Questo articolo è il primo di una serie intitolata “Real Talk on Reliability”, che esaminerà le esigenze di affidabilità della nostra rete mentre ci muoviamo verso il 100% di elettricità pulita e elettrizziamo più usi finali sulla strada verso un futuro stabile dal punto di vista climatico. È stato scritto da Michelle Solomon, analista politico senior del programma di elettricità presso Energy Innovation.
L’inizio dell’estate porta con sé sole e vacanze per molti, ma questi mesi caldi sono sempre più accompagnati da un caldo estremo, un sintomo esacerbato dai cambiamenti climatici. A causa delle diffuse ondate di caldo, le persone e le imprese accendono i condizionatori per trovare sollievo, aumentando la domanda di elettricità e aggiungendo stress alla rete. Allo stesso tempo, questa elettricità sta diventando più pulita: nel 2022 gli Stati Uniti hanno generato il 40% della propria elettricità da fonti prive di carbonio. Il 15% è stato generato dall’energia eolica e solare, che oggi rappresentano entrambe le fonti di elettricità più economiche e in più rapida crescita.
Per aiutare a preparare la rete elettrica nazionale per la prossima stagione, la North American Electric Reliability Corporation (NERC), l’autorità di regolamentazione senza scopo di lucro la cui missione è garantire la riduzione efficace ed efficiente dei rischi per l’affidabilità e la sicurezza delle reti nordamericane. —ha recentemente pubblicato la sua valutazione estiva annuale sull’affidabilità.
Il loro rapporto ha esaminato la capacità sia degli Stati Uniti che del Canada di soddisfare la domanda estiva di elettricità prevista, inclusa una valutazione dei rischi associati a incendi e siccità, e ha fornito raccomandazioni a breve termine su come superare eventuali carenze.
I risultati del NERC seguono una tendenza degli ultimi anni, evidenziando che mentre la fornitura di energia elettrica è sufficiente in tutto il paese in normali condizioni estive, durante i periodi di caldo estremo diverse regioni sono a rischio di carenze di fornitura. Il NERC ha citato il ritiro delle vecchie e costose centrali elettriche a combustibili fossili come un fattore di questa dinamica, ma ha anche scoperto che “una maggiore e rapida diffusione dell’energia eolica, solare e delle batterie fa una differenza positiva quest’anno”, sottolineando che uno dei fattori più importanti Gli strumenti che rafforzano l’affidabilità stanno aggiungendo nuova capacità di generazione pulita.
Mentre ci muoviamo verso un sistema elettrico più pulito, l’affidabilità è al centro di una crescente attenzione per politici, servizi pubblici, operatori di sistema e consumatori di elettricità, e per una buona ragione: la vita dipende dalla continuità dell’energia elettrica.
Cambiare le considerazioni sull’affidabilità con la transizione energetica
La nostra rete è innegabilmente in fase di transizione. Il passaggio all’elettricità pulita e agli usi finali dell’elettricità sta accelerando in risposta alla politica e agli incentivi federali, agli obiettivi statali di energia pulita e alla leadership delle utility. Nel 2022 l’energia eolica e solare rappresentavano il 74% della nuova capacità di generazione su scala industriale, mentre la nuova capacità di gas naturale rappresentava solo il 25%. Anche lo stoccaggio delle batterie ha visto un aumento vertiginoso con l’aggiunta di 4 gigawatt (GW) in tutto il paese lo scorso anno, quasi raddoppiando la capacità di stoccaggio. Questa aggiunta in rapida crescita di energie rinnovabili e stoccaggio è benvenuta in un contesto in cui la domanda di elettricità aumenta e gli antieconomici impianti di combustibili fossili vanno in pensione. Anche altre risorse dal lato della domanda e cambiamenti operativi sono nella cassetta degli attrezzi poiché gli operatori di rete lavorano rapidamente per gestire la transizione senza influire sull’affidabilità, sulla sicurezza e sull’accessibilità della rete.
