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di Bruno Covadirettore Divisione Servizi e Soluzioni di consulenza, Regolamentazione e Mercati per i Sistemi Energetici, CESI

Negli ultimi anni, l’Unione Europea ha agito in modo proattivo per ridurre l’impatto delle attività umane sul cambiamento climatico. Nel 2009, il Parlamento e il Consiglio Europeo hanno approvato il pacchetto sul Clima e l’Energia, che consiste in una serie di traguardi vincolanti da raggiungere entro il 2020: i cosiddetti obiettivi 20-20-20. Poco dopo l’approvazione di tali obiettivi, è stata avviata un’ulteriore discussione presso la Commissione Europea, riguardante una meta ancora più ambiziosa, ovvero la riduzione delle emissioni di gas serra fi no all’80-95 per cento al di sotto dei livelli del 1990 entro il 2050. Il successo di questo obiettivo a lungo termine comporta una decarbonizzazione quasi totale del settore elettrico, con una conseguente rivoluzione del mix di produzione, nel quale il solare e l’eolico svolgerebbero un ruolo sempre più importante. Questo implica l’adozione di nuove tecnologie per assicurare una fornitura di energia suffi ciente, nonché la creazione di nuovi corridoi per trasmettere grandi quantità di elettricità su lunga distanza e poi distribuirla localmente, garantendo maggiore fl essibilità rispetto alla situazione attuale.

In questo contesto, nell’UE il mix di produzione è già in rapida trasformazione con una quota sempre più crescente di generazione da fonti energetiche rinnovabili (RES), in particolare eolico e solare, grazie ai generosi incentivi degli anni scorsi. Secondo l’ENTSO-E (l’associazione dei gestori europei dei sistemi di trasmissione dell’elettricità), lo scenario di riferimento stima nei prossimi otto anni una crescita del

120 per cento delle installazioni per la produzione da RES, escluso l’idroelettrico, così da passare da 177 GW a 392 GW.

Il cambiamento drastico nel mix di produzione sta portando investimenti sostanziali alle reti di trasmissione. Il piano decennale di sviluppo nazionale di ENTSO-E stima la necessità di investimenti per circa 100 miliardi di euro nei prossimi dieci anni, l’80 per cento dei quali sarà destinato all’integrazione della produzione da RES.

Va sottolineato che il rapido sviluppo di produzione da RES su larga scala sta producendo un impatto sulla sicurezza del sistema e sui meccanismi del mercato dell’energia.

Qui di seguito sono evidenziati gli ostacoli da superare per promuovere una maggiore penetrazione della produzione da RES non programmabili, garantendo la conformità con le norme di sicurezza e affi dabilità adottate dai gestori europei dei sistemi di trasmissione.

Sulla base dell’esperienza di CESI, illustriamo inoltre le possibili soluzioni ai problemi potenziali causati dalla produzione da RES non programmabili.

iMPaTTo DELLa ProDuZioNE Da rES NoN PrograMMaBiLi SuL SiSTEMa ENErgETiCo

Come sopra menzionato, il rapido aumento della produzione da RES non programmabili ha pesanti conseguenze sia sul funzionamento del mercato dell’energia, sia sulla sicurezza e l’affi dabilità del sistema. Vale la pena evidenziare che i problemi brevemente trattati in questa sede hanno già avuto un effetto su alcuni Paesi europei e le soluzioni per risolverli possono rappresentare una buona lezione per quelle nazioni che stanno ora avviando nuove strategie per l’applicazione della produzione da RES nei loro territori.

L’iniziativa Finestre CESI sul mondo nasce da una collaborazione nasce da una collaborazione Finestre CESI sul mondo nasce da una collaborazione Finestre CESI sul mondoavviata lo scorso anno da CESI e Nuova EnergiaNuova Energia, con l’intento di aprire

uno spazio di approfondimento sul complesso mondo dell’energia, uno spazio di approfondimento sul complesso mondo dell’energia,

riproponendo alcuni spunti del magazine CESI Energy JournalCESI Energy Journal.

