distribuzione: essa comprende l’attività di trasporto dell’energia elettrica attraverso le cabine primarie e secondarie, dove avviene la trasformazione dell’elettricità in media e bassa tensione.
Le Grid-Enhancing Technologies operano migliorando le operazioni e la pianificazione della fase di trasmissione. Comprendono principalmente sistemi Dynamic Line Rating (DLR), Power Flow Control (PFC) e di Topology Optimization (TO), che possono essere impiegati singolarmente o combinati tra loro.
I sistemi DLR utilizzano una combinazione di fonti di dati (riguardanti la temperatura, l’irradiazione solare o la velocità del vento, per esempio) e sensori per calcolare in tempo reale la capacità operativa di una linea di trasmissione. Monitorano le linee di trasmissione per comprendere quando esse possono gestire più corrente di quella che normalmente possono trasportare. Utilizzano i dati per calcolare la capacità di trasporto di corrente del conduttore, tenendo conto di tutti i fattori in grado di influenzare la sua capacità di dissipare il calore. Questi sistemi consentono ai servizi pubblici di aumentare in sicurezza la quantità di energia che può essere trasmessa sulle linee esistenti.
I PFC sono dispositivi di controllo di flusso, impiegati per reindirizzare l’energia lontano dalle linee congestionate e verso linee con maggiore capacità. Possono contribuire a risolvere sovraccarichi termici o problemi di stabilità della tensione, reindirizzando l’elettricità nel giro di millisecondi per bypassare circuiti congestionati.
Le soluzioni TO comprendono componenti software e hardware (sensori, smart meter e dispositivi di monitoraggio). I primi permettono di individuare le riconfigurazioni del sistema di trasmissione che possono alleviare i vincoli sulle linee, reindirizzando il flusso di potenza attorno a tali vincoli. I componenti hardware servono a raccogliere dati in tempo reale, aiutando gli operatori di rete a prendere decisioni informate e di rispondere rapidamente a possibili mutamenti.
I vantaggi delle Grid-Enhancing Technologies per ottenere un sistema elettrico efficiente
Sono diversi i benefici previsti dall’adozione delle Grid-Enhancing Technologies per la messa a punto di sistema elettrico efficiente. Secondo la Federal Energy Regulatory Commission, le GET potrebbero contribuire a una maggiore capacità della rete esistente, riducendo – o evitando – la necessità di costruire in futuro nuovi asset di trasmissione. È quanto si legge nell’Order 2023, un dispositivo normativo emanato negli Stati Uniti. In esso si riporta che:
«… il potenziale di risparmio sui costi derivante dall’uso dei GET è troppo importante per essere ignorato. Potrebbe potenzialmente far risparmiare miliardi di dollari in costi evitati per nuove risorse di trasmissione»
Le tecnologie di potenziamento della rete vengono impiegate sull’infrastruttura di rete esistente, contribuendo a migliorarla in modo rapido e significativo. Supportano l’integrazione delle energie rinnovabili️ e massimizzano l’attuale capacità della rete. Prendiamo, ad esempio, i sistemi DLR. Essi comprendono hardware e software con cui è possibile aggiornare in tempo reale i limiti termici calcolati delle linee di trasmissione esistenti, come spiega il Dipartimento dell’Energia statunitense, nell’articolo “Grid-Enhancing Technologies: From R&D to Reality”:
«Nelle giornate fredde o ventose, le linee elettriche possono facilmente fornire il 50% di energia in più rispetto ai limiti indicati»
Uno studio condotto dal Rocky Mountain Institute, intitolato “GETting Interconnected in PJM”, ha messo in evidenza i vantaggi offerti dall’impiego dei GET non solo per l’infrastruttura esistente, ma anche per facilitare l’interconnessione di nuove infrastrutture.
Prima di allacciare un nuovo impianto di produzione energetica da fonti rinnovabili, gli operatori di trasmissione energetica devono condurre studi di impatto per comprendere quali accorgimenti sono necessari per collegarlo. È un processo complesso, in cui i progetti vengono inseriti in specifici elenchi noti come “code di interconnessione”. Queste code sono sempre più lunghe.
Secondo lo studio del Lawrence Berkeley National Laboratory “Queued Up: Characteristics of Power Plants Seeking Transmission Interconnection”, la quantità di nuova capacità di generazione da FER attiva nelle code di interconnessione, tra produzione (1.260 GW) e stoccaggio (680 GW), supera la capacità dell’attuale sistema elettrico statunitense.
