La produzione di energia elettrica rinnovabile sta aumentando un po’ in tutto il mondo a ritmi sostenuti, come pure in Italia. In particolare si sono imposte fonti come l’eolica e la solare fotovoltaica, grazie ad una notevole riduzione dei costi della tecnologia (vedi per il fotovoltaico) e alla facilità con la quale possono essere installate. Questo ha consentito alle due fonti di conquistare quote di produzione sempre maggiori nel sistema elettrico di molti paesi.
La fonte eolica e fotovoltaica hanno alcune caratteristiche peculiari:
- Sono disponibili solo in forma elettrica. Sembra un po’ banale a dirsi, ma le altre fonti di energia elettrica sono basate sull’energia termica contenuta nei combustibili utilizzati nelle centrali, che si tratti di combustibili fossili (gas, petrolio, carbone), rinnovabili (bioenergie) o nucleari (uranio e affini). I combustibili possono essere facilmente stoccati e accumulati mentre per l’energia elettrica è tutto più complicato.
- Non sono programmabili. Le risorse naturali utilizzate per produrre energia (vento e sole) sono aleatorie, non sono quindi disponibili su richiesta, quando ce n’è bisogno. In sostanza, non è possibile definire un programma di produzione in base alle necessità di consumo.
- Sono intermittenti. Ovvero, le variazioni della produzione aleatoria possono essere di breve termine (minuti, ore) e di notevole intensità. Basta pensare al sole che viene offuscato temporaneamente da delle nubi.
- Hanno notevoli variazioni giornaliere e stagionali. Le variazioni aleatorie di produzione non sono solo di breve termine ma possono riguardare interi giorni, settimane, mesi. Come sappiamo, è normale avere interi giorni privi di vento e luce solare diretta, come pure è normale che in inverno la produzione solare sia inferiore (e in estate generalmente è inferiore quella eolica). Può esistere anche una certa variabilità annuale, più accentuata per l’eolico.
Il funzionamento del sistema elettrico si basa su un preciso equilibrio tra la richiesta di energia dei consumatori e l’immissione di energia dei produttori allacciati alla stessa rete elettrica. Se tale equilibrio viene meno, possono alterarsi i valori di frequenza e tensione della rete elettrica fino al punto di dover staccare i carichi generando il tipico blackout.
Per mantenere l’equilibrio è necessario prima di tutto stimare in anticipo la curva giornaliera dei consumi, ora per ora, e poi su questa programmare l’intervento delle varie fonti di produzione nazionali e del saldo estero. Questa fondamentale attività viene definita dispacciamento dell’energia elettrica.
E’ evidente che la fonte eolica e fotovoltaica per le caratteristiche anzidette creano dei problemi all’attività di dispacciamento. Non essendo programmabili la loro produzione può essere solo stimata attraverso modelli meteorologici con una discreta precisione ma deve essere presa per come è; non può essere adattata ai consumi.
La curva giornaliera dei consumi può essere coperta con precisione solo attraverso l’utilizzo delle fonti programmabili. Nell’attuale configurazione del nostro sistema elettrico, tale ruolo spetta alla fonte idroelettrica e soprattutto alla fonte termoelettrica basata su combustibili fossili. Solo grazie a tali fonti è possibile definire un programma di produzione che sia in grado di seguire i consumi previsti.
Per avere un’idea della situazione è possibile da un’occhiata ai grafici della produzione elettrica oraria per fonte.
Fintanto che la produzione oraria rinnovabile non programmabile è inferiore ai consumi, le fonti programmabili si adattano per fornire l’esatta quantità di energia mancante. Questo è ciò che succede attualmente nel nostro sistema elettrico. Se le fonti non programmabili in futuro continueranno a crescere, però, ad un certo punto la loro produzione oraria eccederà quella dei consumi in alcuni periodi. A questo punto per non sprecare tale energia bisognerebbe accumularla in modo da poterla usare quando non c’è un eccesso di produzione.
Tale contesto, però, riguarda un futuro nel quale la produzione rinnovabile non programmabile sarà più grande dell’attuale. Esistono delle questioni che invece possono limitare già oggi lo sviluppo di tali fonti.
L’attività di dispacciamento, come detto, prevede una fase di programmazione della produzione in funzione dei consumi. La parte più problematica del dispacciamento, però, è quella che avviene in tempo reale per compensare eventuali scostamenti rapidi tra consumi previsti (con la relativa produzione programmata) e i consumi effettivi. Si tratta della funzione di regolazione e bilanciamento della rete. E’ evidente infatti che la previsione dei consumi potrebbe non essere perfetta e dal lato della produzione potrebbero esserci guasti e imprevisti di varia natura.
Sul sito Terna (il gestore della rete di trasmissione, ovvero l’ente che gestisce il dispacciamento in Italia) è possibile osservare l’andamento della curva dei consumi previsti e effettivi.
