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LA RETE ELETTRICA È L'ABILITATORE SILENZIOSO DI UN SISTEMA ENERGETICO PIÙ SOSTENIBILE

In grid we trust
(confidiamo nella rete)

Con l'integrazione di un maggior numero di fonti di energia rinnovabili nella rete, l'intermittenza della fornitura e la maggiore complessità del sistema richiedono un'evoluzione della rete elettrica. Modernizzando le infrastrutture e rafforzando la rete per migliorare la resilienza, l'efficienza e la sicurezza dell'approvvigionamento, è possibile realizzare un sistema energetico più sostenibile.

Sebbene le fluttuazioni naturali delle concentrazioni atmosferiche di CO₂ che si sono verificate prima dell'industrializzazione siano ben documentate (Immagine 1), l'aumento inarrestabile negli ultimi due secoli dovuto all'attività antropica, soprattutto negli ultimi 5 decenni, è allarmante [Rif. 2-3] (Immagine 1). Questo, unito a un tasso di crescita previsto di circa 2,05 ppm di CO₂ all'anno [2], ha spinto i responsabili politici ad agire. Ciò si riflette nel trattato giuridicamente vincolante: l'Accordo di Parigi e le iniziative della Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici (COP26 e COP27) [Rif. 4-6], che affrontano la decarbonizzazione.

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La rete elettrica deve adattarsi alla nuova realtà di generazione e distribuzione di energia rinnovabile.

Sebbene questi impegni siano lodevoli, studi recenti indicano che non si sta facendo abbastanza.Nonostante la diminuzione di quasi 3 giga tonnellate di emissioni di CO₂ osservata nel 2020, grazie alla COVIDle restrizioni, le concentrazioni di emissioni sono in linea con la traiettoria pre-COVID [Rif. 2-3] (Immagine 1). Cosa si può fare ancora per ridurre le emissioni di CO₂ su scala globale?

Poiché oltre l'80% delle emissioni di CO₂ deriva dalle tre principali fonti di energia globale: carbone, petrolio e gas naturale [Rif. 7], ne consegue che il passaggio a fonti di energia rinnovabili come il solare, l'eolico, il geotermico, ecc. permetterebbe la decarbonizzazione, giusto? Sì, ma solo in parte.

Il fatto potrebbe non dominare ancora i media di tutto il mondo, ma senza il rafforzamento della rete elettrica per adattarsi a questa nuova realtà di generazione e distribuzione rinnovabile, l'energia prodotta da turbine eoliche, pannelli solari sui tetti o veicoli elettrici (EV) sarebbe inutilizzabile. Affinché la generazione, la trasmissione, la fornitura e la sicurezza dell'approvvigionamento di energia elettrica siano stabili, con l'aumento del carico elettrico, è fondamentale una rete moderna e rinforzata. Questa rete è l'abilitatore silenzioso di un sistema energetico più sostenibile. ABB, i suoi partner nell'industria e nelle utilities stanno esaminando questa enorme sfida per fornire soluzioni.

Remixing del mix energetico
‍Nel 2022, l'UE ha presentato RePower Europe: un piano per diversificare le fonti energetiche e risparmiare energia espandendo l'uso delle energie rinnovabili [8]. L'obiettivo è portare la capacità totale di generazione di energia rinnovabile a 1.236 GW entro il 2030 o al 45% del mix energetico [Rif. 8].

Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia, per ogni euro investito in fonti rinnovabili, più di un euro deve essere investito in infrastrutture e servizi per il trasporto dell'energia prodotta. Non ha molto valore posizionare le turbine eoliche dove il vento soffia più forte - al largo della costa - se la rete elettrica non è in grado di trasportare l'energia prodotta nelle aree popolate dove è necessaria [Rif. 9].

La sfida consiste nel collegare queste fonti energetiche variabili alla rete elettrica, trasmettere l'elettricità nella forma necessaria dove serve, quando serve, in modo affidabile, sicuro ed efficiente. ABB fornisce tecnologie e sistemi per garantire che la rete elettrica si evolva verso un sistema energetico più sostenibile o una "rete decarbonizzata" che possa includere risorse energetiche distribuite (DER) e uno stoccaggio efficiente per gestire questa nuova realtà (Immagini 3-4).

