Negli ultimi anni, le estati americane sono sembrate un po' apocalittiche. Gli incendi imperversarono sulla costa occidentale. Le inondazioni hanno rubato le case. Nel luglio 2021 è stato registrato il mese più caldo mai registrato sulla Terra e le reti elettriche hanno sfarfallato, causando blackout diffusi che spengono l'aria condizionata, i purificatori d'aria e le macchine per l'ossigeno. Tali interruzioni di corrente rappresentano un nuovo rischio potenzialmente mortale per le persone in tutto il mondo in fase di riscaldamento.

Ma qualcosa chiamato energia idroelettrica di pompaggio può aiutare. Realizzati collegando due serbatoi, uno a un'altitudine maggiore dell'altro, questi impianti pompano l'acqua a monte, immagazzinandola nel serbatoio superiore, prima di rilasciarla verso il basso attraverso una turbina, che fa girare un generatore e reimmette energia nella rete. Questi sistemi forniscono già il 93% dell'accumulo di energia su scala di rete degli Stati Uniti; e nel clima più caldo e instabile di oggi, possono rifornire di elettricità durante i blackout causati da ondate di caldo, uragani o attacchi informatici e mantenere il flusso di energia rinnovabile quando il sole tramonta e i venti non soffiano. In breve, rendono la rete elettrica più resiliente.

Quindi la tua città potrebbe presto utilizzare una di queste strutture? È difficile da dire.

Fino ad ora, esistevano pochi dati su dove potevano essere costruite centrali idroelettriche di pompaggio negli Stati Uniti. E, anche se l'energia costante dell'energia idroelettrica è già complementare ad altre fonti di energia rinnovabile, non è chiaro come sosterrà una futura rete di energia pulita che funziona con molta energia eolica e solare.

Ora, due nuovi rapporti dei ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) aiutano a colmare entrambe le lacune nei dati. Il primo studio identifica i siti statunitensi che potrebbero supportare centrali idroelettriche a pompaggio, nonché quanto potrebbero costare e quanta energia potrebbero produrre. Il secondo (pubblicato a breve come rapporto tecnico NREL) utilizza tale set di dati e risorse aggiuntive per esaminare come l'energia a basso costo e flessibile dell'energia idroelettrica potrebbe supportare la rete di domani. Il lavoro è stato finanziato dall'Ufficio per le tecnologie dell'energia idrica del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e fa parte della sua Hydro Water Innovation for a Resilient Electricity System Initiative.

In quale parte del mondo possiamo costruire energia idroelettrica con pompaggio?

C'è una mappa per questo.

Scegliere un sito per installare una turbina eolica o un pannello solare è relativamente facile. Il vento è forte e costante? Il sole splende il più delle volte? Se la risposta è sì, quel sito potrebbe funzionare. L'installazione di una centrale idroelettrica a pompaggio è un po' più complicata. Hai bisogno di due grandi laghi, uno sopra l'altro, per immagazzinare energia. E, per costruire impianti più ecocompatibili, nessuno dei due deve collegarsi a un fiume.

Trovare siti per supportare queste strutture è complicato, o lo era una volta.

"Con questa mappa, le persone che vivono nel Wyoming potrebbero ingrandire una catena montuosa e vedere dove si trovano alcuni dei migliori siti", ha affermato Stuart Cohen, un ingegnere modello presso NREL e coautore di entrambi i rapporti. "Nessuno sta producendo un prodotto con questa portata e granularità per gli Stati Uniti."

Nel 2017, l'Australian National University ha sviluppato un set di dati di potenziali siti idroelettrici di accumulo di pompaggio in tutto il mondo, identificando circa 616.000 potenziali posizioni. Ora, Cohen e un team di ricercatori hanno adattato l'algoritmo originale dell'università per creare dati geospaziali più dettagliati su potenziali siti negli Stati Uniti.

I ricercatori dell'Australian National University e dell'NREL hanno dovuto prendere alcune decisioni di progettazione tecnica in anticipo. Ogni bacino, ad esempio, ha bisogno di una diga. Ed entrambe le dighe potrebbero avere un numero infinito di altezze potenziali. "Puoi immaginare", ha detto Cohen, "come esplode il problema se hai un numero infinito di scelte".

