Il Carico di Base – Baseload, ovvero il maggior problema delle reti odierne

Il concetto di carico di base (in inglese, base load) è fondamentale nell’ingegneria elettrica e nella gestione delle reti, rappresentando la base imprescindibile per l’affidabilità e la sicurezza del sistema energetico. Per comprendere appieno la sua importanza, è necessario definirlo con chiarezza, analizzare il suo ruolo nella stabilità di rete, le gravi conseguenze della sua insufficienza e le strategie, sia storiche che moderne, per garantirne la fornitura continua.

1. Definizione e Componenti del Carico Elettrico (Carico di Base)

Il carico di base su una rete elettrica è definito come il livello minimo di domanda sulla rete in un determinato intervallo di tempo, come ad esempio una settimana. In termini più semplici, rappresenta la potenza minima che è indispensabile fornire in modo continuo al sistema elettrico. È il livello di fabbisogno energetico sotto il quale il consumo non scende mai (o molto raramente).

Per inquadrare il carico di base, è utile analizzare la suddivisione tipica del consumo di energia elettrica giornaliero:

1. Carico di Base (Base Load): Il fabbisogno minimo e costante.
2. Carico Medio (Middle Load): La quantità media di elettricità consumata durante il giorno, quando la maggior parte degli impianti e degli apparecchi elettrici è in funzione.
3. Carico di Picco (Peak Load o di Punta): La quantità del fabbisogno giornaliero di elettricità che supera la richiesta del carico di base e del carico medio.

Mentre l’andamento del carico (la potenza assorbita) varia notevolmente durante la giornata, presentando anche significative variazioni stagionali, il carico di base è quella porzione della domanda che deve essere soddisfatta 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

Storicamente, data la sua natura costante, il carico di base veniva soddisfatto da centrali elettriche invariabili (baseload plants). Queste centrali erano (e in molti contesti sono ancora) impianti di grandi dimensioni, tipicamente a carbone e nucleari, la cui produzione non poteva essere aumentata o abbassata rapidamente. Poiché la costruzione di tali impianti comporta costi fissi molto elevati, risultava economicamente più vantaggioso gestirli a livelli di produzione costanti e vicini alla massima potenza, minimizzando così il costo medio operativo.

Esempi di centrali che tradizionalmente potevano fornire carico di base in modo continuo includono:

• Centrali a carbone.
• Centrali nucleari. Le centrali nucleari operano generalmente in modo continuo vicino alla massima potenza (fattore di capacità superiore al 90% negli Stati Uniti) per massimizzare il rendimento del capitale investito e a causa dei limiti operativi sulle rapide variazioni di potenza. Le centrali nucleari possono impiegare molte ore, se non giorni, per cambiare la loro potenza. Tuttavia, i modelli più moderni possono funzionare come inseguitori di carico (load followers).
• Centrali a ciclo combinato (gas).
• Centrali idroelettriche.
• Centrali geotermiche.
• Biogas e biomasse.
• Solare termico con accumulazione.

La domanda variabile che eccede il carico di base è soddisfatta dalla generazione dispacciabile (dispatchable generation), dalle centrali elettriche ad inseguimento del carico e dalle centrali elettriche di picco (peaking plants), la cui produzione può essere alzata o abbassata rapidamente in risposta alle fluttuazioni di consumo. Un impianto di generazione dispacciabile è una fonte di elettricità che può essere attivata o disattivata rapidamente per soddisfare l’aumento o la diminuzione della domanda. Le centrali a gas naturale, ad esempio, hanno bassi costi fissi ma alti costi marginali e sono spesso utilizzate come centrali di punta, anche se le moderne turbine a gas a ciclo combinato sono molto efficienti.

2. L’Importanza Critica per la Stabilità di Rete e le Conseguenze della Mancanza

L’importanza del carico di base risiede nella sua funzione di garanzia di un livello di potenza costante e affidabile. Questo è cruciale per la stabilità di rete e la sicurezza dell’approvvigionamento.

Il Ruolo della Potenza Fissa e Dispacciabile

Affinché un sistema elettrico funzioni in modo ottimale, la potenza fornita deve costantemente bilanciare la domanda. La potenza fissa, o firm power, è la capacità di generazione che non dipende dalle condizioni meteorologiche e che è disponibile su richiesta. Il carico di base fornito da fonti fisse e dispacciabili, come storicamente il nucleare e il carbone, garantisce questa stabilità minima.