Questo richiede:

• Stabilità della rete e necessità di mantenere una frequenza stabile con un'alimentazione variabile;
• Estensioni della rete per facilitare l'elettrificazione, la resilienza del sistema elettrico e la sicurezza dell'approvvigionamento;
• Digitalizzazione della rete e monitoraggio intelligente per migliorare il livello di servizio e le prestazioni della rete.
• asset esistenti e legacy, e l'efficienza.

Passare alle energie rinnovabili
‍La rete elettrica era basata su un sistema di trasmissione top-down, caratterizzato da flussi di energia unidirezionali provenienti da grandi centrali elettriche centralizzate. Con l'aumento della produzione di energia rinnovabile, i grandi impianti a combustibili fossili vengono eliminati; la rete diventa più decentralizzata, meno stabile e soggetta a fluttuazioni di tensione. La generazione da grandi centrali solari o eoliche, le risorse energetiche distribuite (DER), il fotovoltaico (PV), le micro-grid e una varietà di fonti rinnovabili sono collegate alla rete di distribuzione - che richiede un flusso bidirezionale di energia e comunicazione - una rete intelligente.

Mentre molti generatori di energia rinnovabile convertono l'elettricità da corrente continua a corrente alternata per la compatibilità con la rete, le centrali elettriche convenzionali a gas o a carbone si collegano direttamente alla rete tramite grandi generatori sincroni (ad esempio, da 50-500 MW) con masse rotanti in grado di fornire inerzia nel caso in cui la potenzapicchi di domanda.

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ABB sviluppa tecnologie che favoriscono l'integrazione delle energie rinnovabili, migliorano la funzionalità, la resilienza e la stabilità della rete.

Le energie rinnovabili, con una minore inerzia del sistema e oscillazioni di tensione, richiedono una tecnologia unica e flessibile per la regolazione, il controllo e il monitoraggio, al fine di garantire la stabilità e la resilienza della rete: una sfida che richiede soluzioni innovative.

Ad esempio, aggiungendo alla rete una varietà di forme diverse di risorse energetiche rinnovabili e altre caratteristiche, ad esempio l'accumulo, [Rif. 10], la rete elettrica può essere decarbonizzata aumentando al contempo la resilienza; questo aspetto è sempre più critico man mano che un numero maggiore di carichi di riscaldamento e di trasporto passa all'elettricità.

Affrontare le sfide
‍In qualità di leader globale nei prodotti e nelle soluzioni elettriche, ABB sviluppa nuove tecnologie e sistemi che consentono l'integrazione delle risorse energetiche rinnovabili, migliorano la funzionalità, la resilienza e la stabilità della rete elettrica [Rif. 10-13] (Immagine 3) per sostenere la decarbonizzazione. Collaborando con i produttori e i consumatori di energia elettrica, ad esempio, ABB sviluppa miglioramenti per i carichi industriali, ad esempio motori ad alta efficienza abbinati ad azionamenti; tecnologie per la produzione di acciaio verde (interruttori per forni ad arco e agitatori magnetici); prodotti e soluzioni per la produzione di idrogeno, ad esempio sottostazioni, raddrizzatori, conduttori di bus in corrente continua, dispositivi di misura, sistemi di controllo ecc. (Immagine 4).

Le aree di interesse che meritano particolare attenzione sono:

• Integrazione delle energie rinnovabili con la tecnologia delle reti intelligenti e della distribuzione
• Centri dati
• Elettrificazione dei carichi domestici
• Gestione intelligente degli edifici
• Connessioni per la mobilità elettrica
• Sistemi di accumulo di energia
• Elettrificazione delle fabbriche.

Integrazione delle energie rinnovabili con la smart grid
‍Nonostante la corsa allo sviluppo delle tecnologie rinnovabili, l'integrazione dell'energia generata nella rete è un problema fondamentale. Per un'integrazione di successo, i componenti e i sistemi devono funzionare perfettamente e contemporaneamente (Immagini 4-5). L'aumento della complessità e dell'interdipendenza può aumentare il rischio di interruzione; ciò richiede tecnologie innovative per l'elettrificazione, l'automazione e la digitalizzazione.

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Il quadro ZS1 di UniGear garantisce una protezione affidabile di generatori e trasformatori quando la fonte rinnovabile viene immessa nella rete.