Con tutti questi cambiamenti al sistema fisico, dobbiamo anche evolvere il modo in cui pensiamo all’affidabilità. Ric O’Connell, direttore esecutivo di GridLab, sottolinea che uno dei più grandi malintesi nella transizione energetica è la necessità di energia di base, o impianti costosi da costruire ma economici da gestire e quindi in funzione quasi sempre. O’Connell spiega che “sappiamo di aver bisogno di un portafoglio di risorse sulla rete che, lavorando insieme, possano fornire adeguatezza delle risorse o energia quando ne abbiamo bisogno, ma quel portafoglio non deve necessariamente includere il carico di base o risorse 24 ore su 24, 7 giorni su 7. “
Anche se il passaggio a questo nuovo paradigma presenta delle sfide, stiamo acquisendo fiducia nell’affidabilità di una rete pulita. In precedenza c’era “trepidazione anche solo per l’aggiunta di piccole quantità di fonti di energia dipendenti dalle condizioni meteorologiche come l’eolico e il solare alla rete”, ha affermato O’Connell. “Ora, le reti grandi e sofisticate nel Midwest, in Texas e in California funzionano regolarmente con una quota pari o superiore al 70% di energia eolica e solare per ore alla volta”. Abbiamo dimostrato esempi di reti più piccole che utilizzano percentuali ancora più elevate di risorse dipendenti dalle condizioni meteorologiche: l’isola di Kauai è stata in grado di funzionare con energia rinnovabile al 100% per almeno nove ore alla volta. Numerosi studi dimostrano che la rete statunitense può funzionare fino all’80% di elettricità pulita con la tecnologia oggi disponibile.
Per costruire questo portafoglio, i servizi pubblici, i regolatori e gli operatori di rete dovranno essere in grado di valutare accuratamente il contributo di ciascuna risorsa all’adeguatezza delle risorse e all’affidabilità operativa. Come ha recentemente affermato il commissario federale per la regolamentazione dell’energia, Allison Clements, “le discussioni sull’affidabilità porteranno a soluzioni più convenienti se iniziano con il lavoro analitico basato sui dati necessario per comprendere e quantificare il problema che miriamo a risolvere”.
Gli aspetti pratici dell’affidabilità
Mentre la rete passa da un sistema ancora basato su combustibili fossili a uno alimentato da una generazione di elettricità pulita e priva di emissioni di carbonio, ci sono tre domande a cui dobbiamo rispondere. Primo: può una rete pulita e priva di emissioni di carbonio offrire la stessa o migliore affidabilità che abbiamo oggi? Secondo: la rete può essere affidabile durante la transizione? E terzo: può una rete pulita soddisfare la domanda di usi finali più elettrificati senza compromettere l’affidabilità? Questa serie avrà lo scopo di dimostrare che la risposta a queste domande è “sì”, ma non senza la corretta pianificazione e le politiche in atto.
Prima di rispondere alle domande precedenti, è utile comprendere le nozioni di base sull’affidabilità dell’elettricità, un termine usato spesso, ma non sempre in modo coerente. Ci sono quattro elementi separati ma interconnessi per garantire che l’energia proveniente dalla rete sia affidabile. Il primo è adeguatezza delle risorse, il che significa avere energia sufficiente per soddisfare la domanda, sia sotto forma di generazione dal lato dell’offerta che di risorse distribuite dal lato della domanda. Il secondo è funzionamento affidabile della rete, compresa la generazione, la trasmissione e la distribuzione dell’elettricità: il monitoraggio e il controllo del sistema, il bilanciamento dell’offerta energetica per soddisfare la domanda e la garanzia che le linee e le strutture di trasmissione rimangano entro i limiti operativi sicuri. Il terzo è resilienza, che è la capacità del sistema elettrico e di altri sistemi connessi – come i trasporti, la salute e la sicurezza – di sopravvivere o riprendersi rapidamente in caso di interruzioni. Connesso alla resilienza è indurimento della grigliache si riferisce a una miriade di tecnologie e soluzioni operative che aiutano la rete a resistere a questi grandi eventi senza interruzioni.
