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Rendere le reti elettriche più efficienti
La trasmissione e la distribuzione elettrica sono state a lungo un osso duro per l'innovazione tecnologica. Ma i mercati dell'energia deregolamentati stanno aiutando gli sviluppatori di tecnologia a bypassare i servizi di pubblica utilità notoriamente avari e conservatori.
I volani di Beacon Power possono assorbire e rilasciare energia in meno di quattro secondi, bilanciando domanda e offerta sulla rete elettrica in modo più rapido, pulito ed economico rispetto alle centrali elettriche convenzionali. (Credito: Beacon Power Corp.)
TransÉnergie ha aperto la strada, utilizzando la tecnologia di alimentazione CC per costruire le proprie linee elettriche mercantili che trasportano energia per il miglior offerente, piuttosto che semplicemente servire le utenze locali (vedi TransÉnergie: Playing Two Power Games).
Ora sviluppatore di accumulo di energia Beacon Power Corp. di Wilmington, MA, propone una corsa finale simile per le utilità a movimento lento. Piuttosto che commercializzare i suoi sistemi di accumulo di energia basati su volani alle utility, la società prevede di costruire i propri impianti a volano mercantili che spostano l'energia dentro e fuori una linea elettrica per stabilizzare la rete.
È un'idea che sta attirando l'attenzione degli operatori di sistema indipendenti (ISO), le organizzazioni regionali incaricate di gestire le reti elettriche della nazione. Gli ISO della California e di New York stanno già testando le apparecchiature di Beacon Power. E Matt Lazarewicz, direttore tecnico della società, afferma che un collegio elettorale altrettanto importante da impressionare è Wall Street. Secondo lui, il modello mercantile è l'unico modello che Wall Street finanzierà. I rendimenti sono più alti in questo modo, afferma Lazarewicz. Non appena dici che un'azienda di servizi pubblici comprerà qualcosa o farà qualcosa, gli investitori alzano gli occhi al cielo e se ne vanno.
I sistemi di accumulo dell'energia a volano di Beacon Power sono progettati per fornire la regolazione della frequenza, un servizio per il quale gli ISO hanno pagato più di 600 milioni di dollari l'anno scorso. Gli operatori di rete hanno bisogno di aiuto con la regolazione della frequenza perché la frequenza della corrente alternata di una rete fluttua costantemente mentre i dispositivi elettrici e i generatori si accendono e si spengono, causando squilibri temporanei nella produzione e nella domanda di energia. La domanda non soddisfatta mette a dura prova le centrali elettriche di una rete, rallentandole e trascinando la frequenza di rete al di sotto del suo set-point (60 hz in Nord America, 50 hz in Europa e gran parte dell'Asia). L'eccesso di offerta ha l'effetto opposto. E entrambe le condizioni possono causare la disconnessione automatica delle linee elettriche e delle centrali elettriche dalla rete, prevenendo così danni alle apparecchiature delle utenze e dei clienti, ma anche aumentando il rischio di blackout.
Gli ISO attualmente si affidano a centrali elettriche a combustibili fossili, principalmente turbine a gas, per appianare le variazioni di frequenza di una rete. Le società di servizi pubblici fanno offerte per fornire questo servizio, mettendo così una parte fissa della capacità delle loro centrali elettriche (circa l'1-2% della produzione totale di energia di una rete) sotto il controllo diretto degli ISO. Sui segnali degli ISO, gli impianti designati aumentano e diminuiscono per bilanciare approssimativamente la domanda e l'offerta. È un processo costoso e inquinante perché le centrali elettriche bruciano il carburante in modo più efficiente quando funzionano costantemente e a piena capacità. Regolare con la generazione di combustibili fossili è la coda che agita il cane, afferma Imre Gyuk, che gestisce il programma di ricerca sull'accumulo di energia del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Anche la regolazione della frequenza del gas è sempre più costosa, a causa dell'aumento del costo del gas naturale. Dan Mears, presidente della società di consulenza energetica Technology Insights con sede a San Diego, afferma che il gas ad alto costo colpisce due volte gli ISO. Oltre ad aumentare il costo della regolazione della frequenza alimentata a gas, i prezzi elevati del gas stanno accelerando l'installazione di turbine eoliche, la cui potenza rafficata e instabile può aumentare la necessità di regolazione della frequenza. È un problema che si autoalimenta, afferma Mears.