Fornendo elettronica di potenza per convertire l'elettricità in corrente continua generata da fonti rinnovabili in elettricità in corrente alternata compatibile con la rete; condensatori sincroni per supportare la rete con potenza di cortocircuito, inerzia e potenza reattiva [Rif. 12]; e quadri con tecnologia digitale avanzata per sfruttare la potenza dei dati, ABB sta promuovendo la perfetta integrazione delle fonti rinnovabili [Rif. 13-15].

Fornendo elettronica di potenza per convertire l'elettricità in corrente continua generata da fonti rinnovabili in elettricità in corrente alternata compatibile con la rete; condensatori sincroni per supportare la rete con potenza di cortocircuito, inerzia e potenza reattiva [Rif. 12]; e quadri con tecnologia digitale avanzata per sfruttare la potenza dei dati, ABB sta promuovendo la perfetta integrazione delle fonti rinnovabili [Rif. 13-15].

Ad esempio, i parchi eolici sono tipicamente costituiti da molte turbine, ognuna delle quali genera una tensione inferiore a 1 kV; da un trasformatore, per passare alla media tensione (MV) e da un quadro di comando, ad esempio il SafePlus modulare su misura di ABB, che può essere utilizzato per connettersi alla rete del parco eolico [Rif. 11]. Le turbine eoliche più grandi, che generano fino a 15 MW, si collegano direttamente alla rete del parco eolico. L'elettricità viene trasferita a una sottostazione di trasformazione dove la MT viene portata ad alta tensione (HV), per ridurre le perdite, per essere trasportata alla rete elettrica principale (Immagine 4).

Inoltre, poiché la fonte rinnovabile è alimentata nella rete principale da trasformatori step-up e quadri di distribuzione MT, il quadro UniGear ZS1 di ABB con interruttori VD4G [13,14], assicura una protezione affidabile di generatori e trasformatori (Immagine 4), eliminando rapidamente i guasti da cortocircuito e prevenendo i danni al sistema e ai componenti. Oltre all'impiego nelle centrali elettriche e nelle piattaforme on e off-shore per la distribuzione primaria (fino a 24 kV, 4.000 A, 63 kA) [Rif. 13], tali quadri possono supportare applicazioni di distribuzione secondaria e il controllo dei motori MT, ad esempio nelle sottostazioni elettriche, nelle navi, nelle ferrovie e in una serie di applicazioni industriali (Immagine 4), per mantenere un'alimentazione sicura. In combinazione con le soluzioni digitali ABB Ability™ per l'automazione e il controllo, questi quadri contribuiscono a rendere la rete elettrica più intelligente migliorando il flusso bidirezionale dei dati [Rif. 13] (Immagine 4).

Il controllo dei guasti nelle reti ad anello [Rif. 13-16] (Immagine 5) è importante anche perché la tendenza a distribuire i guasti è sempre più diffusa.aumenta la generazione: In questo caso, il controllo ad anello e l'automazione garantiscono un rapido ripristino dei guasti. Queste "reti di auto-guarigione" garantiscono la continuità e l'affidabilità dell'alimentazione, che è fondamentale laddove le interruzioni di corrente possono causare gravi problemi, ad esempio negli ospedali, nelle aree urbane, ecc.

Per supportare la distribuzione dell'energia e il controllo dei motori sul lato BT, i quadri BT, ad esempio l'MNS [Rif. 17] di ABB, e i dispositivi di controllo possono integrare alimentatori, avviatori per motori, azionamenti a velocità variabile (VSD), compensazione del fattore di potenza e tecnologia per l'alimentazione ininterrotta (UPS) per garantire efficienza, affidabilità e sicurezza (Immagini 4-5). La raccolta, l'analisi e il monitoraggio integrati dei dati per i sistemi elettrici forniscono un controllo intelligente per un'integrazione della rete più intelligente, ad esempio ABB Ability™ Condition Monitoring [Rif. 17] (Immagine 4).

Mantenere in funzione i centri dati
‍Essendo la spina dorsale della nostra era digitalizzata, i data center stanno crescendo rapidamente in dimensioni e potenza. Devono essere continuamente "up" e operare in modo sostenibile. Dietro le quinte, un UPS, HiPerGuard MV [Rif. 18-19], aiuta a mantenere il funzionamento dei server e dell'infrastruttura senza intoppi e in modo più sostenibile [Rif. 18].

