supernodi supergrid

La trasmissione dell’energia elettrica: tra SuperNodi e SuperGrid

Introduzione

Dell’aumento del costo delle bollette ne avevamo già parlato qui, ponendo particolare enfasi sull’influenza che avranno in futuro le FER sul pool energetico europeo.  Merita allora attenzione la discussione sul ruolo che ha ed avrà la trasmissione dell’energia elettrica.

Chi decide di approfondire questo tema non può allora non considerare il già citato studio PROOF (suPeR Optimal pOwer Flow) dell’University College Dublin datato fine 2021, che esamina l’utilizzo della tecnologia SuperNode per la trasmissione dell’energia.

Incremento domanda Energia Elettrica

Lo studio ha individuato una correlazione tra Prodotto Interno Lordo (PIL) e aumento della domanda di energia.

Presupponendo che ci sia una crescita annuale del 1,8% del PIL pro capite, è prevista una crescita dei consumi, sempre pro capite, del 1.2% per anno. Le proiezioni prevedono quindi un aumento di più del 50% nella domanda di energia elettrica europea rispetto al 2020, passando da 3.102 TWh/anno a ben 4800 TWh/anno.

Non ci soffermeremo ora sulle molteplici possibili cause dell’aumento della domanda, ci importa sapere che alcune di queste sono: condizionamento degli edifici, alla crescita esponenziale della mobilità elettrica, ad uso sia privato sia commerciale, ed alla produzione di idrogeno.

Il Grafico riporta la domanda di energia elettrica richiesta alla rete; pertanto, non sono presi in considerazione i consumi lordi (ovvero compresivi di perdite della rete) della domanda indiretta e potenza prodotta e consumata “in loco”, come ad esempio quella prodotta da impianti fotovoltaici montati su tetti di edifici. Solo questa potenza è stimata a ben 1.335TWh/Anno nel 2050.

Variazione del pool energetico

Come sappiamo la produzione di energia elettrica oggi è, in molti paesi UE, in gran parte derivata da combustibili fossili. L’Unione Europea in un’ottica di riduzione della dipendenza energetica da paesi esteri, spesso contraddistinti da instabilità politica, e da una sempre più sensibile coscienza verso i temi ambientali sta mettendo in atto delle politiche che hanno lo scopo di incentivare le Fonti di Energia Rinnovabile.

Nel report della Commissione Europea A Clean Planer for All si stima che la maggior parte della potenza prodotta in Europa nel 2050 sarà generata a partire da FER (Fonte di Energie Rinnovabili), principalmente eolico (5.803 TWh/Anno su un totale di 11,090 TWh/Anno) e solare fotovoltaico (2.706 TWh/Anno).

Solare & Fotovoltaico

L’energia elettrica prodotta tramite pannelli fotovoltaici dipende principalmente da due fattori.

Il primo è l’irraggiamento, ovvero quanta energia solare colpisce la terra: è facile intuire che più ci si avvicina all’equatore più potenza raggiunge la superfice terrestre. Come si vede dal grafico, il sud Italia e in particolar modo il sud della Spagna godono di un irraggiamento estremamente favorevole.

Il secondo fattore è tecnologico: attualmente i pannelli fotovoltaici hanno un’efficienza di circa il 20%. Questo significa che meno di un quarto della potenza che li colpisce viene convertita in energia elettrica.

Attualmente sono in studio dei pannelli che utilizzano materiali innovativi come, ad esempio, la perovskite (Titanato di Calcio, CaTiO3) che in laboratorio hanno mostrato rendimento di quasi il 30%.

Un’altra evolutiva dei pannelli solari “classici” sono i pannelli bifacciali: questi pannelli sono in grado di catturare la luce del sole da entrambi i lati. La parte maggiore di radiazione solare convertibile è quella diretta che colpisce la superfice dei pannelli perpendicolarmente, ma questi pannelli sono in grado di catturare anche l’energia diffusa ovvero quella rifratta dall’ambiente circostante molto di più rispetto ai pannelli “classici”; l’utilizzo di pannelli bifacciali e un sistema di solar tracker (un dispositivo che li orienta verso il sole) permette di aumentare l’output del 27%.