L’affidabilità è una caratteristica dell’intero sistema elettrico, alla quale contribuiscono le singole risorse. Ogni fonte di energia elettrica ha caratteristiche diverse che dovrebbero integrarsi a vicenda in un portafoglio equilibrato. Per quanto riguarda l’adeguatezza delle risorse, nessuna risorsa è disponibile al 100% del tempo. Ad esempio, la produzione solare ed eolica varia nel corso della giornata, dell’anno e in base alle condizioni meteorologiche, dove le batterie e le linee di trasmissione e distribuzione (T&D) spostano l’energia da quando e dove viene generata a quando e dove è necessaria. Le centrali nucleari su larga scala sono costruite per fornire energia costante, ma sono difficili da aumentare o diminuire per regolare la fornitura quando necessario. Le centrali a gas e a carbone sono generalmente considerate “dispacciabili” o disponibili su richiesta, ma possono subire interruzioni, in particolare interruzioni correlate a eventi meteorologici estremi, come osservato dalle recenti tempeste invernali Uri ed Elliott. Per mantenere una rete affidabile è necessario valutare accuratamente il contributo di ogni risorsa e costruire un portafoglio di generazione in grado di bilanciare domanda e offerta nell’arco della giornata e dell’anno.
Quando la domanda e l’offerta di elettricità coincidono, l’elettricità fluisce attraverso la rete con una frequenza e una tensione costanti, ma poiché la domanda e l’offerta variano durante il giorno, la frequenza e la tensione possono iniziare a fluttuare. I servizi di rete sono i contributi che diverse risorse forniscono per mantenere la stabilità come la risposta in frequenza, la regolazione della tensione e altro ancora. Storicamente, le turbine alimentate a gas, carbone e nucleare hanno contribuito a garantire la stabilità, anche se nuove soluzioni possono competere per ricoprire questo ruolo mentre l’accettazione pubblica, la politica, la finanza e l’economia spingono le risorse convenzionali ad andare in pensione. La capacità dell’energia eolica, solare e delle batterie di fornire servizi di rete rispetto alle turbine rotanti è dettagliata nella figura seguente di Milligan Grid Solutions.
Servizi di rete forniti da risorse basate su inverter e sincrone. Fonte: Milligan Grid Solutions.
Il NERC, i fornitori di energia elettrica, i regolatori e gli operatori di sistema condividono la responsabilità per ogni aspetto dell’affidabilità. Il NERC valuta l’adeguatezza delle risorse nazionali, stabilisce gli standard di affidabilità operativa, monitora il rispetto di tali standard e può penalizzare le autorità di affidabilità non conformi. I fornitori di energia elettrica pianificano il loro futuro mix di risorse e nell’Ovest e nel Sud-Est gestiscono i loro sistemi energetici di massa.
Per mantenere l’affidabilità e garantire che la transizione avvenga nel modo più agevole possibile, i politici dovranno rimuovere gli ostacoli alla creazione di risorse nuove e pulite e al loro collegamento alla rete. Con quasi il doppio dell’attuale capacità di generazione degli Stati Uniti in attesa nelle code di interconnessione in tutto il paese, le nuove linee di trasmissione rappresentano “la più grande barriera all’aggiunta di nuova energia pulita sufficiente”, secondo O’Connell, e “la politica gioca un ruolo fondamentale nel modo in cui pianifichiamo , autorizzare e pagare per la trasmissione. Una buona politica significa che possiamo realizzare la trasmissione nei tempi di cui abbiamo bisogno, in modo che l’energia pulita possa essere disponibile online e mantenere l’affidabilità”. Un’ulteriore leadership federale è essenziale, ma mentre i recenti negoziati sul debito hanno preso in considerazione diverse politiche di riforma della trasmissione, il risultato finale è mancato di un’azione sostanziale. Anche gli aggiornamenti del sistema di distribuzione necessari per supportare usi finali più elettrificati, come pompe di calore e veicoli elettrici, possono essere ostacolati da processi normativi e di pubblica utilità se non vengono anticipati.
Una rete pulita e affidabile in grado di sostenere gli obiettivi reciproci di decarbonizzazione ed elettrificazione è possibile, ma non potrà realizzarsi da sola. Il resto di questa serie tratterà approfondimenti su argomenti chiave dell’affidabilità della rete, tra cui: il futuro dei servizi di affidabilità con energia pulita, approcci dal lato della domanda e dell’offerta per mantenere la rete affidabile, gli impatti delle condizioni meteorologiche estreme e dei cambiamenti climatici e il bisogno di energia pulita e ferma.