Il problema delle energie alternative di cui nessuno parla

C’è un problema poco noto, ma rilevante, che rende più difficoltosa la creazione di una rete completamente a energie alternative, eolica o solare. Dagli anni Novanta del XIX secolo, le reti e i dispositivi elettrici di tutto il mondo utilizzano sistemi a corrente alternata (AC), il che significa che il flusso di elettricità nel sistema cambia ripetutamente direzione.

In Australia, Europa e buona parte dell’Africa l’elettricità si alterna 50 volte al secondo, cioè a una frequenza di 50 Hertz, mentre negli Stati Uniti è di 60 Hertz.

La fornitura di elettricità a una frequenza costante è molto importante perché gli apparecchi e i dispositivi elettronici della rete sono progettati per una frequenza/tensione specifica. Pertanto, possono essere danneggiati da un’alimentazione elettrica errata.

Di norma, le reti preferiscono non fornire elettricità piuttosto che fornire elettricità scadente, proprio per questo motivo. I controlli automatici del sistema elettrico interrompono l’alimentazione se la frequenza o la tensione sono “fuori specifica”.

Gli australiani del Sud non dimenticheranno presto quando questo è accaduto all’intera rete statale nel 2016. Il blackout in tutto lo Stato iniziò nel tardo pomeriggio durante alcune condizioni meteorologiche avverse e migliaia di persone sono state costrette a uscire dalla città senza lampioni o segnali stradali a causa di un blackout. Le cause sono state diverse, tra cui le raffiche di vento che avevano abbattuto alcune linee di trasmissione e un fulmine su una centrale elettrica.

Le turbine eoliche, la cui energia non veniva più stabilizzata dal resto della rete, si sono scollegate automaticamente.  Il sistema ha naturalmente iniziato a prelevare più carico da tutte le forniture rimanenti, esaurendo la capacità dell’interconnettore con il resto della rete della costa orientale, portando al completo distacco della rete. Da quel momento, gli spegnimenti si sono diffusi a cascata su tutta la rete. Tutto questo è avvenuto in meno di un secondo.

Il potenziale di un arresto a cascata non potrà mai essere eliminato del tutto; i sistemi di protezione automatizzati devono prendere decisioni a una velocità tale da impedire qualsiasi coinvolgimento umano. Però, comunque, la vulnerabilità dell’intero sistema può variare e l’aumento delle fonti rinnovabili intermittenti contribuisce a diminuire la stabilità del sistema.

I generatori tradizionali utilizzano turbine – turbine a vapore, turbine a ciclo aperto e turbine idrauliche (idroelettriche). Queste apparecchiature sono dette “sincrone” perché la frequenza dell’elettricità che producono è direttamente legata alla velocità di rotazione degli alberi delle turbine. Poiché queste macchine sono grandi e pesanti, ci vuole tempo ed energia per accelerarle o rallentarle, il che significa che la frequenza dell’elettricità non può cambiare troppo rapidamente. Questo fenomeno si chiama “inerzia” e le rende intrinsecamente stabili.

Come si può immaginare, i pannelli solari, non avendo parti in movimento, non forniscono inerzia. Si adattano alla frequenza già presente nel sistema e non contribuiscono a stabilizzarla.

Le turbine eoliche, pur avendo grandi componenti che girano, cambiano continuamente velocità solo a causa delle condizioni del vento. Non sono quindi progettate per sincronizzarsi con la rete CA. Quindi non forniscono nemmeno inerzia.

Se un sistema non ha inerzia, invece di rispondere dolcemente a una variazione del carico, la frequenza può oscillare e queste oscillazioni possono portare a interruzioni della rete molto più frequenti.

Dopo il blackout del 2016, la sicurezza energetica si è guadagnata il posto di massima priorità per alcune gloriose e brevi settimane. Nei due anni successivi il governo dell’Australia Meridionale ha intrapreso una serie di azioni, tra cui l’installazione di una batteria su larga scala (in seguito alla promessa di Elon Musk di costruirla entro 100 giorni o di fornirla gratuitamente), la costruzione di una nuova centrale elettrica a gasolio e la concessione di incentivi per l’esplorazione e la produzione di gas naturale, cioè compensando la produzione di rinnovabili con fonti stabili fossili o costose batterie.

Inoltre, sono stati installati due condensatori sincroni. I condensatori sincroni sono grandi e pesanti alberi rotanti, simili a quelli contenuti in una turbina, ma non producono elettricità: aiutano solo a stabilizzare la frequenza della rete.

Negli anni successivi, ognuna di queste risposte è stata confermata. Il generatore diesel è stato utilizzato in diversi momenti critici e la batteria Tesla ha stabilizzato la rete, ma ad un costo.  Sebbene immagazzini relativamente poca energia, la batteria risponde rapidamente ai guasti che si verificano in qualsiasi punto della rete della costa orientale, persino nel Queensland. Da allora è stata programmata per fornire “inerzia virtuale”.

La tecnologia per una rete al 100% rinnovabile non è ancora arrivata. I progressi nella tecnologia e nella gestione della rete hanno fatto sì che le fonti rinnovabili possano fornire porzioni di fornitura più significative e più ampie senza destabilizzare in modo inaccettabile la frequenza della rete. Tuttavia, resta vero che quasi nessun sistema potrà mai permettersi di operare al 100% con le rinnovabili senza mantenere in funzione almeno alcuni generatori rotanti tradizionali.