Ancora più importante per il futuro sarà però l’energia eolica.

Come si può facilmente intuire, la potenza generata, semplificando, dipende sostanzialmente dalla velocità del vento e la relazione tra queste due grandezze è cubica: ovvero, raddoppiando la velocità la potenza aumenta di otto volte.

Come si vede in figura, le correnti d’aria più forti sono principalmente nei mari del nord, in particolare a largo della costa orientale Irlandese, dove i venti superano i 12 m/s. La problematica principale di queste zone è la scarsa elettrificazione dell’area che richiede investimenti in infrastrutture legate alla trasformazione e alla trasmissione dell’energia.

Dal punto di vista tecnologico, attualmente sono disponibili in commercio turbine eoliche che possono raggiungere i 10-15 MW. Fondamentale sarà lo sviluppo tecnologico, dal momento che uno dei punti chiave per abbassare il costo dell’energia prodotta tramite il vento è quello di aumentare la dimensione delle turbine, riducendo conseguentemente i costi di installazione degli impianti offshore e aumentando il rendimento delle turbine stesse con un evidente riduzione del costo del MWh prodotto. Nel 2027 dovrebbero essere disponibili i primi modelli di turbina eolica da 27 MW.

Mettendo a confronto le due cartine precedenti si può notare una complementarità delle due tipologie di FER; la potenza estraibile dal sole è principalmente concentrata nel sud Europa mentre il nord beneficia di una maggiore velocità del vento. Oltre che essere complementari in termini di spazio, queste due fonti lo sono anche se consideriamo la stagionalità delle stesse.

Come si vede nel grafico, quando la potenza generata dal sole diminuisce durante la stagione invernale cresce quella estratta dal vento e vice versa durante il periodo estivo. Questa complementarità è sicuramente utile a ridurre la necessità di storage dell’energia (un sistema per immagazzinare l’energia in eccesso generata), tema senz’altro correlato sul quale per ora non ci soffermeremo, ma non ad eliminarla.

SuperNode

SuperNode nasce come una piccola piattaforma offshore capace di collegare più parchi eolici offshore e trasmettere efficientemente la potenza elettrica alla rete esistente. All’interno di SuperNode sono condensate diverse funzionalità: la piattaforma infatti oltre che raccogliere più sorgenti trasforma la tensione in modo da ridurre le perdite. Come? La converte in corrente continua per permettere la trasmissione a lunga distanza e la dirige dove è più necessaria.

Per quello che riguarda il sistema di trasmissione sappiamo che attualmente il metodo migliore per trasportare energia elettrica su lunghe distanze è quello di trasmettere in alta o altissima tensione (in Italia rispettivamente 150-132kV e 380-220kV in corrente alternata); dal momento che, semplificando, la potenza trasmessa (P) dipende dal prodotto di tensione (V) e corrente (I) (P=V*I in corrente continua , P=V*I*cos(ϕ) in corrente alternata monofase e P=√(3)*V*I*cos(ϕ) in corrente alternata trifase dove ϕ è il fattore di potenza) e che le perdite sono dovute principalmente all’effetto joule per il quale la corrente scorrendo nei cavi dissipa calore (Pj=R*I^2, R=Resistenza, I=Corrente) è facilmente intuibile che aumentando la tensione a parità di potenza diminuiamo la corrente e quindi limitiamo la dissipazione energetica.

La tecnologia SuperNode nasce con lo scopo di raccogliere l’energia prodotta da fonti rinnovabili, convertirla in MVDC (esattamente MVDC, cioè corrente continua in media tensione, non HVDC, corrente continua in alta tensione) per trasportarla lungo grandi distanze sfruttando le potenzialità dei superconduttori e riducendo quindi la potenza dispersa. Questo tipo di materiali, infatti, se raffreddati fino ad una temperatura estremamente bassa (tra i -200 e i -243°C), detta temperatura critica, hanno una resistenza quasi nulla e quindi anche delle perdite molto basse a parità di corrente (Se R↓ allora Pj↓).

Questo cavo può trasportare 10000 Ampere (un caricabatterie da cellulare, a seconda del modello, assorbe circa 0.5 Ampere).

