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Linea di vita per l'energia rinnovabile
Spingi attraverso una porta girevole a prova di proiettile in un edificio anonimo in una zona squallida dell'ex Berlino Est e accedi al centro di controllo per Vattenfall Europe Transmission, la società che controlla la rete elettrica della Germania nord-orientale. Un monitor che mostra un diagramma di quella griglia occupa la maggior parte di una parete. Una serie di schermi più piccoli mostra la produzione in tempo reale delle turbine eoliche regionali e la produzione prevista il giorno precedente. La Germania è il più grande utilizzatore mondiale di energia eolica, con turbine sufficienti per produrre 22.250 megawatt di elettricità. È all'incirca l'equivalente della produzione di 22 centrali a carbone, abbastanza per soddisfare circa il 6% del fabbisogno della Germania. E poiché l'area di servizio di Vattenfall produce il 41% dell'energia eolica tedesca, la sala di controllo è un banco di prova fondamentale per la capacità della rete di gestire l'energia rinnovabile.
Linee verdi: Attingere energia da parchi eolici e solari remoti richiederà più linee di trasmissione ad alta tensione come queste, vicino a Yermo, in California, che collegano il Nevada meridionale con Los Angeles.
Come tutte le reti elettriche, quella gestita da Vattenfall deve continuamente adeguare la produzione di energia alla domanda di case, uffici e fabbriche. La sfida consiste nel mantenere un'alimentazione stabile incorporando elettricità da una fonte irregolare come il vento. Se c'è troppo poca energia eolica, gli ingegneri dell'azienda potrebbero dover avviare centrali elettriche a combustibili fossili con breve preavviso, un processo inefficiente. Se c'è troppo, potrebbe sovraccaricare il sistema, causando blackout o costringendo gli impianti a chiudere.
Tuttavia, gli ingegneri hanno poche opzioni. La rete ha una capacità limitata di trasferire energia extra ad altre regioni e non ha capacità di accumulo di energia oltre a una manciata di piccole strutture che pompano acqua nei bacini in salita e poi la rilasciano attraverso le turbine durante i periodi di picco della domanda. Quindi ogni mattina, quando gli uffici e le fabbriche accendono la corrente, gli ingegneri devono utilizzare le previsioni del vento per decidere quanta elettricità gli impianti convenzionali dovrebbero iniziare a produrre.
Ma queste previsioni sono tutt'altro che perfette. Man mano che in Germania spuntano sempre più turbine eoliche, aumentano anche i sovraccarichi e le carenze causate da cambiamenti imprevisti del livello del vento. Nel 2007, gli ingegneri di Vattenfall hanno dovuto abbandonare i loro piani di pianificazione quotidiana all'incirca a giorni alterni per riconfigurare al volo le forniture di elettricità; all'inizio del 2008, tali cambiamenti si sono resi necessari ogni giorno. Le centrali elettriche dovevano accendersi e spegnersi in modo inefficiente e l'azienda doveva effettuare acquisti di elettricità di emergenza a prezzi elevati. Giorni di vento molto forte e bassa domanda hanno persino costretto i lavoratori di Vattenfall a chiudere rapidamente i parchi eolici.
Taccuino del giornalista : David TalbotI problemi di Vattenfall sono un'anteprima delle immense sfide che ci attendono poiché l'energia da fonti rinnovabili, principalmente eolica e solare, inizia a svolgere un ruolo più importante in tutto il mondo. Per utilizzare questa energia pulita, avremo bisogno di più linee di trasmissione in grado di trasportare energia da una regione all'altra e collegare le città affamate di energia con le aree remote in cui è probabile che venga generata gran parte della nostra energia rinnovabile. Avremo anche bisogno di controlli molto più intelligenti in tutto il sistema di distribuzione: tecnologie in grado di immagazzinare elettricità extra dai parchi eolici nelle batterie delle auto ibride plug-in, ad esempio, o di accendere e spegnere a distanza elettrodomestici affamati di energia quando la fornitura di energia aumenta e cade.
Se questi aggiornamenti della rete non avvengono, i nuovi progetti di energia rinnovabile potrebbero essere bloccati, perché metterebbero sotto stress inaccettabili i sistemi elettrici esistenti. Secondo un recente studio finanziato dalla Commissione europea, la crescente produzione di elettricità dall'eolico (i nuovi impianti previsti per il Mar del Nord e il Mar Baltico potrebbero aggiungere altri 25.000 megawatt alla rete tedesca entro il 2030) potrebbe a volte causare enormi sovraccarichi. Negli Stati Uniti, la North American Electric Reliability Corporation, un'organizzazione non governativa istituita per regolamentare il settore dopo un enorme blackout del 1965, ha lanciato un avvertimento simile a novembre. Stiamo già utilizzando il sistema più vicino al limite rispetto al passato, afferma il presidente del gruppo, Rick Sergel. Semplicemente non abbiamo la capacità di trasmissione disponibile per integrare adeguatamente le nuove risorse rinnovabili.
