Con gli obiettivi federali di riduzione delle emissioni recentemente annunciati, una spinta per la decarbonizzazione del settore energetico nazionale e il crollo dei costi eolici e solari, gli Stati Uniti sono pronti a distribuire grandi quantità di energie rinnovabili e rapidamente.
Su scala più piccola, centinaia di città, stati e aziende statunitensi hanno già intrapreso azioni coraggiose fissando i propri obiettivi locali per il 100% energia rinnovabile– e con analisi recenti come il Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100), abbiamo una crescente fiducia nella fattibilità di reti elettriche affidabili e rinnovabili al 100%.
Ma espandere questo obiettivo finale in tutti gli Stati Uniti presenta una serie altrettanto ampia di sfide e la plausibilità di farlo è stata oggetto di un fervente dibattito tra la comunità di ricerca energetica negli ultimi anni. Ora, un team di 17 esperti di sistemi di alimentazione dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dall'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) del DOE sta intervenendo con una nuova interpretazione.
La ricerca offre prospettive tratte dall'esperienza del mondo reale nella distribuzione di energie rinnovabili variabili, dalla letteratura e dall'esperienza del nostro team che studia questi problemi in dettaglio negli ultimi due decenni a una varietà di scale, dal nostro studio sul futuro dell'elettricità rinnovabile su scala nazionale del 2012 al nostro 2021 lavori su LA100 ", ha affermato Paul Denholm, principale analista energetico di NREL e autore principale dell'articolo. "Sebbene il nostro focus qui sia sul sistema elettrico degli Stati Uniti, molte delle questioni affrontate e le lezioni apprese da applicare più in generale ad altre regioni, e queste sono sfide complesse e multidisciplinari che richiederanno molta collaborazione tra la comunità di ricerca per essere risolte".
Per prima cosa: definire cosa si intende per rete rinnovabile al 100%
Nell’esaminare le sfide legate al raggiungimento di una rete su scala nazionale, alimentata al 100% da fonti rinnovabili, è importante innanzitutto definire con precisione cosa intendiamo con questa frase. Per questo articolo, gli autori spiegano due aspetti chiave della definizione: la tecnologia tipologia e confine del sistema.
"Il tipo di tecnologia stabilisce essenzialmente la definizione della parola rinnovabile, che può variare in base ai parametri di uno studio di ricerca o alle priorità di una comunità che definisce un obiettivo o una politica rinnovabile", ha affermato Denholm. “Qui distinguiamo due tipi generali di tecnologie: quelle che chiamiamo tecnologie variabili che dipendono dalle condizioni meteorologiche a breve termine e che tipicamente utilizzano inverter, come eolico e solare fotovoltaico [FV]; e quelli che sono meno o per niente variabili e in genere utilizzano generatori sincroni tradizionali, tra cui energia idroelettrica, biomassa, geotermica e solare a concentrazione ".
In questo documento, i sistemi rinnovabili al 100% non sono limitati alle sole tecnologie variabili come il solare fotovoltaico e l'eolico. Tuttavia, poiché le risorse rinnovabili non variabili sono generalmente vincolate geograficamente, gli autori generalmente presumono che quelle variabili costituiscano una grande frazione di una rete rinnovabile al 100% su scala nazionale.
Quando si tratta di definire i confini del sistema, gli autori richiedono che la rete funzioni fisicamente con una fornitura di energia rinnovabile al 100% in ogni momento. Ciò contrasta con i sistemi, le imprese o le entità aziendali che raggiungono gli obiettivi del 100% rinnovabile utilizzando crediti di energia rinnovabile, compensazioni o altri meccanismi finanziari.
Quello che sappiamo, quello che pensiamo di sapere e quello che non sappiamo
Per inquadrare le domande più critiche e proporre un'agenda di ricerca verso soluzioni, gli autori esplorano il crescente contributo delle energie rinnovabili nel sistema elettrico statunitense lungo tre direttrici: 1) ciò che sappiamo sulla base dell'esperienza del mondo reale, 2) ciò che pensiamo di sapere sulla base di studi di pianificazione e funzionamento della rete e 3) ciò che non sappiamo senza ulteriore studio o esperienza.
"La nostra enfasi è sulle questioni che riteniamo possano essere affrontate attraverso lo sviluppo tecnologico e l'ingegneria, ma riconosciamo che altri argomenti sono di fondamentale importanza, dalle considerazioni sull'ubicazione alle questioni relative all'equità energetica, alle sfide politiche, normative e di progettazione del mercato", ha affermato Denholm. "Vogliamo aprire un percorso per risolvere i problemi tecnici ed economici in modo da poter affrontare meglio altri aspetti complessi della transizione del sistema energetico".