Per mantenere i conduttori al di sotto della temperatura critica questi sono immersi in un fluido criostatico, per mantenere il fluido a temperatura sufficientemente bassa da garantire la superconduttività del cavo sono necessari 2 accorgimenti tecnologici:

  1. Ridurre al minimo l’aumento di temperatura del fluido: i conduttori vengono posati all’interno di un criostato, ovvero una pipeline multistrato che riduce al minimo il riscaldamento del fluido grazie a particolari sistemi di isolamento termico (generalmente sottovuoto o aerogel).
  2. Raffreddare il fluido: il fluido durante il percorso può essere sostituito oppure raffreddato nuovamente tramite cryocoolers (Un refrigeratore che mantiene temperature criogeniche).

Il vantaggio di trasmettere in media tensione, rispetto all’alta tensione, è quello di sviluppare infrastrutture più piccole (dovute ad un’esigenza di isolare meno) con un impatto ambiente e costi più bassi. Pensiamo soprattutto al caso delle piattaforme offshore come, ad esempio, quelle utilizzate per trasmettere potenza generata dall’eolico nei mari del nord Europa.

Più in generale i vantaggi di questa tecnologia sono comunque legati alla possibilità di trasmettere grandi quantità di potenza con perdite molto basse su lunghe distanze.

PROOF

Sebbene la tecnologia SuperNode sia nata principalmente per applicazioni offshore, questo non è l’unico campo di applicazione possibile.

Nello studio PROOF vengono studiati i vantaggi dell’utilizzo di SuperNode applicato alla trasmissione dell’energia a livello europeo.

Per farlo vengono considerati 4 possibili scenari nel mercato elettrico europeo:

  1. BAU (Business As Usual): il sistema di trasmissione attuale aumenta di capacità in modo graduale con tecnologie tradizionali.
  2. Pan-EU: il sistema di trasmissione è più integrato rispetto allo scenario BAU sono ancora presenti vincoli.
  3. Unconstrained: il sistema europeo è completamente interconnesso e non ci sono vincoli alla trasmissione, vengono utilizzate tecnologie emergenti come SuperNode.
  4. Central ESS storage: presuppone un unico centro di accumulo di energia a livello Europeo (non verrà preso in considerazione in questo articolo).

Tutti gli scenari partono dal presupposto che le FER in EU raggiungeranno i livelli di capacità indicati ad inizio articolo (Fotovoltaico 1000-1300 GW, Eolico Onshore 450GW, Eolico Offshore 740-770GW).

Stabilità della rete

Un fattore importante per capire lo studio è quello della stabilità della rete.

Una rete elettrica (in corrente alternata) per funzionare correttamente deve operare con valori di tensione e frequenza prefissati. Semplificando, il valore di tensione nominale dipende principalmente dallo scopo per il quale quella porzione di rete è stata progettata (trasmissione àAlta Tensione, distribuzione primaria à Media Tensione, distribuzione secondaria à Bassa Tensione) mentre la frequenza nominale dipende dal paese nel quale quella rete opera (50Hz in quasi tutto il mondo e 60Hz in Centro e Nord America e in Giappone dell’ovest).

La stabilità di questi parametri dipende dall’equilibrio tra potenza generata e domanda.

 Dal momento che non è possibile prevedere con precisione la domanda di energia, questo bilancio è mantenuto in equilibrio da sistemi di regolazione che evitano squilibri troppo grandi, bisogna infatti sapere che piccole oscillazioni sono comunque accettabili.

Una volta persa la stabilità c’è la concreta possibilità che si verifichi un blackout, come spiegato in questo articolo . Per evitare questo evento viene attuata la procedura di sicurezza chiamata Load Shedding che consiste nello scollegare, secondo una schedula prestabilita, una serie di carichi (come ad esempio grosse utenze industriali) in modo da riportare rapidamente in equilibrio la rete ed evitare un effetto domino.

Un parametro fondamentale preso in considerazione nello studio è infatti il Value of Lost Load (VoLL), ovvero il valore economico perso a seguito di blackout. Questo dipende senz’altro da dove l’evento si manifesta (ad esempio in un contesto rurale il danno sarà decisamente più basso rispetto ad un’area industriale).