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Includendo un gestore intelligente dell'energia e degli asset, gli edifici possono migliorare l'utilizzo degli asset, l'affidabilità, l'efficienza e la stabilità.

L'UPS converte una parte dell'energia CC immagazzinata in corrente alternata nel caso in cui si verifichi un'interruzione di corrente. In questo modo il centro dati può funzionare fino a quando l'interruzione viene risolta o i generatori diesel di emergenza possono fornire energia.

Elettrificazione dei carichi domestici
Oltre a proteggere i carichi nei data center, la rete elettrica deve far fronte alla necessità di installare sistemi di riscaldamento più ecologici, ad esempio le pompe di calore.

Mentre gli interruttori automatici facilitano l'integrazione delle pompe di calore in modo affidabile e sicuro, ad esempio la serie SACE Tmax XT di ABB [Rif. 20], il fabbisogno di energia aumenterà. Consideriamo un condominio con 30 appartamenti riscaldati a gas, ogni appartamento consuma 3 kW di elettricità; se tutti e 30 gli appartamenti passassero a una pompa di calore, ogni appartamento avrebbe bisogno di 6 kW, ovvero il doppio. Di conseguenza, la rete di distribuzione elettrica in BT dell'edificio deve essere rafforzata e, a livello di utenza, devono essere installate più sottostazioni da MT a BT (Immagine 3).

Gestione intelligente dell'energia
‍L'efficienza può essere migliorata anche monitorando e controllando l'offerta e la domanda di elettricità. Includendo un gestore intelligente dell'energia e degli asset, come ABB Ability™ Energy and Asset Manager [Rif. 21], per l'analisi approfondita, la reportistica, la manutenzione predittiva e la comunicazione bidirezionale, gli edifici possono migliorare l'utilizzo degli asset, l'affidabilità del sistema, l'efficienza e la stabilità ^[1,2]. Inoltre, i sistemi di monitoraggio e controllo, ad esempio ABB ZEE600, sono in grado di massimizzare simultaneamente l'uso dell'energia rinnovabile (fotovoltaica sui tetti) eseguendo la riduzione dei picchi di carico elettrico, così come le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici, come dimostrato nello stabilimento all'avanguardia di ABB a Xiamen [Rif. 22].

[1] Vedi anche “Vita sostenibile” in questo numero di ABB Review pp. 188–193.
[2] Vedi anche “In missione” in questo numero di ABB Review, pp. 180–187

Connessioni per la mobilità elettrica
‍Con il passaggio di un numero sempre maggiore di persone ai veicoli elettrici, entro il 2040 saranno necessari tra i 340 e i 490 milioni di caricatori a livello globale, con una prevalenza di quelli domestici. Le infrastrutture devono essere ampliate per gestire l'aumento del carico risultante [Rif. 23-25] (Immagini 3-4).

Mentre i clienti residenziali potrebbero utilizzare stazioni di ricarica in corrente alternata (che richiedono 12-30 ore per ricaricare batterie di veicoli fino a 40-80 kWh), un numero sempre maggiore di clienti sta passando a caricatori veloci in corrente continua, ad esempio la famiglia di caricatori Terra (da 20 a 180 kW) con una tensione di uscita fino a 920 VDC, riducendo il tempo di ricarica.

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I NIB ecologici stanno diventando preferibili per le applicazioni in cui i vincoli di peso non sono importanti.

Nonostante questa impressionante capacità, sarebbe auspicabile disporre di caricabatterie ancora più veloci. Con l'aumento del numero di veicoli industriali pesanti, saranno necessarie più stazioni di ricarica superveloce per garantire la continua decarbonizzazione dei trasporti e migliorare al contempo l'efficienza operativa; ABB fornisce queste stazioni e l'infrastruttura elettrica necessaria per fornire questa energia da collegare alla rete MT [Rif. 24-25].

Accumulo di energia
‍Per garantire la continuità della fornitura alla rete elettrica e mantenere la stabilità è necessario immagazzinare una parte dell'energia prodotta da fonti rinnovabili, ma come [Rif. 26-27] (Immaginie 3-4)? I telefoni cellulari, i computer e i veicoli elettrici si affidano alle batterie agli ioni di litio per immagazzinare energia, grazie all'elevata densità energetica di questa tecnologia [Rif. 26] (Immagini 3-4), che presenta un'efficienza compresa tra il 90 e il 95 percento e una scarica su richiesta del 95 percento. Ma il litio è infiammabile, geograficamente limitato e deve essere estratto per la produzione di batterie, ad esempio, le batterie agli ioni di litio NMC, con conseguenti problemi ambientali, di sicurezza, di costo e di approvvigionamento [Rif. 26].

