Quanta trasmissione HVDC c’è adesso, in arrivo e dove?

Una delle grandi leve per decarbonizzare la nostra energia globale è collegare le reti su scala continentale con la trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC). Abbiamo già fatto molto di questo, ma molto altro è in programma. Oggi sono in funzione circa 200 GW di cavi HVDC che si estendono per 58.000 chilometri, e circa 180 GW previsti per un’estensione di circa 45.000 chilometri in fase di progettazione e costruzione. La stragrande maggioranza di ciò che è in funzione è, ovviamente, in Cina.

Cominciamo dal perché. Come amano dire i ritardatari, il vento non soffia sempre e il sole non splende sempre. Ma vai a nord, sud, est e ovest per poche centinaia o un paio di migliaia di chilometri e il tempo è completamente diverso. Potremo potenziare le energie rinnovabili nei posti migliori e collegarle ai centri con la domanda più alta, come le principali città, i porti e i siti industriali. Il sole potrebbe non splendere intensamente durante i periodi di punta della domanda nel tardo pomeriggio e nella prima serata, ma splende intensamente in un paio di fusi orari o più a ovest.

Ma la trasmissione tradizionale che utilizza corrente alternata ad alta tensione (HVAC) perde molta energia su lunghe distanze, e molta di più se devi andare sott’acqua o sottoterra con i cavi. L’HVDC perde molta meno energia su grandi distanze, sott’acqua e nel sottosuolo, circa il 3% ogni 1.000 chilometri. Questo è il meccanismo più efficiente per la trasmissione di energia che abbiamo scoperto.

È così efficace ed efficiente che è difficile tenere il passo con tutti i progetti. Entra in RTE International, una società di consulenza e ingegneria le cui attività coprono tutti i settori della trasmissione di energia elettrica. Tengono traccia, nel miglior modo possibile, di tutti i progetti HVDC esistenti e pianificati a livello globale. Pubblicano aggiornamenti come parte della loro newsletter mensile HVDC, qualcosa che ricevo e approfondisco da un po’ di tempo.

Gran parte della newsletter sono le enormi tabelle di tutti i progetti HVDC esistenti e pianificati. Lo sto osservando da un po’ e vorrei poter fare qualche analisi di base al riguardo. Dopo una breve conversazione con i responsabili di RTE, l’ho inserito in un convertitore da PDF a foglio di calcolo, ho ripulito i dati, ho fatto alcune ipotesi e ho iniziato a fare alcune tabelle incrociate.

Ho scelto di semplificare alcune cose nel processo e di fare alcune scelte sul significato dei dati. Ciò significa che alcune cose sono diventate meno precise. Ad esempio, il set di dati RTE include le lunghezze di un progetto specifico che sono sotterranee, sottomarine o su linee aeree (OHL) e molti progetti le combinano tutte e tre per parti diverse del percorso. L’ho semplificato un po’, quindi qualsiasi cavo con un segmento sottomarino è rappresentato, ad esempio, come tutto sottomarino. È imperfetto, ma mi interessano i numeri lordi.

Allo stesso modo, i dati RTE contengono il numero di linee di tutte le dimensioni diverse e ho scelto di separarlo in potenza totale e numero di linee, partendo dal presupposto che i progetti futuri con solo la potenza abbiano una sola linea. Questo è impreciso, ne sono sicuro, ma gli errori sono compresi. Allo stesso modo, dove non è stata espressa la potenza in MW o è stata elencata la distanza in chilometri, ho inserito delle ipotesi. Infine, dove non erano elencate le date future, ho scelto il 2030 per avere alcuni dati nel mix.

Tutta questa “pulizia” dei dati significa che eventuali errori sono molto probabilmente miei. Detto questo, i dati di RTE non sono perfetti. Sono a conoscenza di numerosi interconnettori HVDC esistenti e pianificati nella regione dell’ASEAN, la maggior parte da e per Singapore, ma al momento mancano dai dati. C’è una superrete emergente dell’ASEAN a cui sto prestando attenzione e che sembra essere fuori dal radar di RTE. E come ho scoperto mentre lavoravo a questa analisi e scrivevo mentre procedevo, sembra che manchino molti dati provenienti dalla Cina.

Posizioni dei progetti HVDC attuali, pianificati e in costruzione a livello globale da Open Street Maps

Wikipedia mantiene un elenco dei progetti operativi HVDC e di alcuni progetti pianificati e qualcuno ha gentilmente inserito i dati in Open Street Maps per creare questa visualizzazione. Lascia alcune domande aperte. Per lo sforzo di oggi, per lo più non ho provato a integrare i dati di Wikipedia con quelli di RTE e a risolvere la sovrapposizione.

Ma i dati di RTE mi hanno permesso di porre alcune domande su cui mi stavo chiedendo. I GW e i chilometri attuali e futuri elencati nel paragrafo di apertura, combinati con il set di dati cinesi di Wikipedia, erano uno di questi.

Un’altra domanda era la questione dell’ampiezza. Ricorda che lo scopo della trasmissione è portare l’elettricità da dove viene generata a dove è necessaria. Pertanto, è ragionevole aspettarsi che i progetti futuri abbiano una lunghezza di trasmissione più lunga e abbiano maggiori probabilità di collegare i paesi.