Come integrare la produzione

da rinnovabili nel sistema

energetico

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impatto sul mercato energetico del giorno prima

Il dispacciamento prioritario della produzione da RES non programmabili può causare una distorsione non trascurabile dei prezzi del mercato orario del giorno prima, ogniqualvolta la quantità di questa energia è significativa se confrontata con la produzione convenzionale. La riduzione dei prezzi di mercato nelle ore diurne, causata dalla massiccia produzione di fotovoltaico, viene compensata dai proprietari di generatori convenzionali aumentando le loro offerte nelle prime ore della sera per recuperare i loro margini, per quanto possibile.

rampe di carico sempre più criticheIl modello di produzione da fotovoltaico, così come da

altre RES non programmabili, è completamente svincolato dall’andamento quotidiano del carico. In particolare, nel tardo pomeriggio, la produzione di fotovoltaico diminuisce drasticamente, proprio nel momento in cui aumenta la domanda. Si richiede quindi alla produzione convenzionale di intervenire rapidamente per sostituire la produzione di fotovoltaico e soddisfare il picco di domanda serale. La necessità di variare rapidamente la produzione per inseguire rampe di carico con gradiente elevato causa una maggiore usura dei componenti meccanici delle centrali. L’aumento della flessibilità della produzione convenzionale sta diventando una priorità chiave per il funzionamento del sistema in presenza di produzione da RES non programmabili.

rischio di sovra-produzioneL’eccesso di produzione da RES non programmabili in

giorni in cui la domanda è ridotta si sta rivelando un fattore critico. La somma dell’importazione programmata di energia e del quantitativo minimo di produzione convenzionale che deve restare in servizio per ragioni di stabilità del

sistema elettrico rischia di eccedere la domanda residua. Per equilibrare il sistema, è necessario adottare misure strutturali a lungo termine, come ad esempio la costruzione di nuove stazioni di pompaggio, laddove fattibile, o misure basate sul mercato, come la creazione di un mercato transfrontaliero dei servizi di dispacciamento (o servizi ancillari), così da bilanciare più agevolmente la domanda e la produzione in ogni regione ed evitare ex-ante la riduzione delle capacità di trasferimento nette alla frontiera con conseguente frammentazione del mercato.

Necessità di riserva supplementareA causa della maggiore volatilità della produzione

intermittente da RES e dei conseguenti errori di previsione, i gestori del sistema sono tenuti a garantire una maggiore riserva verso l’alto e verso il basso attraverso la produzione convenzionale per equilibrare il sistema. Si pone un problema quando, in presenza di grande quantità di produzione da RES, un numero ridotto di unità convenzionali è chiamato a fornire la riserva richiesta.

Anche in questo caso, quindi, una maggiore flessibilità della produzione convenzionale, insieme al possibile utilizzo di dispositivi di stoccaggio, sta diventando una priorità chiave per il funzionamento del sistema.

Congestioni della reteLa generazione da RES è legata alla disponibilità delle

risorse primarie, che sono geograficamente concentrate in aree ben determinate, soprattutto nel caso dell’eolico, del geotermico e in parte del solare. Quindi, il trasporto dell’energia in rete su lunghe distanze può causare congestioni anche relativamente lontane dalle zone di produzione da RES. In questo caso, le soluzioni consistono nel potenziamento della rete di trasmissione e distribuzione e/o nell’installazione di dispositivi di stoccaggio.

Evoluzione stimata del mix di produzione in Europa entro il 2020 (valori in gW)Fonte: ENTSO-E

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

2012 2015 2016 2020

Carburante fossile Energia nucleare Energia idroelettrica Fonti energetiche rinnovabili (diverse dall’idro)

177

245 271 392

200210

216

235126

128 127132

459 467 458 456

%

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rischio di disconnessione a cascata dell’unità di produzione da rES

Se non adeguatamente defi nite, le regole di connessione delle unità di produzione da RES possono causare il rischio di un effetto di distacchi a cascata in caso di perturbazioni, causando disturbi al sistema elettrico su larga scala. Le regole di connessione sono quindi state riviste di recente cosicché la nuova produzione da RES debba restare collegata entro gli stessi valori di variazioni di frequenza tollerate dalla produzione convenzionale.