Squilibri tra reti di trasmissione

In figura (esempio BAU relativo a produzione e generazione irlandese) è visibile in rosso la retta dove domanda e offerta sono in equilibrio, in nero i valori reali misurati. Come si vede lo scostamento tra domanda e generazione è spesso molto grande. Questo è dovuto al fatto che non sempre la potenza realmente richiesta alla rete è in linea con quella stimata. In particolar modo il sempre più crescente utilizzo delle rinnovabili, soprattutto diffuse, rende più difficile gestire efficacemente generazione e domanda.

Questo fenomeno ovviamente si verifica in pressoché tutti i Paesi europei, perciò con un’opportuna rete di trasmissione è possibile sfruttare i picchi momentanei di potenza generata da alcuni Paesi per coprire la domanda di stati ove la generazione in quel momento non è sufficiente a coprire il fabbisogno energetico.

Questo è fondamentale soprattutto considerate le premesse di inizio capitolo (la maggiore potenza prodotta da FER).

Quanto visto nel paragrafo precedente è applicabile anche alle reti di trasmissione nazionali, ad esempio analizzando i flussi tra Francia ed Italia:

Come accennato, fondamentali saranno anche le tecnologie di accumulo che contribuiranno ad assorbire e/o ad immettere potenza in rette all’occorrenza.

Risultati

I parametri presi in considerazione dallo studio per definire il costo dell’energia sono sia CAPEX (Investimenti nel sistema di trasmissione & Generazione) sia OPEX (costi di trasmissione, perdita di generazione, costo della generazione dell’energia, costo del load shedding); la stima è stata fatta su tutti e tre gli scenari.

Il risultato migliore, come si vede in tabella, è quello dello scenario Unconstrained (senza vincoli tra paesi EU) con infrastruttura ibrida Rame e Superconduttori. A conti fatti lo scenario Pan-EU è più economico del 32% rispetto a BAU, mentre lo scenario Unconstrained è ben 48% più economico (I valori sono in €/MWh):

L’obbiettivo di questo articolo era proporti una sintesi dello studio presentato nel paper, che naturalmente ti consiglio di leggere in quanto presenta sia risultati completi e non solo il costo dell’energia sia dei possibili sviluppi futuri. Se, come spero, l’argomento ti ha interessato, lascio le fonti per un ulteriore approfondimento.

FONTI:

https://amp24.ilsole24ore.com/pagina/AEvZSYDB

Report-4.pdf (supernode.energy)

Nexans completes successful qualification testing of ‘Best Paths’ superconductor cable for HVDC power links – Cable Technology News

(PDF) A scenario analysis for an optimal pan-European cross-border network development (researchgate.net)

Check Also

L’edilizia in fiera: il SED torna a Caserta dal 23 al 25 maggio2024

Torna il salone dedicato all’intera filiera dell’edilizia e delle costruzioni chesi rivolge al mercato del …

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.


Fatal error: Uncaught Error: Class 'Elementor\Plugin' not found in /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-content/plugins/essential-addons-for-elementor-lite/includes/Traits/Elements.php:422 Stack trace: #0 /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-includes/class-wp-hook.php(308): Essential_Addons_Elementor\Classes\Bootstrap->render_global_html('') #1 /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-includes/class-wp-hook.php(332): WP_Hook->apply_filters(NULL, Array) #2 /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-includes/plugin.php(517): WP_Hook->do_action(Array) #3 /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-includes/general-template.php(3065): do_action('wp_footer') #4 /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-content/themes/sahifa/footer.php(34): wp_footer() #5 /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-includes/template.php(783): require_once('/home/mhd-01/ww...') #6 /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-includes/template.php(718): load_template('/home/mhd-01/ww...', in /home/mhd-01/www.progettoingegneria.it/htdocs/wp-content/plugins/essential-addons-for-elementor-lite/includes/Traits/Elements.php on line 422
WordPress › Errore

Si è verificato un errore critico sul tuo sito web.

Scopri di più riguardo la risoluzione dei problemi in WordPress.