Un nuovo piano che offre partnership per mantenere stabile e affidabile la rete elettrica degli Stati Uniti potrebbe essere un vantaggio per i consumatori e gli operatori dei servizi pubblici.

La più grande simulazione mai realizzata nel suo genere, modellata sulla rete elettrica del Texas, ha concluso che i consumatori risparmieranno circa il 15% sulla bolletta elettrica annuale collaborando con i servizi pubblici. In questo sistema, i consumatori si coordinerebbero con il loro operatore di servizi elettrici per controllare dinamicamente i grandi utenti di energia, come pompe di calore, scaldabagni e stazioni di ricarica per veicoli elettrici.

Questo tipo di controllo flessibile sulla fornitura e sui modelli di utilizzo dell'energia è chiamato "transattivo" perché si basa su un accordo tra consumatori e servizi di pubblica utilità. Ma un sistema energetico transattivo non è mai stato implementato su larga scala e ci sono molte incognite. Ecco perché l'Office of Electricity del Dipartimento dell'Energia ha invitato gli esperti di energia transattiva del Pacific Northwest National Laboratory per studiare come un tale sistema potrebbe funzionare nella pratica. Il rapporto finale in più volumi è stato pubblicato oggi.

Hayden Reeve, esperto di energia transattiva PNNL e consulente tecnico, ha guidato un team di ingegneri, economisti e programmatori che ha progettato ed eseguito lo studio.

"Poiché la rete del Texas è abbastanza rappresentativa del sistema energetico della nazione, non solo ha consentito la modellazione e la simulazione di concetti transattivi, ma ha fornito un'estrapolazione affidabile dei risultati e dei potenziali impatti economici sulla rete e sui clienti più ampi degli Stati Uniti", ha affermato.

La simulazione ha mostrato che se un sistema di energia transattiva fosse implementato sulla rete dell'Electric Reliability Council of Texas (ERCOT), i picchi di carico sarebbero ridotti dal 9 al 15%. Tali risparmi potrebbero tradursi in vantaggi economici fino a 5 miliardi di dollari all'anno nel solo Texas, o fino a 50 miliardi di dollari all'anno se distribuiti in tutti gli Stati Uniti continentali. Il risparmio sarebbe pari alla produzione annua di 180 centrali elettriche a carbone a livello nazionale.

Tagliare il marrone

Ormai, la maggior parte delle persone ha sperimentato o assistito a come le condizioni meteorologiche estreme o i disastri naturali possono devastare i nostri attuali sistemi di distribuzione dell'energia. Questa vulnerabilità è amplificata dalla nostra dipendenza da poche fonti di energia centralizzate e da un sistema di rete che a volte fatica a far corrispondere l'offerta con la domanda. Inoltre, la decarbonizzazione della rete elettrica significherà che sempre più energia proverrà da diversi tipi di fonti di energia rinnovabile, come l'eolico e il solare. Quindi, evitare picchi o cali improvvisi, cali di potenza o black out, diventa fondamentale.

I risultati dello studio indicano che un sistema energetico transattivo ridurrebbe le oscillazioni giornaliere del carico dal 20 al 44 percento. E man mano che vengono utilizzati più veicoli elettrici, lo studio, forse in modo controintuitivo, ha dimostrato che le stazioni di ricarica per veicoli intelligenti forniscono riduzioni ancora maggiori del carico elettrico di punta perché offrono ulteriore flessibilità nei tempi di ricarica programmati e nel consumo di energia.

"Una rete intelligente può fungere da ammortizzatore, bilanciando le discrepanze tra domanda e offerta", ha affermato Reeve. "Attraverso il nostro studio, abbiamo cercato di capire quanto possa essere prezioso un coordinamento efficace della rete elettrica per la nazione, i servizi pubblici e i clienti. Lavorare con i proprietari di edifici commerciali e i consumatori per regolare automaticamente il consumo di energia rappresenta un passo pratico e vantaggioso per tutti i decarbonizzazione dei settori elettrico, edile e dei trasporti senza compromettere il comfort e la sicurezza delle case e delle imprese partecipanti."

Un componente chiave di questa strategia è l'adozione di elettrodomestici intelligenti e il controllo del carico. Queste risorse dinamiche possono imparare a consumare energia in modo più efficiente, adattando il loro utilizzo per brevi periodi per liberare elettricità per altre esigenze. Ad esempio, invece di caricare un veicolo elettrico in prima serata quando la domanda e il prezzo di energia sono elevati, i partecipanti all'energia transattiva farebbero affidamento su un controllo intelligente del carico per ritardare la ricarica del proprio veicolo fino a quando la domanda non sarà bassa e l'elettricità più economica. Questo approccio non solo riduce lo stress sull'infrastruttura di rete esistente, ma offre alle utility più tempo per pianificare l'infrastruttura di stoccaggio e distribuzione dell'energia di prossima generazione attualmente in fase di sviluppo.

