Come le smart grid aprono la strada alle fonti rinnovabili e alla decarbonizzazione

L’energia prodotta dai grandi parchi eolici della Puglia, dagli impianti geotermici della Toscana o da quelli idroelettrici del Piemonte, ma anche l’elettricità generata dai pannelli solari installati sopra ai tetti delle nostre abitazioni e aziende costituisce una struttura complessa che per essere orchestrata ha bisogno di un sistema sempre più intelligente, che si evolva da tecnologie energetiche nate nell'era del carbone e del petrolio in una rete flessibile, bidirezionale e intelligente, capace di accogliere l'imprevedibilità delle fonti rinnovabili. Un sistema che non si limiti a trasportare energia da grandi centrali verso i consumatori, ma una rete che sappia gestire milioni di piccoli produttori distribuiti sul territorio, bilanciando in tempo reale produzione e consumo, accumulo e rilascio, e dove l'energia possa fluire in entrambe le direzioni.

Si tratta delle “smart grid”, reti intelligenti, per l’appunto, come spiega Francesco Sergi dell’Istituto di tecnologie avanzate per l'energia "Nicola Giordano” (Itae) del Cnr, esperto di reti elettriche e rappresentante dell’Ente per le smart grid: “Rappresentano l’infrastruttura elettrica tradizionale che si sta trasformando, che si sta dotando di sistemi di comunicazione evoluti, di algoritmi informatici innovativi, di sistemi di monitoraggio all’avanguardia, di apparati di azionamento e di telemetria coordinati digitalmente. Le smart grid rappresentano il passaggio da un sistema centralizzato ed elettromeccanico a un sistema distribuito e digitale, che integra sempre più le rinnovabili nel sistema energetico. Le reti elettriche tradizionali si basano su una produzione dell'energia elettrica concentrata in grandi centrali, da cui l’elettricità viene trasportata tramite reti di trasmissione che, diramandosi in livelli via via sempre più bassi, ne permettono la distribuzione verso gli utenti finali, dalle case alle industrie”.

Un sistema verticale, dunque, dove la domanda viene soddisfatta aumentando o diminuendo la produzione delle centrali. Le smart grid ora rovesciano completamente questo sistema. “Rappresentano un nuovo paradigma, che si è reso necessario con l’introduzione dei sistemi di produzione di energia elettrica tramite fonti rinnovabili. La generazione non è più concentrata, ma distribuita in migliaia e migliaia di piccoli impianti, che vanno dai parchi eolici ai pannelli solari installati sopra ai tetti. Diventa quindi fondamentale poter controllare e osservare i flussi di energia che non sono più unidirezionali, ma possono anche provenire dal basso”, puntualizza il ricercatore.

Il vero banco di prova delle smart grid emerge quando si tratta di integrare le fonti rinnovabili. “Sole e vento sono, per loro natura, aleatorie. I pannelli solari producono solo di giorno e con intensità variabile a seconda delle nuvole, mentre le turbine eoliche dipendono da correnti atmosferiche mutevoli, e questo può generare forti oscillazioni nel sistema elettrico”, sottolinea Sergi.

Per garantire stabilità queste reti intelligenti integrano sistemi di previsione con algoritmi meteorologici e di machine learning, che stimano la produzione rinnovabile nelle ore successive, permettendo di pianificare il dispacciamento, ma fanno uso anche di apparecchi di monitoraggio continuo come sensori distribuiti che misurano in tempo reale la produzione da ogni impianto e il consumo in ogni area della rete. Avviene poi il bilanciamento dinamico della rete, con software avanzati che confrontano istantaneamente produzione e domanda, identificando squilibri prima che diventino critici.

