Integrazione dell’energia del moto ondoso nelle reti elettriche: requisiti e opportunità future

I convertitori di energia delle onde (WEC) sono in una fase di sviluppo precedente rispetto alle centrali eoliche e solari. Vari concetti sono stati proposti e testati in tutto il mondo, ma solo pochi WEC hanno esportato energia nelle reti elettriche.

Pertanto, l’impatto dell’integrazione dei livelli di potenza delle onde elevate nelle reti è ancora incerto. Ma come possiamo anticipare i requisiti e le opportunità per integrazione della potenza del moto ondoso nel futuro prossimo?

In questo articolo, usiamo lezioni dalle sfide tecniche associate all’integrazione di grandi quantità di altre fonti energetiche rinnovabili variabili per aiutare a rispondere a questa domanda.

Energia delle onde – foto illustrativa. Credito immagine: Sintef

Bilanciamento della rete elettrica

Il funzionamento di un sistema di alimentazione si basa sulla continua corrispondenza dell’alimentazione con il consumo. Ciò è necessario per mantenere la frequenza elettrica della rete entro il range di normale funzionamento, misura fondamentale della stabilità del sistema.

La frequenza diminuisce quando la domanda di elettricità supera l’offerta e aumenta quando la domanda è inferiore. Le deviazioni accettabili durante il normale funzionamento e i guasti di grandi dimensioni sono specificati in base alle normative locali codici di reteche sono specifiche nazionali (o regionali) che definiscono i requisiti per la connessione di centrali elettriche e altri impianti a una rete elettrica.

Nell’arco della giornata, la domanda deve essere soddisfatta secondo diverse tempistiche:

• Da secondi a minuti, la produzione di energia è regolata per mantenere la frequenza di rete entro il range operativo in caso di disturbi. La regolazione viene eseguita sia automaticamente attraverso il controllo della frequenza, sia manualmente dai gestori di rete.
• Da decine di minuti a ore, la generazione deve essere lentamente adattata per seguire i cambiamenti naturali della domanda. Consiste nell’aumentare o diminuire la potenza generata, che può comportare l’accensione e lo spegnimento di unità di generazione nel sistema di alimentazione.
• Su base giornaliera, la programmazione (ovvero la pianificazione della generazione) viene eseguita in base all’energia e alla potenza di picco della giornata. Ciò richiede la previsione del carico, dell’output di generazione e della disponibilità

Illustrazione di come il consumo e la generazione di energia influenzano la frequenza elettrica della rete elettrica. Credito immagine: Sintef

Principali sfide dell’integrazione di alti livelli di VRE nelle reti elettriche

L’energia rinnovabile variabile (VRE), ad esempio l’energia del moto ondoso, eolica e solare fotovoltaica (FV), dipende fortemente dalle condizioni meteorologiche, dai cicli giornalieri e dai modelli stagionali. Pertanto, l’esportazione di grandi quantità di VRE verso le reti elettriche aumenta l’incertezza e la variabilità della potenza erogata.

A causa della sua natura fluttuante, VRE è più impegnativo quando si tratta di regolare la potenza erogata in base alle variazioni della domanda elettrica.

A differenza delle centrali idroelettriche con grandi serbatoi, la fonte di energia primaria per l’energia eolica, ondosa e solare non può essere immagazzinata in loco per aumentare opportunamente la produzione di energia su richiesta dei gestori di rete. La bassa domanda può essere soddisfatta limitando la generazione, ma l’aumento della domanda può essere soddisfatto solo se il VRE dispone di riserva di energia disponibile.

Inoltre, gli impianti VRE sono comunemente collegati alla rete tramite interfacce elettroniche di potenza, il che rende il funzionamento del generatore indipendente dalla tensione e dalla frequenza della rete elettrica.

Ciò consente alle turbine eoliche e ai WEC di funzionare a velocità variabili per il massimo tracciamento della potenza e la sopravvivenza in diverse condizioni meteorologiche. Tuttavia, questo tipo di connessione alla rete non aggiunge inerzia rotazionale al sistema di alimentazione.

L’inerzia rotazionale è la tendenza di un oggetto rotante a rimanere in movimento. Nei sistemi di alimentazione, rappresenta l’energia cinetica immagazzinata in grandi generatori rotanti che li mantiene in funzione per un certo periodo, anche in caso di improvvisa perdita di potenza.

Sostanzialmente resiste ai cambiamenti della frequenza elettrica, dando al sistema il tempo di rispondere e riequilibrare alimentazione e consumo. A causa della riduzione dell’inerzia, le reti con alti livelli di VRE sono vulnerabili a grandi deviazioni di frequenza, che incidono sulla stabilità del sistema.

In che modo gli operatori di rete stanno affrontando queste sfide?

