L'infrastruttura energetica più critica d'America, la rete, è più vulnerabile che mai. Le ragioni sono duplici:un cambiamento nel mix di fonti di energia sta influenzando la stabilità della rete, combinato con un aumento dei disastri naturali. Quando una parte della griglia si spegne, può causare un effetto a catena su intere regioni se non viene corretta rapidamente.

È qui che l'energia idroelettrica gioca un ruolo fondamentale, secondo un nuovo studio condotto dal Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) che ha quantificato il contributo dell'energia idroelettrica alla stabilità della rete nella regione occidentale degli Stati Uniti. Quando altre fonti di energia si spengono, l'energia idroelettrica può aumentare rapidamente, recuperare le carenze e stabilizzare la rete quasi istantaneamente.

E le carenze stanno diventando più comuni:le sole interruzioni dovute a condizioni meteorologiche estreme sono quadruplicate negli ultimi cinque anni.

"Ciò che ha funzionato per la vecchia griglia, potrebbe non funzionare in futuro", ha affermato Abhishek Somani, uno scienziato del PNNL che ha guidato lo studio di laboratorio multinazionale. "Per anni, gli operatori hanno utilizzato l'energia idroelettrica per la stabilità della rete, ma l'entità dei contributi dell'energia idroelettrica non era nota al di là di tale sfera, fino ad ora".

Cruise control per una griglia resiliente

Nel 2003, in un caldo pomeriggio di agosto in Ohio, un albero troppo cresciuto ha sfiorato una linea elettrica ad alta tensione e ha causato un arresto, noto come guasto. Altri tre guasti si sono verificati quando altre linee hanno rilevato l'allentamento, quindi si sono sovraccaricate. Presto, questa interruzione regionale ha innescato una cascata di interruzioni di corrente dal Michigan a New York, diventando il più grande blackout nella storia degli Stati Uniti e lasciando all'oscuro 50 milioni di persone.

Eppure a New York, l'energia idroelettrica è entrata in funzione e stava producendo quasi la metà dell'elettricità totale dello stato entro sei ore dalla perdita di energia. Le dimensioni di due delle più grandi dighe di New York, Niagara e St. Lawrence-FDR, hanno aiutato lo stato a resistere allo shock di interruzione che aveva messo fuori linea altri tipi di centrali elettriche.

"Se una grande centrale elettrica si spegne o un incendio brucia una linea di trasmissione, cambia la frequenza operativa della rete e può causare un calo al di sotto dei suoi 60 Hz tipici", ha affermato Somani. "Se non viene corretto in pochi secondi, può portare a interruzioni diffuse."

La risposta in frequenza è più o meno come usare il cruise control di un'auto durante la salita. Il motore gira per mantenere la velocità. Allo stesso modo, quando una parte della rete si oscura inaspettatamente, le altre centrali elettriche si avviano per ripristinare la potenza persa e mantenere la frequenza a 60 Hz. Questo accade in pochi secondi. Non notiamo cali di frequenza perché l'inerzia di generatori rotanti, motori industriali o turbine mantiene le luci accese mentre la rete torna alla velocità massima per soddisfare la domanda di energia.

Per decenni, la risposta in frequenza da fonti di energia convenzionali, come carbone, gas e centrali nucleari, ha fornito stabilità generale. Ma tutto questo sta cambiando.

Nella spinta verso la decarbonizzazione, una grande sfida con la rivoluzione delle rinnovabili è il mantenimento della stabilità della rete poiché l'eolico e il solare attualmente non contribuiscono alla risposta in frequenza. Mentre la tecnologia esiste, non ci sono incentivi normativi o finanziari per gli operatori di energia solare o eolica per contribuire alla risposta in frequenza alla rete.

Il ruolo dell'energia idroelettrica in una rete resiliente

Nell'aprile 2018, nella foresta nazionale di Angeles, in California, si è rotta una vecchia giunzione della linea elettrica. La linea è caduta sulla torre, provocando un guasto e un'interruzione di corrente che ha portato fuori linea un impianto solare. Ciò ha causato un improvviso calo della frequenza dell'intera rete. L'energia idroelettrica in tutto l'Occidente ha risposto istantaneamente per contrastare quel cambiamento di frequenza e ha contribuito per il 60% alla risposta nell'arrestare una potenziale caduta libera dell'energia.

"Abbiamo sempre saputo che l'energia idroelettrica ha fornito una risposta, ma la misura in cui lo ha fatto è stato sorprendente", ha affermato Somani, il cui team ha esaminato eventi come quello dell'Angeles National Forest.

Con un occhio alla Western Interconnection, la vasta via di comunicazione energetica che alimenta gli Stati Uniti occidentali, il team di ricerca ha dimostrato che l'energia idroelettrica è già posizionata per stabilizzare la rete quando la potenza cala. Utilizzando simulazioni ed eventi storici, hanno scoperto che i contributi dell'energia idroelettrica alla risposta in frequenza variavano dal 30 al 60 percento.

Anche se l'energia idroelettrica fornisce questo servizio, al momento non esistono meccanismi di compensazione.

"Non è facile dare un prezzo al valore della risposta in frequenza, ma in futuro probabilmente dovremo farlo", ha affermato Somani.

Simulazione di ondate di calore, terremoti e altro

Per analizzare il ruolo dell'energia idroelettrica in una serie di eventi estremi, il team di ricerca ha sviluppato modelli per simulare il ruolo che l'energia idroelettrica potrebbe svolgere in tali scenari. Questi includevano eventi meteorologici, come un'ondata di caldo o un'ondata di freddo, nonché eventi aggravanti, come la siccità.

Ad esempio, se si verificasse un'interruzione imprevista di una flotta di impianti di gas naturale nella Western Interconnect, i risultati della simulazione hanno mostrato che l'energia idroelettrica potrebbe intervenire e fornire il 50 percento della risposta in frequenza, anche se contribuisce a circa un quarto della potenza complessiva. Questa risposta è fondamentale poiché un'interruzione diffusa degli impianti di gas naturale avrebbe effetti a catena di vasta portata sulla rete e potrebbe potenzialmente innescare un'interruzione molto peggiore.

Un'altra simulazione ha mostrato che se due unità della centrale nucleare di Palo Verde in Arizona andassero offline e smettessero di produrre energia, l'energia idroelettrica potrebbe fornire una risposta in frequenza maggiore rispetto a tutte le altre fonti di energia messe insieme, anche se produce solo circa il 30% dell'energia in quella regione.

"È risaputo che l'energia idroelettrica produce energia pulita. Ciò che non era così noto, quantificato o valutato, è l'entità del suo ruolo nel garantire la resilienza della rete", ha affermato Somani.

Il gruppo di ricerca, guidato da Somani e composto da cinque laboratori nazionali, ha sviluppato un quadro di analisi, che può essere utilizzato come modello per valutare il ruolo dell'energia idroelettrica negli scenari futuri della rete. In futuro, saranno anche in grado di modellare le interruzioni causate da altri eventi estremi, come terremoti e incendi.

Questo lavoro è stato sostenuto dall'Ufficio per le tecnologie dell'energia idrica del Dipartimento dell'energia nell'ambito dell'iniziativa HydroWIRES, che mira a chiarire il ruolo in evoluzione dell'energia idroelettrica come parte di una moderna infrastruttura di rete e a liberarne il potenziale per l'ottimizzazione delle operazioni di rete.

"Hydropower's Contributions to Grid Resilience", è stato guidato da PNNL, insieme ad Argonne National Laboratory, Idaho National Laboratory, National Renewable Energy Laboratory e Oak Ridge National Laboratory.