Il contesto
Uno svantaggio tecnico fondamentale dei sistemi fotovoltaici (PV) ed eolici è l’intermittenza della produzione di energia, che si traduce in problemi di stabilità della rete elettrica e problemi di qualità dell’energia. Gli effetti dell’installazione separata di impianti fotovoltaici o eolici sono ben noti in letteratura.
In diversi paesi, come la Danimarca per l’eolico, le rinnovabili sono diventate le principali fonti di energia: la quota di FER non programmabili è attualmente intorno al 50% del consumo elettrico nazionale. In Germania e Spagna questa quota è già superiore al 20%, mentre in Italia questo obiettivo sarà raggiunto in pochi anni. In ogni caso, una trasformazione completa del sistema energetico sarà ancora più necessaria: infrastrutture, politiche e mercati devono essere migliorati.
Per compensare l’intermittenza dei generatori fotovoltaici ed eolici, gli accumuli elettrochimici sono facili da installare e gestire in qualsiasi sito rispetto ai sistemi di pompaggio idroelettrico che richiedono grandi serbatoi. L’utilizzo diffuso potrebbe affrontare il bilancio energetico dei carichi locali e dei generatori distribuiti mitigando i loro effetti negativi sulla rete. Ad esempio, l’eccedenza di energia dal fotovoltaico vicino a mezzogiorno potrebbe essere utilizzata in seguito per alimentare carichi locali. Tuttavia, lo stoccaggio è attualmente costoso e non può risolvere il problema della debole correlazione stagionale tra bassa domanda e alta generazione di FER non programmabili e viceversa. Pertanto, è fondamentale sapere quali sono le quantità accettabili di capacità RES e di stoccaggio connesse alla rete. In particolare, le capacità massime delle FER non programmabili devono essere definite in modo che non vi sia alcuna necessità di aggiornamento della rete. Tale potenziamento dei trasformatori e delle linee di distribuzione è una conseguenza delle elevate potenze attive derivanti dalla generazione distribuita a flusso inverso su reti radiali originariamente progettate per alimentare carichi puramente passivi.
La linea di ricerca
Tenendo conto delle precedenti osservazioni generali, nella presente linea di ricerca, la condivisione ottimale dell’energia tra generatori fotovoltaici, turbine eoliche, stoccaggio e rete per alimentare gli utenti è determinata tenendo conto di alcuni vincoli tecnici ed economici. Pertanto, i consumatori elettrici in questa analisi sono i proprietari dei generatori fotovoltaici, delle turbine eoliche e dei sistemi di accumulo. Queste tre tecnologie sono utilizzate per soddisfare una parte sostanziale della domanda, mentre l’energia rimanente è fornita dalla rete di distribuzione. In questo modo, i consumatori sono diventati prosumer.
In primo luogo, ogni fonte rinnovabile (sole e/o vento) viene indagata in termini di ore di disponibilità per stimare il tempo totale in cui si verificano le produzioni di energia fotovoltaica e/o eolica lungo tutto l’anno. Quindi, si presume che l’obiettivo primario dei prosumer sia il raggiungimento della migliore corrispondenza tra profili di potenza dei carichi e profili di potenza dei generatori. Tale migliore corrispondenza si ottiene grazie ad un’apposita procedura per progettare le dimensioni dei generatori e degli stoccaggi. In questa procedura, le potenze nominali dei generatori fotovoltaici ed eolici e le capacità energetiche delle batterie sono scelte per raggiungere i massimi livelli di autoconsumo e i più bassi livelli di scambio di energia con la rete in base al profilo di carico. In ogni caso, le soluzioni di dimensionamento selezionate sono convenienti (valore attuale netto VAN>0) e non possono creare problemi alla gestione della rete (si evitano sovraccarichi di linee di distribuzione e trasformatori).
In Fig. 2, è presente lo schema dei sistemi simulati: i componenti principali sono generatori fotovoltaici ed eolici, accumulatori e convertitori elettronici. Forniscono aggregazioni di utenti di qualsiasi tipo e di qualsiasi taglia. Ad esempio, uno dei casi studio analizzati è relativo al settore terziario con un picco di consumo corrispondente a decine di megawatt, composto da molti edifici per uffici e apparecchiature elettroniche.
Il cuore del sistema è il bus DC, che collega tutte le rinnovabili alla tensione imposta dalle batterie. Al contrario, tutti i carichi sono in AC e possono essere alimentati dalla rete, quando non c’è produzione e lo stoccaggio è vuoto. I generatori fotovoltaici sono collegati al bus CC tramite convertitori CC/CC che operano come inseguitori del punto di massima potenza (MPPT) per estrarre la massima potenza. Un inverter fornisce alimentazione CA ai carichi dell’utente: questo convertitore è unidirezionale, perché la ricarica dell’accumulo viene eseguita da generatori fotovoltaici ed eolici senza il contributo della rete. Il motivo è che lo stoccaggio viene utilizzato per supportare le energie rinnovabili per alimentare i carichi e ridurre gli scambi di rete. Non sono considerati cicli di carica-scarica eseguiti per acquistare e vendere energia a prezzi diversi e le batterie vengono ricaricate solo quando c’è un surplus da eolico e fotovoltaico (rispetto ai carichi locali).
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