Tradizionalmente, l’equilibrio di potenza attiva era fornito dalla generazione convenzionale, ad esempio grandi centrali idroelettriche e da combustibili fossili, grazie alla loro inerzia rotazionale e alla capacità di regolare più facilmente la produzione di potenza per soddisfare i cambiamenti della domanda.

Al contrario, le centrali eoliche massimizzavano principalmente la loro produzione di energia ed esportavano energia alle reti ogni volta che era disponibile. A causa dei crescenti livelli di VRE e della sostituzione delle centrali elettriche a combustibili fossili, gli operatori di rete sono ora:

• Definizione di requisiti più severi per l’interconnessione: Alcuni sistemi energetici (ad esempio in Irlanda e nel Regno Unito) ora richiedono che gli impianti eolici forniscano un supporto per il controllo della frequenza, a seconda della loro potenza nominale. Pertanto, le turbine eoliche non estraggono la massima potenza dal vento. Invece, funzionano a potenza ridotta, il che consente loro di aumentare e diminuire la loro potenza durante specifiche deviazioni di frequenza.
• Sviluppo di nuovi servizi per un supporto di frequenza più rapido: In caso di gravi disturbi nel sistema di alimentazione, le unità di generazione (ad esempio le turbine eoliche) che forniscono il servizio devono erogare energia più rapidamente rispetto al tradizionale controllo della frequenza. L’interfaccia dell’elettronica di potenza può essere controllata per emulare l’inerzia dei generatori sincroni, oppure può essere iniettata una potenza costante per pochi secondi. In entrambi i casi, deve essere disponibile una riserva di carica.

Inoltre, accurate tecniche di previsione del VRE e il coordinamento con i sistemi di accumulo di energia sono essenziali per un’integrazione efficace e affidabile di alti livelli di VRE.

In che modo l’energia delle onde può contribuire all’equilibrio di potenza attiva?

I convertitori di energia delle onde (WEC) catturano l’energia dalle onde dell’oceano e la convertono in elettricità attraverso un sistema di presa di forza (PTO). Sebbene i WEC siano ancora in una fase iniziale di sviluppo, possiamo utilizzare le lezioni apprese dall’elevata esportazione di altri tipi di VRE per anticipare i requisiti e le opportunità future per l’integrazione dell’energia ondosa e persino adattare il design WEC.

Ad esempio, a seguito dei recenti sviluppi nell’integrazione dell’energia eolica, ci si può aspettare che anche i WEC debbano supportare il funzionamento della rete contribuendo al bilancio di potenza attiva.

La combinazione dell’energia del moto ondoso con altri tipi di VRE (ad esempio, eolica e solare fotovoltaica) può naturalmente contribuire a questo equilibrio di potenza grazie alla complementarità di questi diversi tipi di energia. Oltre ai tempi specifici dell’energia delle onde, è possibile utilizzare anche componenti di accumulo di energia a breve termine integrati nella presa di forza.

Una panoramica delle tempistiche tipiche dei WEC, compreso lo stoccaggio di energia dai sistemi PTO e la fornitura di energia attiva nei sistemi di alimentazione, indica che esiste un potenziale significativo per le fattorie delle onde (ovvero gli array di WEC) per supportare il funzionamento stabile della rete elettrica, vedere la figura sotto.

Tempi tipici di supporto della frequenza, potenza delle onde, controllo PTO e accumulo di energia. Credito immagine: Sintef

Analogamente alle turbine eoliche, i WEC possono funzionare al di sotto della potenza massima disponibile per avere un margine per aumentare e diminuire la potenza erogata. Inoltre, in relazione alle capacità di accumulo di energia PTO,

• Nell’intervallo di secondi, I WEC, come i corpi oscillanti con accumulatori idraulici e i sistemi a colonna d’acqua oscillante (OWC) con volani, possono aumentare l’esportazione di potenza attiva per fornire supporto o regolazione rapida della frequenza, a condizione che il sistema di controllo risponda abbastanza rapidamente ai comandi. Ad esempio, l’energia immagazzinata sotto forma di aria pressurizzata (o acqua) nei WEC con accumulatori può essere utilizzata per questo scopo.
• Nell’intervallo di minuti e ore, previsioni accurate delle risorse saranno fondamentali per minimizzare l’incertezza legata alle riserve di potenza. Il coordinamento con le batterie nel sistema PTO può essere particolarmente vantaggioso in questi casi.

Esempi WEC: corpi oscillanti con sistemi PTO e OWC idraulici. Credito immagine: Sintef

In definitiva, la capacità dei WEC di fornire supporto di frequenza alle reti dipenderà principalmente dalle capacità PTO, dalla disponibilità di riserve di potenza e dal sistema di controllo.

Ciò aggiungerà un altro livello al sistema di controllo PTO, che ha comunemente mirato a massimizzare la potenza estratta dalle onde, e richiederà lo sviluppo di una struttura di controllo gerarchica a livello di wave farm – un argomento che non è stato ampiamente discusso dal wave farm comunità energetica ancora.

Fonte: Sintef