I sistemi di accumulo del volano di Beacon Power sono programmati per azzerare le fluttuazioni di frequenza riciclando l'energia: un motore elettrico utilizza la potenza di rete in eccesso per accelerare i volani in carbonio e fibra di vetro a levitazione magnetica fino a 22.500 giri / min, quindi scarica l'energia cinetica immagazzinata rigenerando l'elettricità quando il cali di frequenza di rete. A differenza delle batterie, il principale concorrente nell'accumulo di energia, i volani di Beacon possono resistere a cicli profondi continui senza perdere capacità.
Il test più recente della sua tecnologia, una prova di quattro mesi iniziata la scorsa settimana presso il centro di ricerca di San Ramon di Pacific Gas ed Electric, impiega sette volani da 6 chilowattora, ciascuno delle dimensioni di un piccolo frigorifero, uniti insieme per formare un sistema che può assorbire o scaricare 100 kilowatt di potenza per 15 minuti. Per i sistemi commerciali, Beacon Power sta costruendo volani da 25 kilowatt delle dimensioni di frigoriferi alti, che sarebbero combinati in gruppi per fornire da 1 a 20 megawatt.
La rapida risposta dei volani dovrebbe anche far andare ogni megawatt oltre la produzione equivalente di una centrale elettrica a gas, affermano i funzionari del Commissione energetica della California a Sacramento, che sta cofinanziando la manifestazione in California con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Mike Gravely, il project manager della California Energy Commission che si occupa dei test di San Ramon, afferma che i generatori a gas possono impiegare cinque minuti o più per rispondere ai segnali di controllo della frequenza della California ISO (emessi ogni quattro secondi). A quel punto, il sistema è spesso tornato da solo verso l'equilibrio. Al contrario, i volani di Beacon sono in grado di passare dall'assorbimento a piena potenza alla scarica a piena potenza più velocemente di quanto Cal-ISO possa inviare i suoi comandi. C'è la possibilità che se riesci a rispondere ai bisogni più velocemente, potresti non aver bisogno di tanta energia: puoi fare di più con meno, dice Gravely.
Gyuk al DOE prevede che solo 100 megawatt di riserva di volano - la metà di ciò che la California acquista oggi dai generatori convenzionali - potrebbero gestire il 90% dei problemi di frequenza dello stato. E, se i costi dovessero arrivare come previsto da Beacon Power, i risparmi risultanti potrebbero essere sostanziali. Lazarewicz afferma che un impianto da un megawatt costerà circa $ 1,5 milioni per la costruzione e può aspettarsi di guadagnare circa $ 400.000 all'anno dagli ISO per i suoi servizi. Di conseguenza, Lazarewicz afferma che l'impianto dovrebbe ripagarsi da solo in quattro anni, anche dopo aver coperto il costo dell'energia persa durante il funzionamento dei sistemi (circa il 15% dell'energia totale gestita).
Mears afferma che la risposta rapida del volano potrebbe anche avere un gradito vantaggio collaterale: migliorare l'affidabilità della rete. Gli impianti a volano potrebbero liberare impianti alimentati a gas per fornire potenza di picco extra nelle afose giornate estive quando i condizionatori d'aria sono a tutto volume e le linee elettriche interstatali sono piene. Inoltre, la risposta rapida del volano potrebbe mantenere una presa più stretta sulla frequenza della rete, reprimendo le deviazioni di potenza che iniziano con piccole ma, quando il sistema è sovraccaricato, può avviare un guasto a cascata. Mantenere la rete stabile è l'idea alla base della regolazione della frequenza, concorda Lazarewicz. Questo è semplicemente un modo in cui possiamo farlo meglio e in modo più economico.