Piuttosto che concentrarsi esclusivamente sull'obiettivo finale di una rete rinnovabile al 100%, il team esamina come le sfide per l'integrazione delle energie rinnovabili cambiano con l'aumento della distribuzione. Ciò è in parte dovuto alla mancanza di un'analisi ingegneristica dettagliata dei sistemi rinnovabili al 100% su scala nazionale, ma anche perché i piani pratici per raggiungere l'obiettivo non verrebbero sviluppati da zero. Soluzioni robuste al 100% rinnovabili devono considerare come utilizzare in modo ottimale le risorse del sistema di alimentazione esistente.
"In definitiva, le sfide ingegneristiche, i costi e i vantaggi delle energie rinnovabili variano in funzione della loro quota nel mix di generazione", ha affermato Denholm. "Il 100% è solo un punto su un continuum, quindi è utile esplorare costi e vantaggi a tutti i livelli di implementazione delle energie rinnovabili".
In questo quadro, il documento organizza le sfide tecnico-economiche per raggiungere il 100% di energie rinnovabili su tutte le scale temporali in due categorie: 1) mantenere economicamente un equilibrio tra domanda e offerta (indicato come Balance Challenge) e 2) progettare tecnicamente affidabili e stabili reti che utilizzano in gran parte risorse basate su inverter come l'eolico e il solare (denominate Inverter Challenge).
La sfida dell'equilibrio: far corrispondere economicamente offerta e domanda
La sfida dell'equilibrio si riduce a garantire che il sistema di alimentazione possa bilanciare economicamente domanda e offerta in una varietà di scale temporali, dalla scala critica da secondi a minuti necessaria per resistere a interruzioni impreviste, alla scala stagionale che corrisponde alle interruzioni e alla manutenzione programmate della centrale elettrica con periodi di minore domanda.
"Le risorse variabili sono proprio questo, variabili, quindi fluttuano intrinsecamente su varie scale temporali", ha affermato Denholm. “C'è quello che chiamiamo un disallineamento diurno tra il momento del picco della domanda e il momento in cui la generazione di energia solare ed eolica è massima durante il giorno, cosa che vediamo in fenomeni come la curva a papera. Oltre a ciò, c'è una significativa discrepanza stagionale tra i modelli eolico, solare e della domanda che è ancora più difficile da affrontare ".
Questo grafico del documento illustra concettualmente la sfida dell'equilibrio in termini di come i costi e le sfide attesi possono cambiare con la crescente diffusione delle energie rinnovabili. Ai livelli attuali, l'energia rinnovabile è competitiva in termini di costi con le fonti di generazione tradizionali in molte regioni degli Stati Uniti perché il settore dei servizi pubblici è stato in grado di affrontare in modo conveniente la variabilità oraria e suboraria.
Oltre questi livelli, si raggiunge la seconda zona, dove gli studi hanno esplorato come il problema del disallineamento diurno possa essere affrontato in modo efficace in termini di costi per raggiungere contributi annuali dell'ordine dell'80% delle energie rinnovabili. Ma oltre questo punto, nella terza zona, il problema del disallineamento stagionale può richiedere tecnologie che devono ancora essere implementate su larga scala, quindi i loro costi e requisiti non sono chiari.
La sfida degli inverter: progettare reti affidabili e stabili che si basano su risorse basate su inverter
La sfida Inverter è simile alla sfida Balance in quanto entrambe implicano il bilanciamento della domanda e dell'offerta su varie scale temporali. Ma l'Inverter Challenge è diverso in quanto le preoccupazioni sono strettamente focalizzate su una serie di considerazioni ingegneristiche specifiche, in contrasto con le più ampie questioni economiche associate alla Balance Challenge.
La sfida Inverter riguarda i problemi associati alla transizione a una rete dominata da risorse basate su inverter (IBR), principalmente la generazione eolica e solare fotovoltaica, insieme allo stoccaggio della batteria.
La maggior parte dell'energia elettrica negli Stati Uniti è attualmente derivata da turbine accoppiate a generatori sincroni; i generatori sono accoppiati elettricamente e ruotano alla stessa frequenza. Per fornire una rete affidabile e stabile, i progettisti e gli operatori del sistema hanno sfruttato diverse caratteristiche intrinseche dei generatori sincroni, tra cui l'inerzia rotazionale (energia cinetica immagazzinata in grandi masse rotanti) e la capacità di iniettare grandi quantità di corrente nella rete. Queste caratteristiche sono alla base della tradizionale stabilità e protezione del sistema di alimentazione.
"Le risorse basate su inverter hanno caratteristiche molto diverse rispetto ai generatori sincroni, inclusa una mancanza di risposta inerziale accoppiata fisicamente e, storicamente, una capacità limitata di fornire grandi quantità di corrente in condizioni di guasto", ha affermato Ben Kroposki, direttore di NREL's Power Systems Engineering Centro e coautore dell'articolo. "Quindi, poiché ci affidiamo maggiormente alle risorse basate su inverter, dovranno fornire i servizi attualmente forniti da generatori sincroni, il che potrebbe significare cambiamenti nel modo in cui il sistema di alimentazione è controllato e protetto".