Energia transattiva:una componente centrale

In un sistema energetico transattivo, la rete elettrica, le abitazioni, gli edifici commerciali, gli elettrodomestici e le stazioni di ricarica sono in costante contatto. I dispositivi intelligenti ricevono una previsione dei prezzi dell'energia in vari momenti della giornata e sviluppano una strategia per soddisfare le preferenze dei consumatori riducendo i costi e la domanda complessiva di elettricità. Un mercato al dettaglio locale, a sua volta, coordina la domanda complessiva con il più ampio mercato all'ingrosso. Tutte le parti negoziano l'approvvigionamento energetico e i livelli di consumo, i costi, i tempi e la consegna in uno schema di prezzi dinamico.

Sebbene questo concetto possa sembrare futuristico, è del tutto possibile da realizzare ed è già stato implementato in un progetto dimostrativo nella città dell'Eco-distretto di Spokane. Qui, il team di ricerca sta sviluppando e testando uno schema di coordinamento dell'energia transattiva e un mercato al dettaglio. L'approccio include anche l'uso di agenti software transattivi ideati da PNNL.

Un'impresa grande quanto il Texas

La rete elettrica primaria del Texas (ERCOT) ha fornito la base per l'analisi del PNNL. I ricercatori hanno creato modelli altamente dettagliati che rappresentavano la rete elettrica ERCOT, comprese più di 100 fonti di generazione di energia e 40 diverse utenze che operano sul sistema di trasmissione. L'analisi includeva anche rappresentazioni dettagliate di 60.000 case e aziende, nonché dei loro elettrodomestici a consumo energetico. I ricercatori hanno utilizzato i modelli per condurre simulazioni multiple in vari scenari di generazione di energia rinnovabile. Ciascuna simulazione ha dimostrato come il sistema energetico reagirebbe all'aggiunta di quantità diverse di fonti di energia intermittenti, come l'eolico e il solare. Il team di ricerca ha anche sviluppato un modello economico dettagliato per comprendere l'impatto annuale dei costi per operatori e clienti. Infine, hanno esaminato i costi iniziali associati alle spese di manodopera e software, nonché i costi per l'acquisto e l'installazione di dispositivi intelligenti nelle case e nelle aziende.

Un altro importante obiettivo dello studio includeva la valutazione dell'impatto di un nuovo tipo di mediatore nell'economia della rete. Questa entità, denominata gestore del sistema di distribuzione, sarebbe tenuta a gestire una rete che ha più fonti di energia possedute e gestite da entità distinte, che contribuiscono tutte con energia alla rete in tempi e quantità diverse. Inoltre, questo operatore del sistema di distribuzione negozierebbe le transazioni con i clienti che consentono un controllo flessibile del carico. L'obiettivo sarebbe supportare un funzionamento efficiente e affidabile della rete. Lo studio ha confermato l'importanza di istituire enti, come un operatore del sistema di distribuzione, per gestire l'energia transattiva.

Nel complesso, la ricerca PNNL ha mostrato chiari vantaggi nel ripensare al modo in cui la rete elettrica potrebbe ospitare un futuro in cui l'energia rinnovabile pulita è un contributo molto maggiore e più delle nostre esigenze di trasporto dipendono dal pronto accesso all'elettricità.

"Questi risultati costituiscono un valido motivo per investire in implementazioni su larga scala di sistemi energetici transattivi", ha affermato Christopher Irwin, responsabile del programma per l'Office of Electricity, Department of Energy, nei suoi standard Smart Grid e negli sforzi di interoperabilità. "Mentre la nazione si muove verso un futuro a zero emissioni di carbonio, un sistema energetico più adattabile potrebbe aiutare ad accelerare il più ampio dispiegamento di veicoli elettrici, energia solare e la conversione di case ed edifici in fonti di elettricità pulite".

Oltre a Reeve, i ricercatori del PNNL Steve Widergren, Rob Pratt, Bishnu Bhattarai, Sarmad Hanif, Sadie Bender, Trevor Hardy, Mitch Pelton, Ankit Singhal, Fernando Bereta dos Reis, Ahmad Tbaileh, Matt Oster, Tianzhixi Yin, Laurentiu Marinovici e Sarah Barrows tutti hanno contribuito alla ricerca e alla stesura dei rapporti finali. Lo studio è stato sostenuto dall'Ufficio per l'energia elettrica del Dipartimento dell'Energia.