Un evidente ostacolo all'adozione dell'energia eolica e solare per la fornitura di elettricità è la loro intermittenza: quando il vento non soffia e il sole non splende, sono necessarie fonti sostitutive. Questo problema riceve molta attenzione dai media conservatori, come dovrebbe.
Eppure uno degli ostacoli meno noti per queste tecnologie rinnovabili è il controllo della frequenza, anche se diventa una preoccupazione critica molto prima.
Dal 1890, le reti e i dispositivi elettrici in tutto il mondo hanno utilizzato sistemi a corrente alternata (AC), il che significa che il flusso di elettricità nel sistema cambia ripetutamente direzione.
In Australia si alterna 50 volte al secondo, cioè con una frequenza di 50 Hertz (negli Stati Uniti è di 60 Hertz).
Fornire elettricità a una frequenza costante è molto importante perché gli apparecchi e l'elettronica sulla rete sono progettati per un ingresso di frequenza/tensione specifico. Pertanto, possono essere danneggiati da un'alimentazione elettrica errata.
Di norma, le reti preferiscono non fornire elettricità piuttosto che cattiva elettricità. I controlli automatizzati attraverso il sistema elettrico disconnetteranno l'alimentazione se la frequenza o la tensione sono "fuori specifica".
Un tecnico monitora i livelli di elettricità davanti a uno schermo gigante che mostra la rete di trasmissione elettrica della Germania orientale nel centro di controllo di Neuenhagen bei Berlin, Germania, il 17 dicembre 2015. (Sean Gallup/Getty Images)
Gli australiani del sud non dimenticheranno presto quando questo è accaduto all'intera rete statale nel 2016. Il blackout in tutto lo stato è iniziato nel tardo pomeriggio durante alcune cattive condizioni meteorologiche e migliaia di persone hanno dovuto lasciare la città senza lampioni o semafori .
Ci sono state una serie di cause che hanno contribuito, tra cui raffiche di vento che hanno abbattuto alcune linee di trasmissione e un fulmine su una centrale elettrica.
Dopo quelle cause fisiche, i sistemi di protezione automatizzati hanno preso il sopravvento. Le turbine eoliche si sono disconnesse dalla rete. Il sistema ha naturalmente iniziato a prelevare più carico da tutte le forniture rimanenti, il che ha portato al massimo la capacità dell'interconnettore al resto della rete della costa orientale, che di conseguenza si è disconnessa.
Da quel momento, gli arresti si sono verificati a cascata su tutta la rete. Tutto questo è successo in meno di un secondo.
La possibilità di un arresto a cascata non può mai essere completamente eliminata; i sistemi di protezione automatizzati devono prendere decisioni a una velocità tale da impedire qualsiasi coinvolgimento umano.
Tuttavia, la vulnerabilità dell'intero sistema può variare e l'aumento delle rinnovabili intermittenti contribuisce a diminuire la stabilità del sistema.
Generatori tradizionali vs rinnovabili
I generatori tradizionali utilizzano turbine: turbine a vapore, turbine a ciclo aperto e turbine idrauliche (energia idroelettrica). Queste apparecchiature sono chiamate “sincrone” perché la frequenza dell'elettricità che producono è direttamente collegata alla velocità di rotazione degli alberi delle turbine.
Poiché queste macchine sono grandi e pesanti, ci vuole tempo ed energia per accelerarle o rallentarle, il che significa che la frequenza dell'elettricità non può cambiare troppo velocemente. Questo si chiama "inerzia".
Come puoi immaginare, i pannelli solari, non avendo parti in movimento, non forniscono inerzia. Corrispondono a qualunque frequenza sia già presente nel sistema; non aiutano a stabilizzarlo.
Le turbine eoliche, sebbene abbiano componenti rotanti di grandi dimensioni, cambiano continuamente velocità semplicemente a causa delle condizioni del vento. Quindi non sono progettati per sincronizzarsi con la rete CA. Quindi non forniscono nemmeno inerzia.
Se un sistema non ha inerzia, invece di rispondere dolcemente a un cambiamento di carico, la frequenza può agitarsi come un ciclista che subisce oscillazioni di velocità (qualsiasi motore può avere lo stesso problema se non ha un volano sufficientemente pesante).
Pecore pascolano davanti alle turbine eoliche sul lago George, alla periferia di Canberra, in Australia, il 1° settembre 2020. (David Gray/Getty Images)
Dopo il blackout del 2016, la sicurezza energetica ha guadagnato il posto che le spetta come massima priorità per alcune gloriose e brevi settimane.
Un pacchetto di azioni è stato intrapreso dal governo del South Australia nei due anni successivi, tra cui l'installazione di una batteria su larga scala (a seguito della promessa di Elon Musk di costruirla entro 100 giorni o di fornirla gratuitamente), la costruzione di una nuova centrale elettrica diesel e fornire incentivi per nuove esplorazioni e produzioni di gas naturale.