Allora cosa non sappiamo?
Il documento esplora in dettaglio sia Balance Challenge che Inverter Challenge, comprese le importanti domande senza risposta che rimangono quando si tratta di avvicinarsi o raggiungere il 100% di energie rinnovabili su scala nazionale per tutte le ore dell'anno.
"Non esiste una risposta semplice a quanto possiamo aumentare la distribuzione delle energie rinnovabili prima che i costi aumentino drasticamente o l'affidabilità venga compromessa", ha affermato Denholm. “Per quanto riguarda l '" ultima percentuale "del percorso al 100%, non vi è consenso su un percorso chiaro ed efficace in termini di costi per affrontare sia la Balance Challenge che la Inverter Challenge su scala nazionale.
"Gli studi non hanno trovato una soglia tecnica specifica alla quale la griglia" si rompe "e non possiamo semplicemente estrapolare da precedenti analisi dei costi perché, quando si tratta del futuro, ci sono molte non linearità e incognite sconosciute, cose che nemmeno sappiamo che non lo sappiamo ancora. "
Gli autori affermano che sono necessarie ulteriori ricerche per valutare la suite di tecnologie che possono aiutare a garantire che l'offerta rinnovabile corrisponda ai modelli di domanda in tutti i periodi di tempo e che avremo bisogno di ingegneria e progettazione significative per la transizione della rete da una che dipende da macchine sincrone a una che si basa su inverter.
Dove andiamo da qui? Un invito alla collaborazione e alla rivalutazione continua
Realizzare un futuro ad alta elettricità rinnovabile per gli Stati Uniti richiederà molto di più che affrontare le sfide dell'equilibrio e dell'inverter, incluso affrontare le questioni relative all'accesso alle risorse, all'ambiente, al mercato e al comportamento umano che possono influenzare la progettazione e il ritmo con cui arrivare al 100% di elettricità rinnovabile . Si tratta di sfide complesse e multidisciplinari che non possono essere risolte da nessuna entità e richiederanno la collaborazione tra comunità di ricerca tecnica, università, laboratori e industria.
"Le domande senza risposta nel nostro documento forniscono un programma di ricerca per l'analisi, la ricerca e lo sviluppo tecnologico e l'ingegneria necessari per ottenere sistemi rinnovabili al 100% economici", ha affermato Dan Bilello, direttore del Centro di analisi energetica strategica di NREL e coautore dell'articolo . "Non solo abbiamo bisogno di nuovi strumenti e set di dati per far avanzare gli studi futuri, ma abbiamo bisogno di una terminologia più uniforme e di un'interazione facilitata tra ricercatori e organizzazioni di ricerca, soprattutto in diversi campi".
Inoltre, gli autori sottolineano la necessità di riesaminare continuamente il percorso più efficace verso la riduzione delle emissioni nazionali e gli obiettivi di decarbonizzazione, sia che si tratti di elettricità rinnovabile al 100% o di un'altra combinazione di tecnologie a basse emissioni di carbonio.
"In questo momento, è difficile stabilire una base economica per ottenere questi benefici ambientali in una rete alimentata esclusivamente da fonti rinnovabili", ha affermato Denholm. “La riduzione economica delle emissioni complessive comporterà probabilmente il raggiungimento di una generazione rinnovabile molto elevata, ma potenzialmente inferiore al 100%, concentrandosi anche su decarbonizzazione altri settori, o mantenendo nel mix risorse non rinnovabili ma a basse emissioni di carbonio ".
Lo studio LA100, sebbene non su scala nazionale, ha rilevato che l'elettrificazione dei settori dei veicoli e degli edifici può portare a miglioramenti sostanziali della qualità dell'aria e che la realizzazione di questi benefici è principalmente una questione di raggiungere un'elevata efficienza energetica e l'elettrificazione, indipendentemente da qualsiasi particolare rinnovabile percorso energetico per il settore energetico. LA100 ha anche scoperto che le restrizioni tecnologiche comportano costi più elevati quando si tratta di soddisfare l'ultimo 10% della domanda di elettricità con energia rinnovabile, con riduzioni incrementali minime delle emissioni.
"Guardando al futuro, la ricerca continua, l'analisi e un approccio adattabile alle soluzioni tecnologiche aiuteranno a guidare il settore elettrico e ad aumentare le nostre probabilità di raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione a cui ci stiamo rivolgendo in ultima analisi quando parliamo di energie rinnovabili al 100%", ha detto Denholm.