La funzione di regolazione e bilanciamento viene svolta facendo in modo che le centrali di produzione mettano a disposizione una banda di regolazione della potenza in grado di aggiungere o sottrarre energia sulla rete in tempi rapidi. In pratica le centrali, invece di funzionare alla massima potenza, lasciano una riserva di potenza da utilizzare in caso di bisogno. Possono essere predisposti più livelli di riserva (primaria, secondaria, terziaria) ma il principio generale di funzionamento rimane il solito. Le riserve possono anche essere “fredde”, ovvero impianti spenti che vengono accesi in caso di bisogno, ma in questo caso c’è meno rapidità di risposta.
In tale contesto la fonte eolica e fotovoltaica sono doppiamente problematiche. E’ evidente infatti che le fonti non programmabili, in quanto tali, non possono offrire nessun servizio di riserva al sistema elettrico. Allo stesso tempo la loro intermittenza rende più gravosa l’attività stessa di regolazione e bilanciamento.
Ciò significa che durante le ore di una giornata non può mai essere possibile coprire il totale dei consumi con fonti rinnovabili non programmabili perché in questo caso il sistema rimarrebbe senza riserve di potenza e quindi non in grado di svolgere la funzione di regolazione e bilanciamento. In pratica, per il buon funzionamento del sistema, la produzione rinnovabile non programmabile deve sempre essere affiancata per ogni ora della giornata da un’adeguata produzione programmabile. Ciò rappresenta un limite alla presenza di fonti rinnovabili non programmabili.
E’ proprio in tale situazione che iniziano per primi ad essere utili i sistemi di accumulo dell’energia. Una centrale termoelettrica basata su combustibili fossili per offrire il suo servizio di riserva rapida deve essere in funzione (riserva “calda”) e quindi la sua produzione, anche se tenuta al minimo, finisce per “occupare spazio”, sottraendolo alle rinnovabili. Un sistema di accumulo che abbia una risposta rapida può letteralmente sostituirsi alla centrale termoelettrica garantendo la riserva necessaria e liberando spazio.
Tale funzione di accumulo può essere svolta in maniera ideale da accumuli elettrochimici (batterie) che grazie allo loro elevata rapidità di risposta e versatilità di impiego risultano molto utili in questo contesto.
Terna recentemente ha avviato un progetto per l’utilizzo di 250 MW di batterie.
Bisogna capire che in questo caso non si tratta di accumulare enormi quantità di energia (accumulo di massa), ma piuttosto di offrire adeguata potenza in tempi rapidi per brevi periodi. In tal senso non è nemmeno particolarmente rilevante che l’energia accumulata sia rinnovabile. E’ il servizio reso che conta e che è in grado di “sbloccare” nuova produzione rinnovabile.
Superare il problema della regolazione e bilanciamento è quindi il primo passo verso una maggiore penetrazione delle rinnovabili non programmabili nel sistema elettrico.
Come detto in precedenza, solo in un prossimo futuro, quando la produzione rinnovabile non programmabile eccederà i consumi orari in alcuni periodi dell’anno, arriverà la necessità di “spostare” l’energia da un periodo all’altro in grandi quantità. A quel punto lo sforzo tecnico e finanziario necessario per gestire le fonti rinnovabili non programmabili sarà ben più grande perché sarà inevitabile l’implementazione di sistemi di accumulo di massa dell’energia.
Quali sistemi?
Questa è una domanda alla quale si cerca di trovare una risposta da diversi anni. I pompaggi idroelettrici oltre ad offrire servizi per la regolazione e il bilanciamento, possono anche accumulare l’energia in massa, ma gli impianti disponibili non sono sufficienti ed andrebbero incrementati. Il problema è che questo tipo di impianti richiede acqua e un discreto dislivello, quindi non può essere realizzato ovunque.
Le batterie sono troppo costose per un accumulo di massa, anche se in parte vengono già utilizzate oggi per spostare energia su cicli brevi (ad esempio giorno-notte).
Attualmente la soluzione che sembra aver vinto sulle altre è quella della conversione dell’energia elettrica in idrogeno attraverso un processo di elettrolisi dell’acqua. Si tratta quindi di un accumulo “chimico”.
Esistono ormai diversi piani di sviluppo in proposito, sia a livello di Unione Europea che in Italia.
L’idrogeno prodotto tramite elettrolisi da un eccesso di produzione rinnovabile può poi essere bruciato in centrali termoelettriche per riottenere energia elettrica quando serve. In questo modo il combustibile utilizzato, oltre ad essere rinnovabile, sarebbe anche poco inquinante, perché il prodotto di scarto della combustione è l’acqua. Rimangono solo emissioni di ossidi di azoto, comunque, controllabili.
L’utilizzo dell’idrogeno consente in pratica di avere tutti i vantaggi dell’uso dei combustibili, ovvero, la possibilità di accumularli facilmente in grandi quantità e, se necessario, di trasportarli su grandi distanze. In tal senso è un grande vantaggio la possibilità di utilizzare e convertire impianti e strutture già esistenti.
Non va scordato infine che l’idrogeno è molto versatile e può essere utilizzato in diversi contesti; dai trasporti (nei motori a combustione interna e nei motori elettrici alimentati da celle a combustibile), al riscaldamento industriale e domestico, ai processi chimici industriali.