Per tenere a freno il loro set di dati, i ricercatori di NREL hanno fissato parametri come l'altezza della diga e la durata dell'accumulo, selezionando ad esempio una durata di 10 ore di accumulo di energia, perché tende ad essere più competitivo in termini di costi (per confronto, le batterie di oggi forniscono circa 4 ore di energia Conservazione). Utilizzando il loro algoritmo geospaziale, il team ha cercato nel paese tutti i possibili siti e poi li ha ridotti in un elenco finale che aderiva a considerazioni tecniche, ambientali ed economiche aggiuntive. Per trovare il posto migliore, qualsiasi appassionato di energia idroelettrica può quindi ordinare e filtrare quei siti in base all'altezza della testa (la differenza di elevazione tra i due serbatoi), alla capacità energetica e ai costi.

Sebbene il primo rilascio di dati si basi su questi parametri fissi, presto Cohen e il team pianificano di creare una versione aggiornata della loro mappa che offra agli utenti un maggiore controllo. "Vogliamo creare una mappa interattiva in cui è possibile attivare e disattivare le caselle per scegliere tra 12 o 8 ore di stoccaggio, 40 o 60 metri di altezza della diga. Qualunque cosa le persone vogliano."

Quindi, una volta che uno sviluppatore individua un sito, lo strumento può stimare quanto potrebbe costare la costruzione del proprio impianto. Basato anche sul modello originale dell'Australian National University, il modello di costo di NREL è adattato alle condizioni finanziarie ed economiche degli Stati Uniti, così gli sviluppatori possono valutare se costruire il loro impianto (o meno).

Prevedere il ruolo dell'energia idroelettrica in una rete di energia pulita

Con il cambiamento climatico, l'energia idroelettrica di accumulo pompata potrebbe fornire energia di riserva affidabile. Ma le centrali idroelettriche convenzionali possono anche produrre e immagazzinare energia e possono accendersi e spegnersi secondo necessità, traendo energia dall'energia immagazzinata nei loro serbatoi. Quindi, in che modo queste piante flessibili contribuiscono a un futuro più pulito?

"Non stiamo parlando di costruire nuove dighe di Hoover", ha detto Cohen. O qualsiasi nuova diga, se è per questo. Negli Stati Uniti, le centrali idroelettriche esistenti potrebbero fornire elettricità ancora più flessibile e affidabile di quanto non facciano già. Con alcune modifiche, queste strutture potrebbero attivarsi rapidamente in risposta ai cambiamenti nella quantità o nel tipo di elettricità sulla rete, bilanciando l'energia variabile immessa dalle turbine eoliche e dai pannelli solari, ad esempio, o fornendo più elettricità durante i mesi invernali quando quelli le fonti di energia rinnovabile tendono a diminuire.

Per analizzare come l'espansione della capacità idroelettrica potrebbe servire questa rete energetica in evoluzione, Cohen ei suoi colleghi NREL hanno sviluppato nuove capacità di modellazione dell'espansione della capacità per rappresentare in modo più accurato il ruolo dell'energia idroelettrica nei sistemi elettrici.

"Potrebbe effettivamente fare una grande differenza, molto più grande di quanto mi aspettassi", ha detto Cohen. (Come bonus, i dati della sua mappa dei siti idroelettrici di pompaggio stanno rendendo questi modelli di capacità ancora più accurati).

La flotta idroelettrica di oggi ha abbastanza dighe per produrre fino a 80 gigawatt di elettricità. "Più della metà è già abbastanza flessibile", ha affermato Cohen, il che significa che gli operatori potrebbero facilmente aggiungere la generazione di elettricità ad altri ruoli vitali della flotta, come la gestione dell'acqua, l'irrigazione o le attività ricreative.

"La cosa eccitante è quando lasci che il resto della flotta diventi più flessibile", ha detto Cohen. "Se ciò accade, quelle strutture possono fare una grande differenza in termini economici ed emissioni a livello nazionale".