I ministri dell’energia di Finlandia, Norvegia e Svezia sottolineano che è cruciale disporre di sufficiente potenza dispacciabile di carico di base (dispatchable baseload power) per il buon funzionamento del sistema elettrico. Inoltre, la potenza programmabile priva di combustibili fossili è fondamentale per ridurre i costi totali del sistema.

Benban Solar Park. Il Solare ha un costo marginale basso, ma scarsa continuità

Il Rischio di Blackout e l’Impatto delle Intermittenze

La mancanza o l’insufficienza del carico di base fornito da fonti affidabili (reliable power sources) espone la rete a rischi inaccettabili e potenziali guasti su larga scala.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha rilasciato rapporti allarmanti sulla sicurezza e affidabilità della rete. Il DOE avverte che, se gli Stati Uniti continuano a chiudere fonti di energia affidabili e non riescono ad aggiungere capacità fissa aggiuntiva, i blackout potrebbero aumentare di 100 volte entro il 2030.

Questa situazione di rischio deriva da un crescente divario tra la domanda e l’offerta elettrica, esacerbato da due fattori principali:

1. La Rapida Crescita della Domanda: La domanda di elettricità sta aumentando a un ritmo record, spinta dalla reindustrializzazione, dalla crescente penetrazione dei veicoli elettrici (EV) e, soprattutto, dall’esplosione dei data center alimentati dall’intelligenza artificiale (AI) e dal cloud.
2. Il Ritiro delle Centrali Affidabili: Si prevede il ritiro di circa 104 GW di generazione fissa (principalmente carbone e gas naturale) entro il 2030, a fronte di soli 22 GW di nuova generazione fissa di carico di base prevista. La maggior parte della nuova capacità proviene da fonti intermittenti (eolico e solare), che non offrono gli stessi benefici di affidabilità degli impianti tradizionali di carico di base.

Il modello del DOE prevede che, in assenza di un tempestivo rimpiazzo della capacità fissa, le ore di interruzione annuale (annual outage hours) potrebbero aumentare dalle cifre odierne (a una singola cifra) a oltre 800 ore all’anno entro il 2030. Un aumento di questa portata renderebbe milioni di famiglie e aziende vulnerabili e minerebbe la sicurezza energetica della nazione. In alcune regioni, in scenari estremi, la perdita oraria di carico potrebbe arrivare fino al 43%.

Il nucleare tradizionale, uno dei fornitori di “Baseload” più stabili

Technicismi: Inerzia e Dunkelflaute

Due tecnicismi specifici evidenziano la necessità di una fornitura di base solida: l’inerzia e la Dunkelflaute.

1. Inerzia: L’inerzia è la resistenza di un sistema elettrico ai cambiamenti rapidi di frequenza, essenziale per la stabilità del sistema. Sebbene alcuni sostengano che l’inerzia non sia più necessaria grazie a una maggiore flessibilità della rete, in realtà questa stabilità continua a basarsi su sistemi inerziali, come la generazione residua (es. gas), l’idroelettrico e l’accumulo pompato. Eventuali guasti improvvisi in grandi centrali tradizionali richiedevano storicamente grandi riserve di emergenza. Oggi, la necessità di inerzia, soprattutto in presenza di blackout causati da guasti o intermittenza, rafforza la necessità di soluzioni di accumulo di grande scala e di lunga durata che siano inerziali 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
2. Dunkelflaute: Questo termine tedesco (calma scura) si riferisce a periodi, talvolta lunghi fino a due settimane e estesi a livello continentale, in cui si verifica una generazione minima da fonti rinnovabili (vento e solare) a causa di condizioni meteorologiche calme e scure. La resilienza del sistema in queste fasi critiche è garantita solo dalla capacità di generazione di base o da sistemi di accumulo di energia sufficientemente scalabili e di lunga durata. L’episodio del 2024 in Germania, in cui la volatilità dei prezzi è aumentata a causa di Dunkelflaute che hanno azzerato la produzione eolica e solare, dimostra come la rete debba affrontare l’intermittenza, sottolineando la necessità di generazione di supporto.

In sintesi, la generazione fissa di carico di base è indispensabile perché garantisce l’affidabilità quando l’energia intermittente manca, evitando che la flessibilità della rete diventi inutile per mancanza di energia da distribuire.

3. Come Assicurare il Carico di Base: Soluzioni Storiche, Correnti e Future

Per assicurare il carico di base, è necessario implementare un mix energetico che bilanci l’affidabilità con i costi e la sostenibilità. Storicamente, le centrali invariabili erano la soluzione predominante, ma l’evoluzione tecnologica e gli obiettivi climatici hanno ampliato l’approccio.