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Guarda grafici e infografiche sulle fonti di elettricità degli Stati Uniti, la domanda e il revamping della rete.
Ritorno alle basi: Aumentare l'energia rinnovabile negli Stati Uniti non richiederà nuove tecnologie tanto quanto infrastrutture di base, come questa sottostazione vicino a Santa Clarita, in California, per aiutare a portare quell'energia sul mercato.
La sfida che devono affrontare gli Stati Uniti è particolarmente eclatante. Mentre la Germania ottiene già il 14% della sua elettricità da fonti rinnovabili, gli Stati Uniti ottengono solo circa l'1% della sua elettricità da energia eolica, solare e geotermica combinate. Ma più della metà degli stati ha fissato obiettivi ambiziosi per aumentare l'uso delle energie rinnovabili e il presidente eletto Barack Obama vuole che il 10% dell'elettricità della nazione provenga da fonti rinnovabili entro la fine del suo primo mandato, fino al 25% entro il 2025. Tuttavia, a differenza della Germania, che ha iniziato a progettare nuove linee di trasmissione e ad approvare nuove leggi intese ad accelerare la loro costruzione, gli Stati Uniti non hanno in corso alcuno sforzo nazionale per modernizzare il proprio sistema. Il mancato miglioramento della nostra rete rappresenterà un onere significativo per lo sviluppo di nuove tecnologie rinnovabili, afferma Vinod Khosla, fondatore di Khosla Ventures, una società di capitali di rischio a Menlo Park, in California, che ha investito molto nelle tecnologie energetiche.
Ingorgo
Quando la sua costruzione iniziò alla fine del 19° secolo, la rete elettrica degli Stati Uniti doveva fornire l'energia più economica alla maggior parte delle persone. Nel secolo scorso, i monopoli regionali e le agenzie governative hanno costruito centrali elettriche, per lo più alimentate a combustibili fossili, il più vicino possibile ai centri abitati. Hanno anche costruito reti di trasmissione e distribuzione progettate per servire i consumatori di elettricità di ogni regione. È stato sviluppato un sistema patchwork e le connessioni esistenti tra le reti locali sono intese principalmente come backstop contro le interruzioni di corrente. Oggi, la rete degli Stati Uniti comprende 164.000 miglia di linee di trasmissione ad alta tensione, quelle file familiari di torri d'acciaio che trasportano l'elettricità dalle centrali elettriche alle sottostazioni, e più di 5.000 reti di distribuzione locali. Ma mentre le sue dimensioni e complessità sono cresciute immensamente, la struttura di base della rete è cambiata poco da quando Thomas Edison ha attivato un sistema di distribuzione che serve 59 clienti a Lower Manhattan nel 1882. Se Edison si svegliasse oggi e guardasse la rete, dire: 'Ecco dove l'ho lasciato', afferma Guido Bartels, direttore generale del gruppo IBM Global Energy and Utilities Industry.
Sebbene questa struttura sia stata straordinariamente utile per fornire energia a basso costo a un'ampia popolazione, non è particolarmente adatta a fonti di energia fluttuanti come il solare e l'eolico. Prima di tutto, le linee di trasmissione non sono nei posti giusti. Le pianure ventose del Midwest e i deserti assolati del sud-ovest - aree che teoricamente potrebbero fornire all'intera nazione energia eolica e solare - sono alle estremità della rete, isolate dalle grosse arterie che forniscono energia, diciamo, Chicago o Los Angeles. In secondo luogo, la rete non ha la capacità di accumulo per gestire la variabilità, per trasformare una fonte come l'energia solare, che non genera energia di notte e poco durante i giorni nuvolosi, in una fonte costante di elettricità. E infine, la griglia è, per la maggior parte, uno stupido sistema a senso unico. Considera che quando la corrente si spegne sulla tua strada, l'utilità probabilmente non lo saprà a meno che tu o uno dei tuoi vicini non prendiate il telefono. Non è il tipo di sistema in grado di monitorare e gestire l'uscita fluttuante dei pannelli solari sui tetti o delle turbine eoliche distribuite.
