Come un dispositivo potrebbe aiutarci a trasformare la nostra rete elettrica

Dal Colorado a Washington, dall'Ohio alla Pennsylvania, le centrali elettriche a carbone stanno chiudendo. Gli Stati Uniti stanno seguendo un percorso per ritirare la metà della loro capacità di generare energia dal carbone entro il 2026. Questo rappresenta un declino notevolmente veloce rispetto al picco del carbone nel 2011 - e un passo importante nel passaggio all'energia pulita e nella lotta contro il cambiamento climatico.

Ma c'è un aspetto sorprendente nel ritirare le grandi e vecchie centrali elettriche. Queste centrali contribuiscono a mantenere la stabilità della rete elettrica. Man mano che sempre più centrali si disattivano, qualcos'altro deve intervenire per svolgere questo compito.

Una rete elettrica è una complessa rete che coinvolge sistemi che producono energia, come una centrale nucleare o un aerogeneratore, e sistemi che immagazzinano e trasmettono energia, come batterie e linee di trasmissione. Una rete può smettere di funzionare per una serie di motivi, come la caduta di un albero su una linea elettrica o un'ondata di calore che supera la capacità del sistema. Negli Stati Uniti, l'elettricità fluisce nella rete come un battito cardiaco con una frequenza standard di 60 hertz. Tale frequenza può variare se la domanda supera l'offerta o se qualcosa nel sistema, come un grande generatore, si disattiva. Anche una piccola interruzione di quel battito a 60 hertz può causare effetti a catena di cui la rete fatica a riprendersi.

Le grandi centrali elettriche sono progettate per aiutare la rete a essere resiliente a questi effetti a catena. L'inerzia dei loro generatori in rotazione regala tempo in caso di un'interruzione imprevista dell'energia e continuamente regolano la loro produzione in base alla frequenza della rete, mantenendo tutto stabile. Ma una rete elettrica che incorpora grandi quantità di energia rinnovabile, come da aerogeneratori e pannelli solari, funziona in modo molto diverso. Si basa su dispositivi noti come inverter per convertire la corrente continua, o DC, prodotta da impianti eolici e solari in corrente alternata, o AC, per la rete. E i sistemi di energia rinnovabile che coinvolgono inverter non si comportano come fanno le tradizionali centrali elettriche. "Stiamo lavorando con un sistema fisico completamente diverso", afferma Patricia Hidalgo-Gonzalez, un ingegnere elettrico presso l'Università della California, San Diego.

Una maggiore quantità di energia negli Stati Uniti proviene ora da fonti rinnovabili. Gli inverter che formano la rete probabilmente avranno un ruolo importante nel trasferire l'energia in modo sicuro nella rete elettrica.

Pertanto, i ricercatori stanno cercando modi per mantenere la stabilità della rete mentre le grandi centrali elettriche vengono ritirate e l'energia rinnovabile rappresenta una percentuale sempre maggiore della generazione di energia negli Stati Uniti. La risposta potrebbe trovarsi in un tipo speciale di inverter, noti come inverter che formano la rete. Questi dispositivi elettrici, che variano in dimensioni da più piccoli di un forno a microonde fino alle dimensioni di un container, sono appositamente programmato per lavorare all'interfaccia tra qualcosa che produce o immagazzina energia - come aerogeneratori, pannelli solari e batterie - e la rete. Crucialmente, sono in grado di controllare il flusso di energia rinnovabile nella rete in modo rapido e responsivo, in modi che imitino il controllo delle grandi centrali elettriche.

Aggiungendo alcuni inverter che formano la rete in una rete elettrica esistente, gli ingegneri possono contribuire a sostituire le funzioni che vengono perse quando le grandi centrali vengono ritirate. Gli inverter che formano la rete hanno anche altri vantaggi, come il riavvio automatico di una rete che si è spenta. Ciò può rendere la società più resiliente ai black-out causati dalle condizioni meteorologiche estreme alimentate dal cambiamento climatico, come ondate di calore e uragani.

La quantità di energia generata negli Stati Uniti da energia solare e eolica è aumentata notevolmente nell'ultimo decennio.

Pensate a un inverter che forma la rete come a una mamma anatra con una serie di paperotti che la seguono, dice Dominic Gross, un ingegnere elettrico presso l'Università del Wisconsin-Madison. Un inverter che forma la rete può iniettare tensione in una rete e quindi regolare la sua frequenza in base a quanta energia fluisce nel sistema. Altre fonti di elettricità che entrano nella rete, i paperotti, possono quindi sincronizzarsi con quell'inverter che forma la rete, proprio come facevano con il flusso di elettricità che pulsava dalle centrali.

