Ecco la centrale elettrica del futuro: Gli ibridi solare-batteria sono pronti per una crescita esplosiva

Il sistema elettrico americano sta subendo un cambiamento radicale nel passaggio dai combustibili fossili alle energie rinnovabili. Mentre il primo decennio del 2000 ha visto un’enorme crescita della produzione di gas naturale e il 2010 è stato il decennio dell’eolico e del solare, i primi segnali indicano che l’innovazione del 2020 potrebbe essere un boom delle centrali elettriche “ibride”.

Una tipica centrale ibrida combina la produzione di elettricità con l’accumulo di batterie nello stesso luogo. Spesso si tratta di un parco solare o eolico abbinato a batterie su larga scala. Lavorando insieme, i pannelli solari e le batterie di accumulo possono generare energia rinnovabile quando l’energia solare è al suo picco durante il giorno e poi rilasciarla quando il sole tramonta.

Uno sguardo ai progetti di energia e stoccaggio in fase di sviluppo offre un’idea del futuro dell’energia ibrida.

Il nostro team del Lawrence Berkeley National Laboratory ha scoperto che sono stati proposti progetti di generazione e stoccaggio per un totale di 1.400 gigawatt, più di tutte le centrali elettriche statunitensi esistenti messe insieme. Il gruppo più numeroso è quello dei progetti solari, e più di un terzo di questi progetti prevede l’utilizzo di impianti solari ibridi più batterie di accumulo.

Se da un lato queste centrali elettriche del futuro offrono molti vantaggi, dall’altro sollevano questioni su come gestire al meglio la rete elettrica.

Perché gli ibridi sono caldi

Con la crescita dell’eolico e del solare, iniziano ad avere un grande impatto sulla rete.

L’energia solare supera già il 25% della produzione annuale di energia elettrica in California e si sta diffondendo rapidamente in altri Stati come il Texas, la Florida e la Georgia. Gli Stati della “cintura del vento”, dai Dakota al Texas, hanno visto una massiccia diffusione di turbine eoliche, con l’Iowa che ora ottiene la maggior parte della sua energia dal vento.

Questa elevata percentuale di energia rinnovabile solleva una domanda: Come integrare le fonti rinnovabili che producono quantità elevate ma variabili di energia durante il giorno?

Joshua Rhodes/Università del Texas ad Austin.

È qui che entra in gioco lo stoccaggio. I prezzi delle batterie agli ioni di litio sono scesi rapidamente con l’aumento della produzione per il mercato dei veicoli elettrici negli ultimi anni. Se da un lato ci sono preoccupazioni per le future sfide della catena di approvvigionamento, dall’altro è probabile che il design delle batterie si evolva.

La combinazione di energia solare e batterie consente ai gestori di impianti ibridi di fornire energia nelle ore più preziose, quando la domanda è più forte, come i pomeriggi estivi e le sere in cui i condizionatori d’aria funzionano al massimo. Le batterie contribuiscono inoltre a compensare la produzione di energia eolica e solare, a immagazzinare l’energia in eccesso che altrimenti verrebbe interrotta e a ridurre la congestione della rete.

Gli ibridi dominano la pipeline dei progetti

Alla fine del 2020, negli Stati Uniti erano operativi 73 progetti ibridi solari ed eolici, per un totale di 2,5 gigawatt di generazione e 0,45 gigawatt di stoccaggio.

Oggi, il solare e gli ibridi dominano la pipeline di sviluppo. Entro la fine del 2021, più di 675 gigawatt di impianti solari proposti avevano richiesto l’approvazione per la connessione alla rete, e più di un terzo di essi era abbinato allo stoccaggio. Altri 247 gigawatt di impianti eolici erano in linea, e 19 gigawatt, ovvero circa l’8%, erano ibridi.