La struttura normativa della rete statunitense è altrettanto antiquata. Mentre la Federal Energy Regulatory Commission (FERC) può approvare le richieste dei servizi pubblici per le tariffe elettriche e la trasmissione di licenze attraverso i confini statali, i singoli stati mantengono il controllo su se e dove vengono effettivamente costruite le principali linee di trasmissione. Negli anni '90, molti stati hanno rivisto i propri regolamenti nel tentativo di introdurre la concorrenza nel mercato dell'energia. Le utility hanno dovuto aprire le loro linee di trasmissione ad altri produttori di energia. Un effetto di queste mosse normative è stato che le aziende avevano meno incentivi a investire nella rete rispetto a nuove centrali elettriche e nessuno aveva una chiara responsabilità per l'espansione dell'infrastruttura di trasmissione. Allo stesso tempo, il mercato più aperto ha fatto sì che i produttori iniziassero a cercare di vendere energia alle regioni più lontane, ponendo nuovi oneri sulle connessioni esistenti tra le reti. Il risultato è stata una carenza di trasmissione nazionale.
Questi problemi potrebbero ora essere il più grande ostacolo a un uso più ampio delle energie rinnovabili, che altrimenti sembra sempre più praticabile. I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory di Golden, CO, hanno concluso che non c'è motivo tecnico o economico per cui gli Stati Uniti non potrebbero ottenere il 20% della loro elettricità dalle turbine eoliche entro il 2030. I ricercatori calcolano, tuttavia, che raggiungere questo obiettivo richiederebbe un investimento di 60 miliardi di dollari in 12.650 miglia di nuove linee di trasmissione per collegare i parchi eolici alla rete e contribuire a bilanciare la loro produzione con quella di altre fonti di elettricità e con la domanda dei consumatori. L'infrastruttura di rete inadeguata è di gran lunga il problema numero uno per quanto riguarda l'espansione del vento, afferma Steve Specker, presidente dell'Electric Power Research Institute (EPRI) a Palo Alto, in California, la struttura di ricerca del settore. Sta già iniziando a limitare parte della potenziale crescita del vento in alcune parti dell'Occidente.
Il Midwest Independent Transmission System Operator, che gestisce la rete in una regione che copre porzioni di 15 stati dalla Pennsylvania al Montana, ha ricevuto centinaia di richieste di connessione alla rete da potenziali sviluppatori di energia i cui progetti eolici proposti genererebbero complessivamente 67.000 megawatt di potenza. È più di 14 volte l'energia eolica che la regione produce ora, e molto più di quella che potrebbe consumare da sola; rappresenterebbe circa il 6% del consumo totale di elettricità degli Stati Uniti. Ma il sistema di trasmissione esistente non ha la capacità di portare così tanta elettricità alle parti del paese che ne hanno bisogno. In molti degli stati della regione, non c'è una particolare urgenza di spostare le cose, dal momento che ognuno ha tutto il potere di cui ha bisogno. Quindi la maggior parte delle domande di connessione alla rete sono semplicemente in fila, alcune ostacolate dalla mancanza di infrastrutture e altre da ritardi burocratici e normativi.
Lisa Daniels, ad esempio, ha aspettato tre anni per una connessione alla rete per uno sviluppo pianificato di 9-12 turbine sulla sua terra a Kenyon, MN, 60 miglia a sud di Minneapolis. L'impianto sarebbe in grado di produrre 18 megawatt di potenza. Il suo sito, a solo un miglio e mezzo da una sottostazione, è pronto per il bulldozer, afferma Daniels, che è anche direttore esecutivo di un'organizzazione non profit regionale che mira a incoraggiare i progetti eolici locali. Il sistema dovrebbe essere plug-and-play, ma non lo è, dice.
Le utility, tuttavia, sono riluttanti a costruire nuova capacità di trasmissione finché non sanno che la produzione di energia di parchi eolici e solari remoti lo giustificherà. Allo stesso tempo, gli investitori in energie rinnovabili sono riluttanti a costruire nuovi parchi eolici o solari finché non sanno di poter immettere la loro energia sul mercato. Molto spesso, scelgono di attendere una nuova capacità di trasmissione prima di preoccuparsi di fare proposte, afferma Suedeen Kelly, un commissario della FERC. È una cosa tipo pollo e uovo, dice.
Più intelligenza
Il laboratorio senza finestre della GE Global Research a Niskayuna, NY, è fornito di elettrodomestici da cucina e rivestito di schermi a parete come quelli dei centri di controllo per una rete elettrica. In laboratorio, Juan de Bedout, manager dell'Electric Power and Propulsion Systems Laboratory, descrive come una rete intelligente potrebbe aiutare a rendere pratiche le energie rinnovabili. Immagina, dice, che la velocità del vento diminuisca improvvisamente in un parco eolico, o che un banco di nuvole si muova su un impianto fotovoltaico. I sistemi di controllo della trasmissione esistenti, come quelli di Vattenfall, rileveranno il calo della fornitura e ordineranno aumenti nella produzione di energia da altre fonti, in particolare gli impianti a gas naturale, che possono essere avviati rapidamente.