L’Approccio Tradizionale: Centrali Invariabili

Le grandi centrali a carbone e nucleari, sebbene non potessero variare rapidamente la potenza, erano ideali per il carico di base costante grazie ai loro bassi costi marginali (dopo i pesanti costi fissi iniziali).

Tuttavia, queste centrali presentavano svantaggi:

• Necessità di riserve di emergenza: Grandi riserve erano richieste in caso di guasti improvvisi.
• Problemi di avvio/spegnimento: Gli impianti nucleari e a carbone possono richiedere giorni per avviarsi e spegnersi.
• Vulnerabilità: Le interruzioni possono colpire tutti gli impianti per guasti, l’idroelettrico per la siccità, il carbone se le scorte si congelano e il gas per perdite nelle tubazioni.

La Modernizzazione: Integrazione e Dispacciabilità

Il carico di base può essere soddisfatto non solo dalle centrali invariabili, ma anche da una quantità appropriata di sorgenti energetiche intermittenti e dalla generazione dispacciabile.

1. Fonti Rinnovabili Variabili (VRE) e Costi Marginali Bassi: Le turbine eoliche e il solare hanno costi marginali così bassi da poter competere con il carbone o il nucleare, offrendo prezzi inferiori, e possono fornire una parte del carico di base quando le condizioni sono favorevoli. La sfida sta nell’intermittenza di queste fonti.  C’è una necessità di accumulo termico, mettanico o chimico per superare questo problema che, altrimenti, mette in crisi la rete.
2. Generazione Dispacciabile Flessibile: La generazione dispacciabile, attivabile o disattivabile in base alla domanda, include:

• Centrali a gas naturale: Le moderne turbine a gas a ciclo combinato hanno un’alta efficienza termica (circa 65%). Il gas naturale è il combustibile fossile che brucia più pulito, producendo la minor quantità di CO2​ per MWh e può essere aumentato rapidamente per gestire i picchi di carico. Sebbene l’avvio delle turbine a gas (centrali di picco) possa richiedere solo minuti, la parte a turbina a vapore di un impianto a ciclo combinato richiede un tempo maggiore per aumentare la generazione.
• Idroelettrico e Geotermico: Sono fonti non intermittenti che possono fornire potenza dispacciabile 24 ore su 24.
• Centrali Nucleari Avanzate: Le centrali nucleari più moderne sono progettate per la flessibilità e l’inseguimento del carico. C’è una ricerca in corso per sviluppare reattori modulari di piccole dimensioni (SMR) con maggiore capacità di aumentare e diminuire in modo flessibile la loro potenza, per integrarsi meglio con le fonti VRE.

3. Accumulo di Energia (Storage): Il Compagno Cruciale L’accumulo di energia è fondamentale per colmare il divario tra l’offerta intermittente e la domanda costante.

• Idroelettrico Pompato (Pumped Storage): È la forma dominante di accumulo a livello globale, costituendo il 94% dei 195.000 MW installati nelle reti elettriche mondiali. Utilizza l’energia a basso costo (spesso di notte) per pompare l’acqua da un bacino inferiore a uno superiore, per poi rilasciarla attraverso le turbine durante i periodi di picco di domanda (di solito di giorno).
• Batterie su Scala di Rete (BESS): Le batterie costituiscono il 2% dell’accumulo globale e sono considerate la “nuova frontiera dell’energia”. Le BESS su scala di rete aiutano a tamponare i cambiamenti improvvisi di domanda o offerta, facilitando l’aumento di potenza degli impianti termici e mantenendo bassi i prezzi marginali.
• Necessità di Durata Lunga: Per assicurare il carico di base, specialmente durante i periodi di Dunkelflaute, lo stoccaggio deve avere una scala e una durata sufficienti (fino a due settimane di generazione minima continentale).

4. Interconnessioni e Sviluppo della Rete: Le interconnessioni tra regioni o paesi consentono di scambiare energia, utilizzando la rete come una forma implicita di accumulo (ad esempio, la Germania utilizza le interconnessioni con la Norvegia, che dispone di abbondante stoccaggio idroelettrico pompato).

Dimensioni dei sistemi di accumulo energetico a sabbia per diverse potenze

4. Il Dibattito sul Futuro del Carico di Base e i Modelli Economici

Mentre la necessità di potenza affidabile e sufficiente non è in discussione, l’idea che questa debba essere fornita esclusivamente da centrali di carico di base (come definite tradizionalmente) è oggetto di dibattito.