Ciò conferisce agli inverter che formano la rete un ruolo chiave nel trasferire più energia rinnovabile nella rete elettrica. Produttori tra cui General Electric, Siemens, Tesla e Hitachi già producono questi dispositivi, e vengono utilizzati da decenni in reti elettriche isolate, come su piccole isole. Oggi, il loro utilizzo si sta espandendo rapidamente in tutto il mondo poiché grandi compagnie elettriche si rivolgono a tali dispositivi per gestire l'incremento dell'energia rinnovabile.

Aggiungere capacità di formazione della rete nei sistemi di energia rinnovabile è un primo passo semplice che può fare una differenza significativa nel costruire una rete robusta per il futuro, afferma Julia Matevosyan, ingegnere capo presso il gruppo di integrazione dei sistemi energetici ad Austin, in Texas. "Abbiamo davvero questa finestra di opportunità adesso", afferma.

Le centrali elettriche a carbone e a gas naturale sono la spina dorsale della rete elettrica degli Stati Uniti di oggi. Gli impianti eolici e solari svolgono un ruolo più piccolo e utilizzano inverter di tipo grid-following (arancioni) per inserire nell'intero sistema l'energia intermittente. Ma gli inverter di tipo grid-forming (blu) potrebbero contribuire a creare una rete futura che si basa principalmente sull'energia rinnovabile. Nella rete del futuro, ogni casa potrebbe avere pannelli solari e i veicoli elettrici potrebbero avere la possibilità di ricarica bidirezionale, consentendo loro di restituire energia alla rete.

Se hai pannelli solari sulla tua casa, probabilmente hai un inverter nel tuo garage. Le compagnie energetiche utilizzano inverter simili negli impianti eolici e solari per convertire grandi quantità di corrente continua (DC) in corrente alternata (AC) da alimentare nella rete. Ma la maggior parte di questi sono ciò che si definisce inverter di tipo grid-following. Sono simili ai pulcini che seguono la madre: possono fare qualche cosa da soli, ma non sono in grado di gestire il sistema come può fare un anatra adulta.

Un inverter di tipo grid-forming, invece, può percepire i cambiamenti nella rete e rispondere in tempo reale per regolare la sua frequenza, iniettando più o meno energia secondo necessità per stabilizzare la rete. Florian Dörfler, un ingegnere elettrico presso l'ETH di Zurigo, paragona un gruppo di inverter di tipo grid-forming in una rete elettrica a un gruppo di ruote di biciclette che girano collegate da una fascia elastica. Se una delle ruote rallenta per qualche motivo, la fascia elastica trasferirà il momento dalle altre ruote e riporterà tutto in sincronia con il gruppo.

Gli inverter di tipo grid-forming non sono del tutto nuovi; sono stati utilizzati in tutto il mondo da decenni per determinati scopi. Negli Stati Uniti, sono principalmente presenti nelle microreti, piccoli sistemi di alimentazione elettrica che forniscono aree isolate come isole o strutture piccole.

Ad esempio, negli anni 2010, un gruppo di ricercatori e professionisti del settore ha costruito una microrete che incorporava inverter di tipo grid-forming presso la Santa Rita Jail a Dublino, in California. La microrete utilizzava pannelli solari sul tetto, cinque turbine eoliche, una pila a combustibile e batterie per creare un sistema di alimentazione autonomo che funzionava per l'uso quotidiano, ma poteva anche rimanere operativo indipendentemente dalla rete elettrica principale in caso di interruzione: una caratteristica cruciale per mantenere la sicurezza. Altre microreti che utilizzano inverter di tipo grid-forming includono una base militare nell'isola hawaiana di Kauai e l'isola caraibica di St. Eustatius.

La sfida ora è passare da quei piccoli sistemi autosufficienti a reti di alimentazione più grandi che incorporino molta energia rinnovabile. Diversi paesi hanno iniziato questo sforzo, aggiungendo inverter di tipo grid-forming ai loro sistemi.

