I prezzi delle energie rinnovabili sono diminuiti di oltre il 70% nell'ultimo decennio, spingendo un numero sempre maggiore di americani ad abbandonare i combustibili fossili per fonti energetiche più ecologiche e meno inquinanti. Ma poiché l'energia eolica e solare continuano a farsi strada, gli operatori di rete potrebbero dover pianificare grandi oscillazioni nella disponibilità.

L'avvertimento arriva da Upmanu Lall, un professore alla Columbia Engineering e alla Columbia Climate School che ha recentemente rivolto la sua attenzione dall'uso sostenibile dell'acqua alle energie rinnovabili sostenibili nella spinta verso l'azzeramento delle emissioni nette di carbonio.

"I progettisti di sistemi di energia rinnovabile dovranno prestare attenzione al cambiamento dei modelli eolici e solari nel corso di settimane, mesi e anni, come fanno i gestori dell'acqua", ha affermato. "Non sarai in grado di gestire una variabilità come questa con le batterie. Avrai bisogno di più capacità."

In un nuovo studio di modellizzazione nella rivista Patterns , Lall e Columbia Ph.D. lo studente Yash Amonkar mostra che il potenziale solare ed eolico varia ampiamente nel corso dei giorni e delle settimane, per non parlare dei mesi o degli anni. Si sono concentrati sul Texas, che guida il paese nella generazione di elettricità dall'energia eolica ed è il quinto produttore di energia solare. Il Texas vanta anche una rete autonoma grande quanto molti paesi", ha affermato Lall, rendendolo un laboratorio ideale per tracciare la promessa e il pericolo dei sistemi di energia rinnovabile.

Basandosi su 70 anni di dati storici sull'energia eolica e solare, i ricercatori hanno costruito un modello di intelligenza artificiale per prevedere la probabilità di una "siccità" su scala di rete, quando la produzione giornaliera di energie rinnovabili è scesa al di sotto di una soglia target. Sotto una soglia fissata al 30° percentile, quando circa un terzo di tutti i giorni sono giorni a bassa produzione, i ricercatori hanno scoperto che il Texas potrebbe affrontare una siccità energetica giornaliera per un massimo di quattro mesi consecutivi.

Le batterie non sarebbero in grado di compensare una siccità di questa durata, ha affermato Lall, e se il sistema si basasse sulla sola energia solare, ci si potrebbe aspettare che la siccità duri il doppio, per otto mesi. "Questi risultati suggeriscono che i pianificatori energetici dovranno considerare modi alternativi di immagazzinare o generare elettricità, o aumentare drasticamente la capacità dei loro sistemi rinnovabili", ha affermato.

Prevedere future siccità "energetiche" in Texas e negli Stati Uniti continentali

La ricerca è iniziata sei anni fa, quando Lall e un ex studente laureato, David Farnham, hanno esaminato la variabilità del vento e del sole in otto aeroporti statunitensi, dove le registrazioni meteorologiche tendono ad essere più lunghe e dettagliate. Volevano vedere quanta variazione ci si poteva aspettare con un'ipotetica rete di energia rinnovabile al 100%.

I risultati, che Farnham ha pubblicato nel suo dottorato di ricerca. tesi, non sono state una sorpresa. Farnham e Lall hanno scoperto che il potenziale solare ed eolico, come le precipitazioni, è molto variabile in base al periodo dell'anno e al luogo in cui sono state collocate le turbine eoliche e i pannelli solari. In otto città, hanno scoperto che il potenziale delle energie rinnovabili è aumentato e diminuito rispetto alla media a lungo termine fino a un terzo in alcune stagioni.

"Abbiamo coniato il termine siccità 'energetica' poiché un ciclo di 10 anni con questa grande variazione dalla media a lungo termine sarebbe considerata una grave siccità", ha affermato Lall. "Quello fu l'inizio del lavoro di siccità energetica."

Nel presente studio, Lall ha scelto di ingrandire il Texas, uno stato ben dotato sia di sole che di vento. Lall e Amonkar hanno scoperto che la persistente siccità di energia rinnovabile potrebbe durare fino a un anno anche se i generatori solari ed eolici fossero distribuiti in tutto lo stato. La conclusione, ha affermato Lall, è che le energie rinnovabili devono affrontare un problema di stoccaggio che può essere risolto realisticamente solo aggiungendo capacità o fonti di energia aggiuntive.

"In un mondo completamente rinnovabile, se vogliamo evitare di bruciare combustibili fossili, dovremmo sviluppare combustibile nucleare o combustibile a idrogeno, o riciclo del carbonio, o aggiungere molta più capacità per generare energie rinnovabili", ha affermato.

In periodi di scarse precipitazioni, i gestori dell'acqua mantengono l'acqua dolce che scorre attraverso il rubinetto toccando i bacini idrici municipali o le falde acquifere sotterranee. I sistemi di energia solare ed eolica non hanno backup equivalenti. Le batterie utilizzate per immagazzinare l'energia solare ed eolica in eccesso in giornate eccezionalmente luminose e raffiche di vento mantengono la carica solo per poche ore e al massimo per pochi giorni. Le centrali idroelettriche forniscono un potenziale cuscinetto, ha affermato Lall, ma non abbastanza a lungo da trasportare il sistema attraverso un lungo periodo di siccità di sole e vento intermittenti.

"Non risolveremo il problema costruendo una rete più ampia", ha affermato. "Gli operatori della rete elettrica hanno l'obiettivo di un'affidabilità del 99,99%, mentre i gestori dell'acqua si battono per un'affidabilità del 90%. Puoi vedere quanto sarà difficile questo gioco per l'industria energetica e quanto potrebbero essere preziose previsioni stagionali e più lunghe".

Nella prossima fase della ricerca, Lall lavorerà con i professori di ingegneria della Columbia Vijay Modi e Bolun Xu per vedere se sono in grado di prevedere sia la siccità energetica che le "inondazioni", quando il sistema genera un surplus di energie rinnovabili. Forti di queste proiezioni, sperano di prevedere l'aumento e il calo dei prezzi dell'energia.