Ma in una rete intelligente, il controller potrebbe inviare un messaggio a un sistema di distribuzione regionale, cercando una riduzione della domanda. Immediatamente, un segnale sarebbe stato inviato ai contatori nelle case o negli uffici dei clienti che avevano acconsentito, in cambio di riduzioni tariffarie, a lasciare che l'utility attrezzasse alcuni dei loro elettrodomestici per ridurre il consumo di energia durante le interruzioni della fornitura. In pochi secondi, gli scaldacqua elettrici si spegnevano per alcuni minuti e i termostati elettronici si regolavano automaticamente di due o tre gradi. Non ci sarebbe bisogno di accendere l'impianto a gas naturale.
Colpo di vento: I parchi eolici esistenti nel sud della California, come questo a nord di Santa Clarita, vengono ampliati con parchi più grandi mentre nuove linee di trasmissione collegano l'area con la grande Los Angeles.
In uno dei progetti pilota più avanzati che testano un tale sistema, l'utility Xcel Energy con sede a Minneapolis e diversi fornitori stanno investendo $ 100 milioni per installare un'infrastruttura di rete intelligente a Boulder, CO. In questi giorni, una squadra di Xcel di 115 persone è fuori a tempo pieno, installando contatori elettrici a due vie in 50.000 case. I proprietari di abitazione stanno ottenendo un software che consente loro di visualizzare e gestire il proprio consumo energetico sul Web e alcuni dei loro elettrodomestici sono dotati di interruttori che consentiranno all'utenza di spegnerli a distanza durante i periodi di forte domanda.
Le tecnologie smart-grid potrebbero ridurre il consumo complessivo di elettricità del 6% e la domanda di picco fino al 27%. Secondo il Brattle Group, una società di consulenza di Cambridge, MA, le sole riduzioni della domanda di picco permetterebbero di risparmiare tra $ 175 miliardi e $ 332 miliardi in 20 anni. Non solo la riduzione della domanda libererebbe capacità di trasmissione, ma gli investimenti di capitale che sarebbero altrimenti necessari per le nuove centrali elettriche convenzionali potrebbero essere reindirizzati alle energie rinnovabili. Questo perché le tecnologie smart-grid renderebbero molto più pratiche le piccole installazioni di turbine eoliche e pannelli fotovoltaici. Consentiranno di integrare nella rete quantità molto maggiori di energie rinnovabili e ridurranno il costo effettivo complessivo a livello di sistema di tali rinnovabili, afferma Peter Fox-Penner del Gruppo Brattle.
A Boulder, ad esempio, Xcel sta incoraggiando i consumatori a installare pannelli solari sui tetti e batterie di batterie nei seminterrati, parte di un piano per dimostrare come l'energia variabile prodotta da migliaia o milioni di tetti solari possa essere immagazzinata nelle singole case e immesso in rete quando necessario. Negli ultimi mesi, Xcel ha persino acquistato alcune auto ibride plug-in e le ha collegate alla rete, al fine di testare un software che consentisse ai veicoli di agire come dispositivi di accumulo di energia.
E Xcel non è solo. Sia le startup che le grandi aziende stanno perfezionando e commercializzando materiali per coperture solari, dispositivi per l'accumulo di energia negli scantinati, batterie per ibridi plug-in e software intelligente per ottimizzare l'uso dell'elettricità. Ma proprio come la produzione di energia rinnovabile su larga scala dipende dal miglioramento dell'infrastruttura di trasmissione, molti di questi progressi sono inutili senza migliori controlli della rete. Non è possibile utilizzare la batteria di un plug-in per l'archiviazione della rete se la rete non è in grado di recuperare in modo intelligente l'energia dall'auto.
La buona notizia è che molte società di servizi pubblici hanno iniziato a installare i contatori necessari, che monitorano in modo intelligente il flusso di energia sia all'interno che all'esterno di una casa. La domanda ora è come andare oltre la tempesta di progetti pilota, installare tecnologie più intelligenti attraverso la rete e iniziare a integrare più energia rinnovabile nella nuova infrastruttura. La visione smart-grid è piacevole; tutti abbiamo le nostre diapositive PowerPoint a colori, afferma Don Von Dollen, che gestisce la ricerca sulla griglia intelligente all'EPRI. Penso che ormai le persone abbiano capito la visione. Ora è il momento di fare le cose.