Inoltre, sono stati installati due condensatori sincroni. I condensatori sincroni sono alberi rotanti grandi e pesanti, simili a quelli contenuti in una turbina, ma non producono elettricità, aiutano solo a stabilizzare la frequenza della rete.
Negli anni successivi, ciascuna di queste risposte è stata rivendicata. Il generatore diesel è stato utilizzato in diversi momenti critici. È stato inoltre riscontrato che il valore principale della batteria su larga scala era quello di stabilizzare la rete.
Sebbene immagazzini relativamente poca energia, la batteria risponde rapidamente ai guasti originati ovunque nella rete della costa orientale, anche nel Queensland. Da allora è stato programmato per fornire "inerzia virtuale".
La tecnologia per una rete rinnovabile al 100% non è ancora arrivata
I progressi nella tecnologia e nella gestione della rete hanno fatto sì che le rinnovabili possano fornire porzioni più significative e più ampie dell'offerta senza destabilizzare in modo inaccettabile la frequenza della rete.
Tuttavia, rimane vero che quasi nessun sistema può mai permettersi di operare con il 100% di energie rinnovabili senza mantenere in funzione almeno alcuni generatori rotanti tradizionali.
I generatori eolici e solari sono spesso spenti o “tagliati”, anche quando sono ancora attivi alcuni generatori a gas oa carbone. L'operatore di rete non può permettersi di spegnere i generatori sincroni senza perdere il controllo della frequenza.
Nel Territorio del Nord, che dispone di una rete elettrica autonoma, sono stati costruiti circa 60 MW di parchi solari che non sono mai stati accesi perché il sistema non è in grado di accoglierli.
Sebbene il blackout del 2016 abbia innescato una serie di miglioramenti alla rete del South Australia, la sicurezza energetica è ancora pericolosamente in fondo all'elenco delle priorità per i governi australiani.
Azioni importanti a sostegno della sicurezza energetica, come la costruzione del generatore di picco Kurri Kurri nel Nuovo Galles del Sud, incontrano spesso l'opposizione dei media e dei politici.
I visitatori si riuniscono per vedere le installazioni luminose al porto di Sydney all'inizio del festival Vivid Sydney a Sydney il 24 maggio 2019. Vivid Sydney è un festival culturale all'aperto con installazioni luminose e proiezioni. (Saeed Khan/AFP tramite Getty Images)
Diverse volte, l'Australia si è avvicinata pericolosamente a un altro arresto a cascata. Gli incidenti si sono verificati in reti più piccole ma non sono riusciti a ottenere l'attenzione nazionale, come l'arresto di Alice Springs del 2019, in cui la rete dell'Australia centrale è stata chiusa per diverse ore semplicemente a causa di una copertura nuvolosa imprevista.
Un recente esempio di quasi incidente si è verificato alla fine di novembre 2022. Durante un evento meteorologico significativo, la principale linea di trasmissione che collega il South Australia al resto della costa orientale è stata interrotta vicino a Tailem Bend.
La rete elettrica del South Australia è diventata un'isola. Per la stabilità del sistema, diversi generatori rotanti dovevano rimanere in linea. Tuttavia, la quantità di energia solare che lo stato può generare durante il giorno può superare la domanda. L'operatore di rete aveva bisogno di limitare più generazione solare di quella su cui ha il controllo diretto.
In risposta, l'operatore di mercato ha iniziato a telefonare ai fornitori di energia solare dietro il contatore e a utilizzare i social media per chiedere ai proprietari di pannelli solari commerciali e residenziali di spegnere i loro pannelli. Grazie a queste telefonate, sono riusciti a spegnere circa la metà dell'energia solare del South Australia e quindi a impedire un altro spegnimento.
Il sistema era altamente vulnerabile, eppure l'intero evento è apparso a malapena nei telegiornali della sera.
Nonostante la mancanza di trazione da quella notizia, i media hanno celebrato a gran voce un traguardo abbastanza insignificante un mese dopo, quando la generazione di energie rinnovabili dello stato è stata pari al 100% della domanda per 10 giorni, il che sarebbe stato impossibile senza esportare la maggior parte della generazione negli stati vicini.
Sembra che fino a quando le luci non si spegneranno effettivamente, il decisore manterrà lo sguardo saldamente fisso sul miraggio rinnovabile.
Ci sono molteplici ragioni per cui le rinnovabili non sono una semplice panacea per l'approvvigionamento elettrico in tutto il mondo :
il problema della dipendenza dal tempo,
il problema dell'accumulo di energia,
il problema della sostituzione e del riciclaggio a fine vita,
il problema della superficie terrestre,
il problema dei materiali da costruzione e della scarsità.
Ora puoi aggiungere il problema del controllo della frequenza alla tua lista.
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