L'Australia è forse il leader mondiale, con tre grandi impianti di energia rinnovabile che incorporano inverter di tipo grid-forming che sono recentemente diventati operativi e altri tre impianti simili in fase di sviluppo, per un totale di 480 megawatt di potenza. Alcuni di questi si trovano in Australia Meridionale, dove l'energia eolica è esplosa negli ultimi anni. A dicembre, l'Australian Renewable Energy Agency ha annunciato di investire 176 milioni di dollari australiani (circa 118 milioni di dollari) in altri otto progetti per produrre energia rinnovabile utilizzando tecnologie di tipo grid-forming. Nel complesso, questi otto progetti sono progettati per generare 2 gigawatt di potenza, 10 volte la capacità di tipo grid-forming del paese fino ad oggi e un passo "innovativo" nella giusta direzione, dice Matevosyan.

Anche il Regno Unito sta investendo in cinque nuovi progetti, tra cui un impianto da 300 megawatt in Scozia che dovrebbe essere completato nel 2024. In contrasto, gli Stati Uniti hanno fatto poco a livello nazionale per incentivare l'adozione di inverter di tipo grid-forming, anche se la produzione di energia rinnovabile si è raddoppiata circa nell'ultimo decennio e ora rappresenta oltre il 20% della generazione di energia del paese. "Gli Stati Uniti sono probabilmente 10 anni indietro sulla curva", afferma Dörfler.

Ma questa situazione potrebbe cambiare. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sta finanziando uno sforzo di 25 milioni di dollari per lavorare su come inserire più inverter di tipo grid-forming nel sistema di alimentazione statunitense. Il consorzio, noto come UNIFI, "universal interoperability for grid-forming inverters", è al secondo anno della ricerca su un totale di cinque anni. È guidato dal National Renewable Energy Laboratory di Golden, in Colorado, insieme all'Università del Texas ad Austin e al Electric Power Research Institute di Palo Alto, in California.

Le reti elettriche stanno mostrando i segni del loro invecchiamento e sono particolarmente vulnerabili agli effetti a cascata che possono verificarsi a causa di condizioni meteorologiche estreme. Ecco alcuni eventi recenti che hanno spinto le reti al limite.

Febbraio 2021Un freddo intenso in gran parte del Texas (come mostrato sopra) ha paralizzato le attrezzature elettriche e ha messo offline gran parte della rete dello stato, causando centinaia di morti.

Settembre 2021L'uragano Ida ha causato il blackout per oltre 1 milione di persone in Louisiana, in parte a causa delle linee di trasmissione che non hanno resistito alla velocità del vento dell'uragano.

Maggio 2022Una tempesta di vento intensa in Ontario e Quebec, Canada, ha abbattuto le linee elettriche e alla fine ha lasciato quasi un milione di persone senza energia.

Giugno 2022Un guasto in una centrale elettrica del West Texas ha causato altri guasti nella rete del Texas, inclusa la disattivazione di 1,7 gigawatt di energia solare.

Gennaio 2023Un picco di tensione ha spento la rete nazionale del Pakistan, lasciando più di 200 milioni di persone senza energia.

Giugno 2023Una bolla di calore sopra il Messico settentrionale e il Texas ha quasi spinto la domanda di energia del Messico a superare l'offerta.

Fino ad ora, UNIFI si è concentrata su questioni di base come la stesura di linee guida suggerite su come le aziende dovrebbero costruire inverter a rete. Fino ad ora, i produttori di tutto il mondo hanno creato i loro tipi di inverter a rete senza alcuna coordinazione tra di loro. A dicembre, UNIFI ha pubblicato uno standard provvisorio inteso come primo passo verso un codice di rete nazionale che includa specifiche tecniche per l'equipaggiamento; una seconda versione aggiornata è prevista entro la fine dell'anno.

Di recente, UNIFI ha portato alcuni inverter a rete, acquistati da diversi produttori, al laboratorio dell'NREL in Colorado. Lì, i ricercatori li stanno testando in un sistema di alimentazione da 1 megawatt per vedere come si comportano lavorando nella stessa rete. Un analogo sforzo di UNIFI sta testando le prestazioni di un numero maggiore di inverter a rete prodotti da due diversi produttori in un sistema da 20 megawatt a Kauai.

Lo scopo è vedere se gli inverter di diversi produttori possono essere integrati senza problemi in una grande rete elettrica e quanto lavoro di programmazione sarà necessario per farli funzionare bene insieme. "Come si fa a far funzionare insieme, collaborativamente, milioni di queste cose in un contesto di sistemi di rete su vasta scala?", si chiede Gross, che lavora con UNIFI. Tali test sono solo i primi passi per mettere gli Stati Uniti al passo con altri paesi che già hanno inverter a rete che funzionano nelle loro grandi reti elettriche.