Dall’analisi del Rocky Mountain Institute, i GET potrebbero facilitare l’interconnessione economicamente vantaggiosa di 6,6 GW di nuovi progetti solari, eolici e di stoccaggio entro il 2027 nei cinque Stati studiati.
Inoltre, grazie alla combinazione tra i nuovi impianti FER abilitati con GET e alla riduzione della congestione, si potrebbero ridurre i costi di produzione energetica di circa un miliardo di dollari l’anno fino al 2030.
Sistema elettrico efficiente: il futuro delle GET punta su droni, digital twins e machine learning
Per consentire di creare i presupposti atti a un sistema elettrico efficiente, è importante applicare le GET, ma anche diffonderne la loro conoscenza. Uno dei più evidenti limiti, finora, è l’impiego ancora poco significativo.
Proprio per colmare le lacune nella conoscenza di queste tecnologie, è nato il progetto TOGETs (Transmission Optimization with Grid Enhancing Technologies), guidato dall’Idaho National Laboratory. Esso intende testare, verificare e convalidare le tecnologie specifiche.
Il DoE ha stanziato, lo scorso novembre, 8,4 milioni di dollari per sostenere l’attività di ricerca e sviluppo finalizzata a implementare diverse soluzioni GET, puntando su quattro progetti. Uno di questi, condotto dalla Georgia Tech Research Corporation, intende sviluppare strumenti per modellare e ottimizzare l’implementazione multipla e meccanismi in grado di integrare queste tecnologie sui sistemi esistenti. Se avrà successo, fornirà agli operatori di sistema e alle parti interessate rilevanti modelli di implementazione Advanced Power Flow Control e DLR convalidati sul campo.
Il secondo progetto sovvenzionato si focalizza su attività utili a mettere a punto digital twins per aumentare la capacità di trasmissione e ridurre la congestione, che affligge le fonti rinnovabili. In particolare, NV Energy, che si occupa della ricerca, intende studiare la capacità delle linee elettriche nello sviluppare metodi utili a migliorare la resilienza della rete di trasmissione. Il progetto identificherà le posizioni ottimali per i sensori, in modo da ridurre al minimo il loro numero.
Altri 2,1 milioni di euro andranno a Pitch Aeronautics, che ha messo a punto un drone tramite cui è possibile installare sensori su linee elettriche in lavori sotto tensione, per ora a livello sperimentale presso l’Idaho National Laboratory. Questi sensori trasmettono in modalità wireless informazioni meteorologiche e sullo stato della linea a un database accessibile tramite API. Inoltre, insieme a INL, Pitch Aeronautics sta lavorando allo sviluppo di un sensore DLR installabile con i droni.
Il quarto e ultimo stanziamento andrà all’Università del Connecticut per la validazione, il miglioramento e la dimostrazione sul campo di un progetto per lo sviluppo di nuovi sensori DLR alimentati a energia solare, lungo le linee di trasmissione nel Massachusetts, dove è prevista la realizzazione del primo parco eolico offshore dello Stato.
In futuro, è quanto mai probabile l’impiego di tecniche di intelligenza artificiale non solo nelle future smart grid,ma anche nel migliorare i GET. A questo proposito, va segnalato lo studio condotto da ricercatori della Universiti Sains Malaysia, “Dynamic line rating forecasting algorithm for a secure power system network”. Gli studiosi dell’ateneo asiatico hanno messo a punto un algoritmo di machine learning per migliorare la capacità previsionale del DLR, sfruttando il monitoraggio in tempo reale dei dati atmosferici e di linea per ottimizzare la capacità delle linee di trasmissione di energia.
Glimpses of Futures
L’impiego delle Grid-Enhancing Technologies potrà contribuire, se impiegate in modo diffuso, a migliorare la rete.
Per raggiungere gli obiettivi energetici e climatici nazionali dei Paesi, il consumo mondiale di elettricità deve aumentare del 20% più velocemente nel prossimo decennio rispetto a quello precedente [fonte: IEA]. Nello scenario Net Zero Emissions fissato dall’Agenzia internazionale dell’Energia al 2050, l’energia eolica e solare rappresenteranno quasi il 90% dell’aumento. Tutti questi fattori richiedono un profondo lavoro per realizzare un sistema elettrico efficiente e intelligente, oltre che più moderno ed esteso.
