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Valutare l’affidabilità del sistema di alimentazione in una rete, in un ambiente in evoluzione

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Credito: Pixabay/CC0 di dominio pubblico

Dalla crescente decarbonizzazione, elettrificazione e generazione distribuita, ai più frequenti eventi meteorologici estremi causati dai cambiamenti climatici, il sistema elettrico sta subendo enormi cambiamenti. Questi fattori influiscono sul modo in cui la rete viene pianificata e gestita per mantenere un’alimentazione sicura e affidabile.

La North American Electric Reliability Corporation, che si dedica al monitoraggio dello stato generale del sistema di alimentazione di massa e alla riduzione al minimo dell’affidabilità e dei rischi per la sicurezza, ha pubblicato la valutazione dell’affidabilità estiva 2022. Il rapporto ha identificato diverse aree a maggior rischio quest’estate a causa di condizioni di siccità estrema, linee di trasmissione fuori servizio, maggiore domanda e altro ancora. I maggiori rischi per l’affidabilità rendono la pianificazione del sistema di alimentazione ancora più importante.

Per inquadrare la questione dell’affidabilità, i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) utilizzano le “tre R dell’affidabilità del sistema energetico”: adeguatezza delle risorse, affidabilità operativa e resilienza. Tutte e tre le R sono necessarie per un sistema di alimentazione sicuro e affidabile. Questo concetto ha guidato i recenti studi NREL sul mantenimento dell’affidabilità con una griglia e un ambiente che cambiano.

Non esiste un’unica definizione assoluta per ciascuna delle tre R e alcuni aspetti si sovrappongono. Inoltre, le metriche utilizzate per misurare l’affidabilità del sistema elettrico sono ancora in fase di sviluppo e sono attualmente un argomento di discussione importante all’interno dello spazio di pianificazione della rete. Tuttavia, le tre R possono informare la pianificazione e il funzionamento del sistema energetico olistico per garantire una rete sicura e affidabile.

“Ogni regione è diversa e richiede la propria analisi unica, ma le tre R possono aiutare a fornire un quadro più completo dell’affidabilità e del rischio del sistema elettrico a pianificatori di rete, autorità di regolamentazione e responsabili politici”, ha affermato Paul Denholm, principale analista energetico di NREL. “Le tre R possono anche guidare l’evoluzione delle metriche di affidabilità del sistema di alimentazione andando avanti”.

Adeguatezza delle risorse: capacità di riserva sufficiente

L’adeguatezza delle risorse è la capacità del sistema di alimentazione di fornire elettricità sufficiente, nei punti giusti, per mantenere le luci accese, anche durante i giorni di condizioni meteorologiche estreme o nei momenti in cui il carico diminuisce. L’adeguatezza delle risorse è in genere misurata dalla probabilità di un’interruzione per un periodo di tempo prolungato. Nel valutare l’adeguatezza delle risorse, NREL considera ampiamente l’incertezza sia nell’offerta che nella domanda.

L’incertezza del carico include l’aumento della domanda elettrica, periodi di carico stressanti e altro ancora. L’incertezza dell’offerta include le interruzioni comuni occasionali ma previste nelle centrali elettriche, nelle linee di trasmissione e distribuzione e in altre apparecchiature di rete. L’incertezza dell’offerta include anche la disponibilità di risorse variabili come il solare e l’eolico, nonché l’accumulo di energia e la risposta alla domanda, in particolare durante i periodi di stress del sistema.

Un sistema adeguato dispone di risorse disponibili sufficienti (ad es. capacità di riserva e/o carico flessibile) per sostituire la capacità che si guasta, è fuori servizio per manutenzione o non è disponibile a causa di limiti di carburante. Il sistema di trasmissione è anche importante per garantire l’adeguatezza delle risorse perché fornisce la generazione da molte risorse ai siti di carico e consente l’accesso a una maggiore diversità di risorse rinnovabili variabili e di carico nelle regioni vicine.

Con l’aggiunta di più energie rinnovabili alla rete, l’adeguatezza delle risorse deve sempre più tenere conto della variabilità della fornitura di energia rinnovabile, del ruolo dello stoccaggio, dei cambiamenti nei modelli di domanda e dell’impatto delle interruzioni di trasmissione e del coordinamento interregionale.

Affidabilità operativa: capacità di rispondere in tempo reale

L’affidabilità operativa è la capacità del sistema elettrico di bilanciare domanda e offerta in tempo reale gestendo variabilità, vincoli di rampa e carichi flessibili, anche immediatamente dopo un “evento” come una grande centrale elettrica o un guasto alla linea di trasmissione. Un sistema di alimentazione affidabile può mantenere le luci accese durante questi eventi imprevisti con centrali elettriche che possono variare rapidamente la potenza o utenti finali che possono ridurre il consumo di elettricità.

Un aspetto dell’affidabilità operativa sono le riserve operative o la capacità di riserva disponibile che risponde attivamente durante un evento per aiutare a bilanciare la potenza e mantenere una frequenza stabile. Ad esempio, l’inerzia sulla rete consente ai sistemi meccanici che controllano la maggior parte delle centrali elettriche di rilevare e rispondere a un guasto.

I servizi di rete come l’inerzia sono stati tradizionalmente forniti da centrali fossili, nucleari o idroelettriche convenzionali che utilizzano generatori sincroni rotanti. Tuttavia, l’eolico, il solare fotovoltaico e le batterie sono risorse basate su inverter, il che significa che si affidano all’elettronica di potenza, o inverter, per generare elettricità compatibile con la rete.

“Poiché i generatori più convenzionali vengono sostituiti con risorse basate su inverter, è importante capire come possono mantenere una rete sicura e stabile”, ha affermato Mohit Joshi, analista di rete NREL che supporta i paesi in via di sviluppo dell’Asia meridionale e sud-orientale con i loro progetti a lungo termine pianificazione del sistema elettrico.

Resilienza: capacità di riprendersi

La resilienza non è così chiaramente definita come l’adeguatezza delle risorse o l’affidabilità operativa. La Federal Energy Regulatory Commission la definisce come “la capacità di resistere e ridurre l’entità e/o la durata di eventi dirompenti, che include la capacità di anticipare, assorbire, adattarsi e/o riprendersi rapidamente da un tale evento”.

Parti della resilienza si sovrappongono all’adeguatezza delle risorse e all’affidabilità operativa, ma in genere cattura l’efficacia del ripristino di un sistema o la rapidità con cui è possibile ripristinare l’alimentazione dopo un’interruzione. La resilienza include anche eventi più estremi rispetto alle interruzioni tipiche considerate con adeguatezza delle risorse e affidabilità operativa.

“Nel corso degli anni con l’aumento della generazione rinnovabile, dei veicoli elettrici, della risposta alla domanda e di altre tecnologie emergenti, abbiamo imparato che non deve esserci un compromesso tra decarbonizzazione e affidabilità del sistema di alimentazione”, ha affermato Joshi. “Circa un decennio fa, c’era scetticismo nei paesi dell’Asia meridionale e del sud-est asiatico se il sistema elettrico potesse funzionare con eolico e solare, ma in alcune reti abbiamo visto contributi istantanei di generazione variabile fino al 100%. Andando avanti, ci sarà essere nuove tecnologie e potrebbero esserci nuove sfide, ma attraverso la nostra ricerca possiamo trovare soluzioni per continuare a garantire una rete a basse emissioni di carbonio, sicura e affidabile”.


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