E questo è vero. Anche con la mia scelta di utilizzare 100 chilometri come lunghezza per progetti senza dati sulla lunghezza (tutti futuri), la lunghezza media dei progetti futuri è circa il doppio dei progetti storici: 454 chilometri contro 229 chilometri. (La mancanza di molti dati operativi della Cina nei dati di RTE riduce notevolmente questi numeri.) I progetti HVDC del futuro stanno andando molto oltre i progetti storici, almeno al di fuori della Cina. In qualche modo sorprendentemente, i progetti attuali non collegano necessariamente i paesi più dei progetti storici in termini di rapporto. Storicamente circa un quarto della potenza dei progetti scorreva tra paesi, e questo vale anche per i progetti futuri.

Naturalmente, c’è una ragione per questo. La maggior parte di tutti i progetti operativi e un quinto del futuro HVDC nel mondo si trovano in Cina, con circa 170 GW esistenti e 27 GW pianificati o in costruzione. La Cina è un grande paese, il terzo più grande al mondo per estensione territoriale e leggermente più grande del numero quattro della lista, gli Stati Uniti. Gli USA hanno oggi circa un GW di HVDC, circa il 2% del totale globale, e 35 GW pianificati per RTE.

Ho effettuato un controllo incrociato con il set di dati di Wikipedia e ho trovato molti più progetti cinesi rispetto ai dati RTE. Wikipedia conta 55 linee HVDC nel Paese, mentre RTE ne riporta solo 18 tra progetti operativi e futuri. Tutti e 55 sono operativi secondo Wikipedia, che ovviamente presenta imperfezioni diverse rispetto ai dati di RTE. Ma supponendo che i dati di Wikipedia siano più corretti per l’HVDC operativo cinese, e che i dati di RTE siano più accurati per il resto del mondo e per i progetti futuri, il paese ne ha più del resto del mondo messo insieme, che era la mia ipotesi durante questo esercizio di analisi .

Supponendo che RTE sia più giusto per il resto del mondo che per la Cina (un presupposto abbastanza sicuro), allora il totale dell’HVDC a livello globale è di circa 200 GW totali, di cui il 72% all’interno della Cina, e la lunghezza totale attuale dell’HVDC è circa 58.000 chilometri, di cui l’86% all’interno della Cina.

Mi ci è voluto molto tempo per trovare analisti che leggessero il mandarino e seguissero la progressione energetica della Cina dall’interno leggendo i rapporti del paese nella loro lingua, e ho avuto conversazioni con esperti internazionali come Bent Flyvbjerg sulle sfide. Nessuna mosca su RTE se i dati sulla Cina sono meno completi. E, naturalmente, gli Stati Uniti sono il paese delle aspirazioni, quindi sospetto che in media il futuro HVDC sarà completato in misura minore. Ma sarebbe logico che il personale di RTE effettuasse un controllo incrociato con Wikipedia e riducesse la disparità dato che stanno pubblicando mensilmente i loro dati HVDC.

Il punto è che la Cina e gli Stati Uniti, avendo complessivamente un terzo della potenza HVDC pianificata, significa che si stanno costruendo reti su scala continentale, proprio all’interno di paesi che hanno le dimensioni di continenti. La lunghezza operativa media della Cina è di circa 1.300 chilometri per Wikipedia, mentre la lunghezza futura dei cavi è di circa 1.400 per RTE. La variazione è ancora più estrema per gli Stati Uniti, con una media di cavi operativi di 63 chilometri rispetto a una media di progetti futuri di 420 chilometri (tutti i numeri RTE).

C’erano alcune altre cose che mi aspettavo che i dati mostrassero. L’HVDC è stato storicamente utilizzato per collegare insieme le reti. Le griglie operative hanno un ritmo, i battiti al secondo che la corrente alterna, tipicamente 50 o 60 volte al secondo. L’HVDC non ha ritmo poiché non si alterna. Ciò lo rende un ottimo strumento per connettere due reti in modo che possano condividere l’elettricità senza dover sincronizzare i loro battiti al secondo che sono semplicemente disallineati di una frazione di secondo o hanno battiti al secondo completamente diversi. Si chiamano connessioni HVDC back-to-back e di solito vengono eseguite nel punto geografico in cui le griglie si incontrano, quindi la distanza del collegamento è zero.

Mi aspettavo che i sistemi HVDC operativi avessero una percentuale più elevata di connessioni HVDC back-to-back rispetto alle reti future, e i dati RTE lo mostrano. Storicamente, circa il 18% dei sistemi operativi HVDC in termini di potenza erano back-to-back, ma in futuro solo circa il 3% dei sistemi pianificati saranno back-to-back. Come nota, nella valutazione della lunghezza passata rispetto a quella futura di cui sopra, ho rimosso le connessioni back-to-back a distanza zero.

Mi aspettavo anche che più progetti futuri fossero sottomarini e, anche escludendo i massicci progetti interni della Cina, circa il 5% in più dei progetti futuri sono sottomarini. Questa è un’altra indicazione della necessità di connettere i paesi invece di stare al loro interno.

Essendo l’HVDC la nuova pipeline, continua a essere supportato da questo. Guardando al mondo, i progetti HVDC sono in forte espansione ovunque. L’alluminio di cui sono fatti è l’elemento più comune nella crosta terrestre e nuovi stabilimenti HVDC vengono costruiti in più continenti. Oggi spostano TWh di elettricità rinnovabile per migliaia di chilometri e ne trasporteranno molti di più in futuro. I paesi che continuano a concentrarsi sullo spostamento di molecole per produrre energia rimarranno indietro.