Ricorrendo alla matrice STEPS, tentiamo ora di anticipare scenari futuri, analizzando i possibili impatti che l’evoluzione delle tecnologie per potenziare la rete elettrica potrebbero avere dal punto di vista sociale, tecnologico, economico, politico e della sostenibilità.
S – SOCIAL: una rete elettrica inefficiente o congestionata può esporre a problemi di blackout, che possono causare disagi e problemi di sicurezza alla popolazione. Nel 2021, l’interruzione elettrica causata dalla tempesta invernale Uri, ha provocato, in Texas, la morte di oltre 240 persone e ha lasciato al buio e al freddo oltre 4 milioni di case e aziende [Fonte: Time]. L’adozione delle Grid-Enhancing Technologies permetterebbe un risparmio di costi per gli operatori, che si rifletterebbero positivamente anche sulle bollette, garantendo un accesso più equo e sostenibile all’energia anche alle famiglie più in difficoltà.
T – TECHNOLOGICAL: le tecnologie di ottimizzazione della rete come sistemi avanzati di monitoraggio e controllo, analisi dei dati in tempo reale e manutenzione predittiva possono migliorare la resilienza della rete. Le GET, inoltre, consentono la perfetta integrazione nella rete di risorse energetiche distribuite come impianti fotovoltaici residenziali, sistemi di energy storage e veicoli elettrici. Queste tecnologie favoriscono flussi di energia bidirezionali (una volta che potrà essere possibile abilitare la tecnologia vehicle to grid), aprendo alle risorse energetiche distribuite la possibilità di contribuire maggiormente alla stabilità e all’affidabilità della rete.
E – ECONOMIC: l’adozione delle GET porterebbe vantaggi economici e occupazionali sensibili. Secondo il report “Unlocking the Queue with Grid-Enhancing Technologies”, di The Brattle Group, si potrebbero ottenere oltre 5 miliardi di dollari di risparmi sui costi di produzione negli Stati Uniti, più di 330mila posti di lavoro solo per il primo anno e quasi 20mila posti di lavoro a lungo termine. Viceversa, la lenta diffusione dell’elettricità generata da fonti rinnovabili soffoca lo sviluppo economico, sottolinea lo studio “Seeds of Opportunity” di RMI. Esso prevede che, entro il 2030, le comunità rurali possano ottenere 11 miliardi di dollari all’anno di entrate dai progetti eolici e solari che dovrebbero essere realizzati entro il 2030: «… quanto più a lungo questi progetti restano in coda, tanto più tardi le comunità dovranno attendere gli investimenti di capitale e così i posti di lavoro generabili».
P – POLITICAL: l’adozione delle GET nel sistema elettrico statunitense è promosso dal già citato Order 2023, considerato di grande valore per l’evoluzione del settore energetico, in particolare per quanto riguarda l’integrazione di nuovi impianti di generazione nella rete elettrica nazionale. In Europa, il Clean Energy Package fissa un obiettivo minimo vincolante del 70% per la capacità degli interconnettori elettrici disponibili per lo scambio interzonale, che deve essere raggiunto da tutto il sistema di trasmissione dell’UE, nel rispetto dei limiti di sicurezza operativa. Ad oggi, si è ancora lontani dal traguardo. L’impiego delle Grid-Enhancing Technologies aiuterebbe a raggiungerlo, segnala CurrENT, Associazione industriale rappresentante delle aziende innovative nel settore della tecnologia di rete attive in Europa. Nel report “Grid Enhancing Technologies supporting TSOs to achieve the 70% target”, essa auspica che la Commissione Europea presenti uno studio sui vantaggi dei GET nell’implementazione del 70% e una guida per i PNEC.
S – SUSTAINABILITY: le soluzioni GET nascono per rendere il sistema elettrico più efficiente e per favorire l’interconnessione degli impianti da fonti rinnovabili. Questo secondo aspetto ha un impatto favorevole dal punto di vista ambientale: secondo il già citato report di The Brattle Group, l’adozione delle Grid-Enhancing Technologies comporterebbe una riduzione annua di 90 milioni di tonnellate di CO2 equivalente, «più che sufficienti a compensare tutte le nuove automobili vendute ogni anno negli Stati Uniti».