Stabilità dinamica e qualità della fornituraUna parte considerevole della produzione da RES è

collegata al sistema attraverso convertitori statici, una soluzione tipica delle unità fotovoltaiche, ma anche delle turbine eoliche. Di conseguenza, una maggiore penetrazione di produzione da RES non sincrone porta a una riduzione

dell’inerzia, il cui contributo è fondamentale per rallentare le variazioni di frequenza negli istanti immediatamente successivi a una perturbazione. Quindi, le unità di produzione convenzionale sono chiamate ad accelerare le loro azioni di regolazione per evitare eccessivi cali di frequenza (o sovra-frequenza) che portano all’attivazione automatica della riduzione del carico o di programmi di difesa.

In generale, la presenza di una produzione asincrona rischia di indebolire il sistema, che risente di più ampie variazioni di frequenza e dei cali di tensione a seguito di una perturbazione.

valutazione della penetrazione massima della produzione da rES non programmabili

Esistono delle soluzioni per risolvere i problemi sopra richiamati, che si possono verifi carsi in presenza di una massiva penetrazione di produzione da RES non

iniziative internazionali per l’integrazione delle rES

Friend of the Supergrids è un gruppo di

società e organizzazioni con un mutuo

interesse nella promozione dell’agenda

politica per una Super-rete Europea.

rES4MED è un punto d’incontro per

confrontare strategie, discutere

i risultati dei progetti e condividere

esperienze e sapere nel Mediterraneo.

RES4MED intende svolgere il ruolo

di una “rete delle reti”, offrendo ai

suoi membri competenza, sapere e

esperienza.

Desertec industrial initiative ha agito

da facilitatore e catalizzatore delle

iniziative industriali per l’integrazione

dell’energia solare ed eolica dalla

regione MENA nel mercato europeo

interno. DII non è un investitore di per

sé, né sviluppa progetti, ma aiuta il

mercato a riconoscere e sviluppare i

progetti fattibili.

Progetti del CESi per l’integrazione delle rES

irlanda, NiE/EirgridPiano di sviluppo

della trasmissioneper l’integrazione della

produzione da RES

italia, TErNaPiano di sviluppo per l’integrazione

delle RES nella rete di trasmissione nazionale

Polonia, romania, Creta, Turchia, ENEL Massima penetrazione delle RES (produzione eolica e solare)

Bulgaria, WaS Studi per l’integrazione dell’eolico

Marocco, ENEL Massima penetrazione delle RES

Tunisia, ELMEDStudi per l’integrazione dell’eolico

Libia, rEaoL Studi per l’integrazione dell’eolico

Egitto, iTaLgEN Studi per l’integrazione dell’eolico

giordania, MEMr (NEPCo)Studi per valutazione massima penetrazione ammissibile di generazione eolica

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programmabili. Queste soluzione coinvolgono tutti gli elementi del settore energetico, dalla produzione alla domanda e sono parte dei principi fondamentali e delle applicazioni tecnologiche sviluppate con le reti intelligenti.

L’adozione di appropriate misure tecniche, di esercizio e pianificazione, nonché regolatorie consente di esercire un sistema elettrico in presenza di una massiccia produzione da RES, pur mantenendo gli standard di sicurezza e affidabilità richiesti dal gestore di rete. A tal fine, il CESI ha sviluppato e applicato con successo una solida metodologia per valutare la massima penetrazione delle RES non programmabili in un sistema energetico (vedi box).