Infine, si fa sempre più uso di sistemi di accumulo. “È proprio per questo che si parla di una rete intelligente, di una smart grid, perché coordina le azioni di questa moltitudine di attori, in modo tale da tenere in equilibrio sempre e comunque l’infrastruttura, garantendone la sicurezza. In passato questi sistemi non erano necessari. Con il sistema tradizionale, infatti, l'energia elettrica veniva prodotta e consumata istantaneamente in un sincronismo di rete che in questo momento viene a mancare. Ora vi è una asincronia tra quando l’energia viene prodotta e quando viene utilizzata. Per questo diventano necessari sistemi di accumulo”, chiarisce l’esperto. “I più tradizionali sono quelli a pompaggio, che raccolgono l’acqua in un bacino superiore - quando c’è energia elettrica in eccesso -, per poi rilasciarla, per effetto della gravità, alimentando nel passaggio delle turbine che generano energia elettrica durante la fase di scarica. Questo tipo di soluzione può erogare diverse decine di megawatt, permettendo di regolare importanti porzioni di rete. A questo si aggiungono i nuovi sistemi basati su batterie, specialmente al litio, caratterizzati dalla capacità di poter essere usati per tanti cicli e, quindi, di avere un tempo di vita molto lungo. Un altro sistema è quello delle batterie a flusso che, a differenza delle batterie al litio, hanno l'elettrolita che viene conservato in taniche esterne. Ciò fa sì che potrebbero, teoricamente avere un tempo di vita infinito e una dimensione personalizzabile, capace di spostare grandi quantitativi di energie rinnovabili. Ad oggi, però, riescono a gestire quantitativi di energia ancora limitati”.

Tutto ciò consente di mantenere in loco l'energia elettrica prodotta e di autoconsumarla. I sistemi di accumulo rappresentano il complemento essenziale delle smart grid nel mondo delle rinnovabili. Questi accumuli, distribuiti strategicamente sulla rete e coordinati intelligentemente, permettono di disaccoppiare il momento della produzione da quello del consumo, rendendo le rinnovabili fonti affidabili e programmabili.

Questo sistema distribuito diventa poi fondamentale nel caso di eventi climatici estremi, come quelli che sempre più colpiscono il nostro Paese. “In Italia, nel 2003 abbiamo avuto un blackout a causa dell’interruzione di una linea elettrica con la Svizzera proprio per un singolo evento disastroso, che ha provocato una serie di interruzioni a cascata, che hanno determinato il blackout dell’intera Penisola”, ricorda Sergi. “Un sistema distribuito ha la possibilità di riconfigurare la rete in porzioni, quindi di isolare eventuali guasti e limitare l’interruzione di corrente elettrica. Se l'energia viene prodotta e consumata in loco, infatti, il rischio di interruzioni si riduce e l'utente finale ha una garanzia di continuità superiore. Allo stesso tempo, la possibilità di suddividere la rete, rende le smart grid anche molto resistenti a possibili attacchi informatici, evitando che ‘infezioni’ si propaghino all’interno del sistema”.

Un'altra sfida importantissima è quella di riuscire a regolare le oscillazioni, non solo quelle provocate dalla variazione nelle fonti rinnovabili, ma anche quelle derivanti dal mercato. “Con una sempre maggiore diffusione delle rinnovabili, i prezzi dell'energia elettrica tenderanno sempre di più ad abbassarsi. Lo stiamo vedendo in Spagna, dove in certi mesi dell'anno le rinnovabili riescono addirittura a coprire il 100% della domanda elettrica. Questo è sicuramente un grandissimo vantaggio per l'utente finale, però, nel momento in cui si raggiungono prezzi nulli o negativi, come potrebbe avvenire in pieno giorno, è importante avere dei sistemi in grado di rispondere rapidamente alle oscillazioni. Quando il prezzo dell'energia elettrica scende molto è infatti importante poter controllare e prevedere l’incremento della richiesta di energia per l’accumulo da parte di chi vuole acquistare energia a prezzi vantaggiosi”, conclude il ricercatore.

Le smart grid rappresentano, dunque, l’avanguardia dell’innovazione tecnologica, ma non solo. Forse l'aspetto più rivoluzionario è quello sociale: per la prima volta nella storia dell'energia elettrica, i cittadini possono diventare protagonisti attivi del sistema energetico, in grado di produrre, accumulare e condividere energia, e non essere più solamente dei semplici consumatori passivi. Si tratta di una vera e propria democratizzazione dell'energia, che permetterà al nostro Paese di integrare efficacemente le energie rinnovabili e raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione.

Fonte: Francesco Sergi, Istituto di tecnologie avanzate per l'energia "Nicola Giordano”, francesco.sergi@itae.cnr.it