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Le ondate di caldo estivo in tutto il paese hanno testato se la vecchia rete elettrica americana può tenere il passo con la domanda, un problema che secondo gli scienziati sarà esacerbato dai cambiamenti climatici, poiché gravi uragani, incendi e altri eventi meteorologici si verificano più frequentemente, interrompendo la produzione e la trasmissione di elettricità.
Soddisfare il crescente fabbisogno di elettricità dei consumatori americani richiede una maggiore capacità di generazione e trasmissione, una maggiore resilienza e una gestione più intelligente.
La DU Newsroom ha chiesto ad Amin Khodaei, direttore di KLab e professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Ritchie School of Engineering and Computer Science dell'Università di Denver, come le nuove tecnologie, le reti intelligenti e i consumatori attivi possono preparare la rete ai cambiamenti climatici.
Quali sfide pone il cambiamento climatico alla nostra attuale rete elettrica?
Sicurezza, tempo libero, lavoro e, ora più che mai, l'istruzione dipendono fortemente da una rete elettrica in grado di fornire e fornire elettricità senza interruzioni. Tuttavia, gli eventi meteorologici estremi e le catastrofi naturali indotti dai cambiamenti climatici stanno interrompendo la rete e ponendo molteplici sfide al suo funzionamento.
La rete elettrica è stata tradizionalmente progettata con due obiettivi in mente:affidabilità ed economia. L'affidabilità rappresenta la capacità della rete di continuare la fornitura e la consegna di elettricità in caso di interruzioni limitate delle apparecchiature, ad esempio se una o due linee di trasmissione sono fuori servizio. L'obiettivo economico della rete è quello di selezionare il mix di generazione a minor costo per la produzione di energia elettrica tenendo conto dei limiti fisici e tecnici della rete e delle diverse unità di generazione. Le società elettriche hanno avuto successo per la maggior parte nel raggiungimento di questi due obiettivi nell'ultimo secolo. Tuttavia, la crescente frequenza e intensità dei disastri causati dal clima richiedono di considerare un altro obiettivo altrettanto importante:la resilienza. La resilienza è definita come la capacità di una rete elettrica e dei suoi componenti di resistere e adattarsi a eventi dirompenti e di riprendersi rapidamente da essi. Raggiungere la resilienza è costoso e il numero crescente di disastri non fa che peggiorare le cose.
Come si può adattare o aggiornare la rete attuale per garantire un'elettricità resiliente e affidabile?
Ci sono tre fattori che determinano le future esigenze e sfide della rete. I primi due sono il cambiamento climatico e il panorama mutevole dell'approvvigionamento energetico di cui ho parlato. Il terzo riguarda i consumatori. Il modo in cui i consumatori utilizzano l'elettricità sta cambiando. Vi è una crescente necessità di alimentazione di qualità superiore per i dispositivi digitali dei consumatori. I consumatori stanno inoltre installando sempre più generazione locale, inclusi pannelli solari sui tetti e sistemi di accumulo di energia residenziale, causando per la prima volta in assoluto un flusso bidirezionale di elettricità, dai clienti alla rete a monte. L'uso crescente di veicoli elettrici è un altro cambiamento importante, che potrebbe potenzialmente raddoppiare il picco di domanda di un consumatore residenziale, rendendo necessari aggiornamenti della rete.
La griglia è necessaria per migliorare le sue capacità a tre livelli di processo fisico, informatico e decisionale per affrontare queste sfide. Il livello fisico necessita di nuove tecnologie come dispositivi di monitoraggio in tempo reale e microgrid per fornire intelligence locale per gestire meglio le risorse distribuite. Il livello cibernetico necessita di comunicazioni aggiornate e misure di sicurezza informatica per far fronte alla rete digitalizzata. E il livello decisionale necessita di una revisione significativa per sfruttare tecnologie all'avanguardia, come l'intelligenza artificiale e l'informatica avanzata.
In che modo è necessario modificare la rete per portare online nuove risorse energetiche rinnovabili e affidabili?
La produzione di elettricità è responsabile del 25% delle emissioni di gas serra, subito dopo il settore dei trasporti con il 27%. Oltre ai vasti impatti negativi sulla società, queste emissioni esacerbano il cambiamento climatico che interromperebbe ulteriormente il funzionamento della rete. È fondamentale ridurre queste emissioni, cosa che dovrebbe essere fatta sfruttando risorse energetiche pulite e rinnovabili come l'eolico e il solare.
Sebbene queste risorse siano pulite, rinnovabili e stiano diventando sempre più convenienti, pongono alcune sfide tecniche alla rete. La prima sfida è l'intermittenza e la volatilità della generazione, il che significa che non possono produrre elettricità in ogni momento e la produzione di elettricità può fluttuare significativamente in pochi secondi. La rete deve essere aggiornata per gestire tali fluttuazioni installando unità a risposta rapida, principalmente alimentate a gas, o accumulatori di energia, il che è costoso. La seconda sfida è la mancanza di inerzia. Le tradizionali unità di generazione termica si basano sulla conversione elettromeccanica dell'energia attraverso elementi rotanti, offrendo un'inerzia meccanica che può essere offerta per superare piccole variazioni di carico. Ciò è necessario per mantenere stabile la griglia. Le risorse di energia eolica e solare non offrono inerzia, quindi non possono supportare la stabilità della rete. I recenti progressi nell'elettronica di potenza, ovvero l'elettronica ad alta potenza utilizzata per collegare la generazione eolica e solare con la rete, forniscono soluzioni praticabili a questa sfida.
Il comportamento dei consumatori dovrà cambiare con la rete?
Il comportamento dei consumatori sta infatti cambiando, trasformando i consumatori da attori tradizionalmente passivi nella rete a soggetti più attivi che potrebbero reagire alle condizioni della rete. Se un'interruzione della rete interrompe la fornitura di elettricità, il futuro consumatore passerà automaticamente alla propria generazione per affrontare localmente tale interruzione. Se non si verifica un'interruzione, il futuro consumatore rivenderà l'elettricità alla rete e sarà pagato per il suo contributo alla fornitura di rete.
Tuttavia, un consumatore attivo può svolgere un ruolo molto più importante nel funzionamento della rete. Molte delle sfide tecniche della rete, ad esempio la fluttuazione della generazione rinnovabile, richiedono una maggiore resilienza e persino il ripristino del sistema dopo i disastri possono essere affrontate dai consumatori attivi. Per semplificare sostanzialmente, pensa a cosa ha fatto Uber per i trasporti. Il modo in cui Uber ha fornito un'opzione praticabile e aggiuntiva per il trasporto, i consumatori attivi possono fornire molteplici servizi sostenibili per una rete elettrica più affidabile, resiliente, efficiente e pulita. + Esplora ulteriormente