ConclusioniIl grande aumento della produzione da RES non

programmabili, aventi priorità sulla produzione convenzionale sta causando una distorsione non trascurabile dei prezzi di mercato del giorno prima. Inoltre, alcune forme di produzione da RES, come i generatori fotovoltaici, portano ad alti gradienti di variazione del carico durante le prime ore della sera, che vengono coperti da una rapida variazione di produzione convenzionale. Per affrontare questo problema, i sistemi di stoccaggio diventano fondamentali. Inoltre, in caso di guasti nel sistema elettrico aumenta il rischio di disconnessione a cascata delle unità di produzione da RES con conseguenti rischi di giungere a situazioni di instabilità dinamica. Allo stesso tempo, la qualità della fornitura rischia di diminuire.

Tutti i fattori sopraccitati devono essere tenuti in debita considerazione per uno sviluppo ragionevole della produzione energetica da fonti rinnovabili non programmabili. In questo contesto, come indicato nel box, è possibile applicare una solida procedura per valutare la massima penetrazione di RES non programmabili. Tale procedura è già stata adottata dal CESI in una serie di studi svolti in Paesi dell’Europa e del Mediterraneo, come mostrato nella mappa. Infine, è interessante ricordare che le associazioni internazionali lavorano attivamente per coordinare l’applicazione della produzione da RES e la costruzione delle necessarie infrastrutture di trasmissione sulla terraferma e in mare, particolarmente in Europa. In questo ambito, il CESI è un membro attivo di RES4MED e, fino all’anno scorso, è stato membro di Friends of the Supergrid. Inoltre CESI ha svolto studi per l’identificazione dei grandi corridoi elettrici in presenza di grandi quantità di generazione da RES per conto di Medgrid e di Desertec Industrial Initiative (Dii).

un approccio in 5 tappe per la penetrazione delle rES

Per valutare il livello massimo di penetrazione della

produzione da RES non programmabili in conformità

con i criteri di sicurezza e affidabilità, CESI ha scelto

di adottare un approccio in 5 fasi.

1. Valutazione della riserva supplementare verso

l’alto/basso relativamente al tasso di penetrazione

della produzione da RES non programmabili.

2. Valutazione del livello massimo di penetrazione

teorica della produzione da RES non

programmabili, senza considerare i vincoli

della rete, ma tenendo in considerazione tutti

i vincoli della (in)flessibilità della produzione

convenzionale, i modelli di carico e i requisiti per

una riserva secondaria e terziaria.

3. Partendo dal valore della produzione da RES

identificata nella fase precedente, la produzione

da RES viene distribuita sul territorio sotto

esame, considerando la disponibilità delle

risorse rinnovabili e, attraverso una serie di

calcoli deterministici, le ubicazioni ottimali di

collegamento dei generatori da RES e vengono

evidenziate eventuali congestioni locali.

4. Partendo dal modello composito produzione-

trasmissione-carico identificato in precedenza,

viene realizzata un’analisi annuale di tipo

probabilistico. Questa tiene conto di tutte le

incertezze del sistema energetico, in particolare

l’incertezza e l’intermittenza della produzione

solare ed eolica sono modulate in conformità con il

regime solare ed eolico nelle varie aree geografiche.

Al termine di questa fase, vengono valutati vari

indicatori: rischio di riduzione della produzione

da RES e relative cause, indici di affidabilità e

probabilità di congestione. Si può quindi decidere

sulla priorità al potenziamento della rete, grazie

alla conoscenza dell’entità della congestione.

5. Infine, viene effettuata una serie di controlli

dinamici, con l’obiettivo di assicurare la stabilità

del sistema, in caso si verificassero determinati

guasti ritenuti aventi una probabilità di

occorrenza non trascurabile. Al termine delle

analisi dinamiche, il pianificatore del sistema

di trasmissione, in conformità con i criteri

di pianificazione e le regole di connessione,

suggerisce lo sviluppo e la configurazione

ottimale per proteggere la rete dai problemi che

si presentano in presenza di generazione da fonti

rinnovabili non programmabili.