Al contrario, le batterie a base di sodio (NIB) non sono infiammabili, hanno una fonte ubiquitaria, sono rispettose dell'ambiente e consentono quindi un sistema di accumulo di energia elettrica più sostenibile [Rif. 26]. Con un'efficienza del 90% e un'elevata scarica su richiesta, ma una bassa densità energetica, le NIB sono sempre più preferibili in molte applicazioni - applicazioni fotovoltaiche su tetto - dove i vincoli di peso e volume non sono importanti [Rif. 27]. Nonostante questa tendenza, le batterie agli ioni di litio HV sono ancora importanti per l'accumulo nelle centrali solari: 600 VCC, 1.000 VCC e 1.500 VCC [Rif. 28].

Tipicamente installati accanto agli impianti solari su scala pubblica, i sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS) su scala pubblica sono in grado di soddisfare le tensioni CC in ingresso degli inverter e dei convertitori (1.500 V CC in ingresso dal fotovoltaico) [Rif. 28]. Tale distribuzione può stabilizzare la rete e garantire la sicurezza dell'approvvigionamento.  Per favorire la sostenibilità, la produzione di NIB con una densità energetica paragonabile a quella delle batterie agli ioni di litio potrebbe essere vantaggiosa per l'accumulo di energia su larga scala [29].Di recente, gli esperti hanno scoperto che i catodi ad alta tensione e ad alta capacità forniscono un mezzo per produrre NIB privi di elementi di terre rare, proprio a questo scopo [Rif. 29].

Modernizzazione elettrica di uno stabilimento ABB
‍Combinando sistemi intelligenti e connessi per la gestione dell'energia e degli asset degli edifici con sistemi HVAC alimentati elettricamente, accumuli e connessioni per la mobilità elettrica, ABB dimostra come rendere la rete elettrica più sostenibile, garantendo al contempo stabilità e affidabilità. Il sito produttivo di ABB a Dalmine, in Italia, è un sito produttivo a basse emissioni di carbonio - un sito Mission to ZeroTM² [Rif. 30] (Immagine 6). Già forniti di energia verde al 100% da fonti rinnovabili certificate da Enel Green Power, nel 2020 tre edifici dello stabilimento sono stati dotati di pannelli fotovoltaici per 4.000 m² (Immagine 6).

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Una rete elettrica intelligente moderna e rafforzata consente un sistema energetico più sostenibile e ABB è qui per aiutare a realizzarlo.

Viene generata una potenza di picco di 900 kWp, che fornisce circa il 25% del fabbisogno elettrico dello stabilimento. In questo modo si bilanciano i picchi di domanda dovuti al condizionamento dell'aria durante l'estate [Rif. 30]. ABB Ability™ Energy and Asset Manager monitora ora i consumi energetici per identificare le inefficienze ed evidenziare le opportunità di risparmio energetico: ad esempio, l'illuminazione esterna è stata sostituita con lampade a LED ad alta efficienza, riducendo il consumo energetico di 76.000 kWh all'anno, ovvero l'energia necessaria per ricaricare la crescente flotta di veicoli elettrici.

Nonostante l'importanza dei passi compiuti per la decarbonizzazione della rete, come discusso in questo articolo, i media mettono tipicamente in risalto solo le stelle tra le rinnovabili: pannelli solari, turbine eoliche e veicoli elettrici. Tuttavia, è importante ricordare che senza la rete elettrica queste stelle non potrebbero brillare. Per collegare queste fonti di energia ai rispettivi carichi è necessaria una rete elettrica intelligente moderna e rafforzata. ABB, insieme ai suoi partner, può contribuire a far sì che ciò avvenga, consentendo così un sistema energetico più sostenibile.

Riferimenti
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[3] F. Apadula et al., “Thirty Years of Atmospheric CO₂ Observations at the Plateau Rosa Station, Italy”, in Atmosphere, 2019,10, 418, pp. 1-21.

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