La Sfida al Concetto di Baseload

Alcuni esperti ritengono che il concetto di carico di base sia destinato a essere “superato”. Con i progressi nello stoccaggio di energia, in particolare le batterie, cessa l’utilità di costruire costose centrali elettriche dedicate esclusivamente al carico di base.

Una ricerca condotta da ricercatori tedeschi (acatech) sfida l’idea prevalente che le centrali di carico di base siano essenziali per una fornitura continua di elettricità. Essi dimostrano che i sistemi energetici dominati da eolico e solare possono fornire elettricità affidabile e a basse emissioni di carbonio utilizzando strategie alternative che non includono impianti di carico di base tradizionali, bensì:

• Energia solare ed eolica combinata con accumulo di energia.
• Uso dell’elettricità più intelligente o flessibile.
• Centrali di energia residua (come gli impianti a turbina a gas alimentati a idrogeno) che operano solo quando necessario.

Secondo questa prospettiva, gli impianti di carico di base, a causa dei loro elevati costi di costruzione e della necessità di operare quasi incessantemente per essere finanziariamente redditizi, avrebbero un posto nei sistemi futuri solo se riuscissero a ridurre i costi totali, il che è ritenuto improbabile. Il problema è che la sperimentazione di soluzioni senza carico di base rischia di essere pericolosa ed estremamente costosa, come dimostra il recente blackout in Spagna.

Considerazioni Economiche e Costi

Il fattore economico è centrale nelle decisioni sulla generazione di carico di base.

• Costi Fissi vs. Marginali: Centrali nucleari e a carbone hanno costi fissi iniziali molto elevati e bassi costi marginali. Le centrali di punta (come quelle a gas naturale) hanno bassi costi fissi ma elevati costi marginali.
• Costi delle Rinnovabili: L’eolico, il solare e l’idroelettrico hanno costi marginali molto bassi (il “combustibile” è gratuito), sebbene richiedano impianti e manutenzione costosi. Inoltre presentano il problema dei costi d’accumulo dell’energia.
• Sussidi e Distorsioni di Mercato: Nonostante la retorica del mercato, sono necessari strumenti finanziari speciali (es. CfDs, Capacity Market) per incoraggiare gli investimenti nell’infrastruttura, il che indica che i prezzi di mercato da soli potrebbero non riflettere la vera necessità a lungo termine di capacità. In Germania, i prezzi sono stati “truccati” con cap e floor per evitare che le centrali esistenti chiudessero per mancanza di profitto, un’azione che, sebbene volta a prevenire i blackout, ha ostacolato lo sviluppo di stoccaggio su larga scala a lunga durata.
• Costo Totale del Sistema: Per coprire la domanda di carico di base utilizzando fonti rinnovabili intermittenti, 1 GW di generazione di base richiederebbe l’installazione di circa 3 GW di eolico offshore più accumulo, o 6-10 GW di solare più accumulo, tenendo conto dei fattori di carico e dell’efficienza di stoccaggio. L’investimento in stoccaggio su larga scala e lunga durata è spesso visto come una soluzione più economica rispetto alla costruzione di una rete immensa per bilanciare la domanda e l’offerta su un intero continente.

Il Contesto Geografico

È fondamentale considerare l’ottica geografica. L’argomento è stato storicamente trattato esaminando in gran parte il sistema elettrico statunitense. Tuttavia, la situazione del sistema elettrico italiano ed europeo è molto diversa. Per esempio, l’affidabilità della rete della Germania, nonostante un’alta penetrazione di energia verde, si basa sulle interconnessioni e sulla ridondanza, che compensano gli effetti negativi delle energie verdi. La resilienza, tuttavia, può avere un costo elevato, come dimostrato proprio dalla Germania, dove si è ricorso alla riattivazione di centrali a lignite (altamente inquinanti) e all’importazione di elettricità e GNL da altri paesi.

In conclusione, garantire il carico di base, o la capacità fissa dispacciabile, è vitale per prevenire il collasso della rete, soprattutto in un contesto di crescente elettrificazione e domanda da parte di tecnologie esigenti come l’AI. Sebbene il metodo per fornire questa capacità si stia evolvendo dall’affidamento esclusivo su centrali invariabili (nucleare/carbone) verso un sistema ibrido di VRE, stoccaggio e generazione flessibile (come gas o idrogeno), la necessità di base di avere energia sufficiente, affidabile e programmabile rimane il pilastro della sicurezza energetica.

Rimani aggiornato seguendoci su Google News!

SEGUICI