La quantità di energia solare, di accumulo e di energia eolica proposta in attesa di essere collegata alla rete è cresciuta drasticamente negli ultimi anni, mentre carbone, gas e nucleare sono diminuiti. Laboratorio nazionale Lawrence Berkeley

Naturalmente, la richiesta di connessione è solo una delle fasi di sviluppo di una centrale elettrica. Un costruttore ha bisogno anche di accordi con il territorio e la comunità, di un contratto di vendita, di finanziamenti e di permessi. Solo una centrale su quattro tra quelle proposte tra il 2010 e il 2016 è entrata in funzione. Ma l’interesse per le centrali ibride lascia presagire una forte crescita.

In mercati come la California, le batterie sono essenzialmente obbligatorie per i nuovi sviluppatori di impianti solari. Poiché l’energia solare rappresenta spesso la maggior parte dell’energia nel mercato diurno, costruirne di più aggiunge poco valore. Attualmente il 95% di tutta la capacità solare su larga scala proposta in coda alla California è dotata di batterie.

5 lezioni sugli ibridi e domande per il futuro

L’opportunità di crescita degli ibridi rinnovabili è chiaramente grande, ma solleva alcune domande che il nostro gruppo al Berkeley Lab ha analizzato.

Ecco alcune delle nostre principali scoperte:

L’investimento ripaga in molte regioni. Abbiamo scoperto che se da un lato l’aggiunta di batterie a una centrale solare fa aumentare il prezzo, dall’altro aumenta il valore dell’energia. La collocazione della generazione e dell’accumulo nello stesso luogo consente di trarre vantaggi dai crediti d’imposta, dai risparmi sui costi di costruzione e dalla flessibilità operativa. Considerando il potenziale di guadagno degli ultimi anni e con l’aiuto dei crediti d’imposta federali, il valore aggiunto sembra giustificare il prezzo più alto.

La co-localizzazione comporta anche dei compromessi. L’eolico e il solare funzionano meglio dove le risorse eoliche e solari sono più forti, ma le batterie forniscono il massimo valore dove possono fornire i maggiori benefici alla rete, come alleviare la congestione. Ciò significa che ci sono dei compromessi nel determinare la posizione migliore con il valore più alto. I crediti d’imposta federali che possono essere guadagnati solo quando le batterie sono co-locate con l’energia solare possono incoraggiare decisioni non ottimali in alcuni casi.

Non esiste una combinazione ottimale. Il valore di un impianto ibrido è determinato in parte dalla configurazione delle apparecchiature. Ad esempio, le dimensioni della batteria rispetto al generatore solare possono determinare la capacità dell’impianto di fornire energia fino a tarda sera. Ma il valore dell’energia notturna dipende dalle condizioni del mercato locale, che cambiano nel corso dell’anno.

Le regole del mercato dell’energia devono evolversi. Gli ibridi possono partecipare al mercato dell’energia come singola unità o come entità separate, con l’energia solare e l’accumulo che fanno offerte indipendenti. Gli ibridi possono anche essere venditori o acquirenti di energia, o entrambi. Questo può essere complicato. Le regole di partecipazione al mercato per gli ibridi sono ancora in evoluzione, lasciando agli operatori degli impianti la possibilità di sperimentare come vendere i propri servizi.

I piccoli ibridi creano nuove opportunità: Le centrali ibride possono essere anche di piccole dimensioni, come quelle solari e a batterie in una casa o in un’azienda. Tali ibridi sono diventati standard alle Hawaii, dove l’energia solare satura la rete. In California, i clienti che sono soggetti a interruzioni di corrente per prevenire gli incendi selvaggi stanno aggiungendo sempre più spesso l’accumulo ai loro sistemi solari. Questi ibridi “dietro il contatore” sollevano questioni su come dovrebbero essere valutati e su come possono contribuire alle operazioni di rete.

Gli ibridi sono solo all’inizio, ma molti altri sono in arrivo. Sono necessarie ulteriori ricerche sulle tecnologie, sui disegni di mercato e sulle normative per garantire che la rete e la tariffazione della rete si evolvano di pari passo.

Anche se le domande rimangono, è chiaro che gli ibridi stanno ridefinendo le centrali elettriche. E, nel frattempo, potrebbero ridisegnare il sistema elettrico degli Stati Uniti.