UNIFI spera di aumentare il profilo degli inverter a rete e fornire indicazioni su ciò che attualmente è un paesaggio selvaggio di diverse aziende che li producono. Ma dovrà muoversi velocemente per fare la differenza. "Stiamo parlando letteralmente di trasformare l'intero settore dell'elettricità in circa 15 anni", dice Ben Kroposki, direttore del centro di ingegneria dei sistemi di alimentazione del NREL e direttore organizzativo di UNIFI. "Ci sono voluti 140, 150 anni per costruire ciò che abbiamo oggi. Ed è quindi un ingente cambiamento nel settore dell'energia elettrica".

Gli inverter in un tipico impianto solare domestico possono costare diverse migliaia di dollari, con costi più elevati per i sistemi su scala industriale. Ma l'attrezzatura a formazione di rete non è necessariamente più costosa da produrre rispetto all'attrezzatura a seguire la rete. I produttori addebitano un po' di più per coprire i costi di ricerca e sviluppo, ma la differenza è minima per il vantaggio ottenuto, dice Matevosyan. Anche se alcune nazioni incentivano le aziende energetiche ad utilizzare tecnologie a formazione di rete, sostiene che chiunque stia costruendo componenti di rete oggi dovrebbe incorporarle come pratica abituale. "Ha semplicemente senso che siano a formazione di rete", dice. "Si può renderlo a prova di futuro".

Anche se gli inverter a formazione di rete vengono adottati, ci sono ancora domande di ricerca da risolvere. Una sfida è che non è ancora chiaro quanti inverter nelle reti del futuro dovranno essere a formazione di rete. Calcoli teorici suggeriscono che alcune reti funzioneranno bene ottenendo dal 60 al 70 percento della loro energia da fonti rinnovabili utilizzando inverter a seguire la rete. Ma altre potrebbero crollare già al 20 percento e avranno bisogno di più inverter a formazione di rete nel mix, dice Gross.

Il numero per ogni rete dipenderà da fattori come l'età, la stabilità e la geometria della rete. Una rete fortemente interconnessa di impianti di produzione di energia come in Europa potrebbe avere bisogno di una percentuale molto inferiore di inverter a formazione di rete rispetto a una rete lunga e frammentata come quella lungo la costa australiana.

La rete elettrica degli Stati Uniti è in realtà composta da tre reti separate, nelle parti orientale e occidentale del paese e nel Texas, ognuna con diverse esigenze di inverter. E alcuni operatori di energia potrebbero scegliere di disconnettere le loro centrali a carbone o a gas, ma mantenere alcune grandi strutture nucleari o idroelettriche, che continueranno a supportare la sincronia della rete e richiederanno meno inverter a formazione di rete.

Other research frontiers include figuring out new ways to diagnose and fix problems in the grid. A short circuit in a grid component, for example, can suddenly inject large amounts of current, a surge that traditional power plants can handle automatically by disconnecting the malfunctioning part. Grid-forming inverters cannot tolerate large spikes in current, making it harder to solve these problems in real time. “How to do so efficiently and safely is still a big research question,” says Rodrigo Henriquez-Auba, an electrical engineer in Mountain View, Calif., who works with UNIFI.

Some scientists, including Dörfler, are exploring how a power grid with a lot of grid-forming inverters could provide power in new ways. By taking extra steps to optimize how the inverters work together, researchers can move the system closer to what some describe as a virtual power plant — in which many small-scale renewable energy devices effectively function as a single traditional power plant. That might mean programming inverters to quickly draw power out of a battery and inject it to make the grid more robust to unexpected fluctuations. Machine learning techniques may help, by training inverters on real-world data to fine-tune operations.

Of course, there are many other challenges to building the grid of the future, such as figuring out better ways to store electricity from solar and wind farms, how to build the necessary transmission lines and how to speed up the connection of renewable power facilities to the grid, currently backlogged due to regulatory issues.

Hidalgo-Gonzalez says that the electrical grid of the future needs to be stronger and more resilient for everyone. Today’s U.S. power grid fosters a lot of societal inequities. It tends to be weak and less reliable, for example, in lower-income communities that are more vulnerable to extreme weather than it is in wealthier communities. In 2021, for instance, Hurricane Ida knocked out power to more than 1 million people in Louisiana, with some lower-income communities not getting it back for weeks.

Renewable energy, bolstered by grid-forming inverters, can play a big role in making the grid more resilient and equitable, Hidalgo-Gonzalez says. “We need to go really fast,” she says, “if we want to take climate change seriously.”

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