Circolo vizioso
L'estate scorsa, l'ex vicepresidente Al Gore ha iniziato a sostenere che il paese aveva bisogno di implementare un sistema elettrico completamente privo di emissioni di carbonio entro un decennio per scongiurare il pericolo del riscaldamento globale. Come parte della sua visione, Gore ha chiesto una rete intelligente nazionale unificata che sposti l'energia generata da fonti rinnovabili nelle città, aumenti l'efficienza dell'uso dell'elettricità e consenta un maggiore controllo sulle risorse rinnovabili. Ha stimato che la revisione della rete sarebbe costata 400 miliardi di dollari in 10 anni.
Il piano di Gore non spiega esattamente come sarebbe stato eseguito un progetto così imponente. Se è più veloce avere una legislazione completa che convinca gli stati a lavorare insieme e faccia affluire capitali privati, è fantastico, afferma Cathy Zoi, CEO dell'Alliance for Climate Protection, l'organizzazione no-profit fondata da Gore a Menlo Park, in California, per sollecitare l'urgenza azione sui cambiamenti climatici. Se è più facile e veloce stanziare denaro federale e farlo come progetto di lavori pubblici, va bene lo stesso. Non siamo legati a uno strumento politico.
Al momento, ovviamente, nessuna strategia è stata adottata. Sebbene i progetti pilota come quello di Boulder valgano la pena come un modo per dimostrare nuove tecnologie, sono stati implementati in modo guazzabuglio, con diverse utility che implementano tecnologie diverse in diversi stati. I progetti di trasmissione stanno avanzando in modo incrementale, ma sono spesso complicati da conflitti tra gli stati. Quello che abbiamo oggi è questo mosaico di regole e regolamenti che variano a seconda dello stato, afferma Peter Corsell, CEO di GridPoint, una startup di Arlington, in Virginia, che produce software per smart grid e partecipa al progetto Boulder. Siamo tutti trincerati in questo sistema rotto e non c'è accordo su come risolverlo. È un circolo vizioso.
Alcuni pensano che la risposta sia dare più autorità alla FERC. Oggi, l'agenzia può annullare le decisioni degli stati su dove posizionare le linee di trasmissione, ma solo nelle regioni che il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha designato come critiche per la sicurezza dell'approvvigionamento elettrico. Finora sono stati designati solo due di questi corridoi: uno negli stati dell'Atlantico centrale e un altro nel sud-ovest. Anche in quelle regioni i ritardi continuano. Southern California Edison ha proposto un'importante linea di trasmissione nel corridoio sud-ovest; estendendosi da fuori Los Angeles a vicino a Phoenix, AZ, sarebbe in grado di gestire l'energia generata da futuri impianti fotovoltaici e solari termici. Ma l'Arizona ha respinto l'idea, quindi l'utility si sta preparando a portare i suoi piani alla FERC.
Altri pensano che la soluzione sia una nuova politica federale che renderebbe più redditizio il mercato delle energie rinnovabili, magari regolando le emissioni di anidride carbonica, come farebbe la politica cap-and-trade proposta da Obama. In base a tale politica, l'energia eolica e altre fonti di elettricità prive di carbonio diventerebbero molto più preziose, fornendo un incentivo per i servizi pubblici ad espandere la loro capacità di gestirle (vedi Domande e risposte, pag. 28) . Potrebbe cambiare tutto molto velocemente, afferma Will Kaul, vicepresidente per la trasmissione presso Great River Energy nel Minnesota, che dirige uno sforzo congiunto di pianificazione della trasmissione che include 11 servizi pubblici nel Midwest. Se ci fosse una politica del carbonio, o uno standard nazionale per le energie rinnovabili, la portata della generazione eolica esploderebbe.
Come avvertono Gore e altri esperti ambientali, e come testimonierebbero gli ingegneri di Vattenfall, un'esplosione nell'uso delle energie rinnovabili dipenderà in larga misura dal potenziamento della rete. Non sarà economico, ma potrebbe valerne la pena. Dovremmo pensare a questo nello stesso modo in cui pensiamo al ruolo del sistema autostradale federale, afferma Ernest Moniz, professore di fisica al MIT che dirige l'iniziativa di ricerca sull'energia della scuola. È l'elemento chiave che ci consente di modernizzare l'intero sistema di produzione di energia elettrica. E le rinnovabili sono un beneficiario particolarmente importante. Non c'è motivo tecnologico per cui non possiamo procedere in modo aggressivo.
David Talbot è Revisione della tecnologia capo corrispondente.