Più energia rinnovabile prodotta potrebbe non essere sufficiente per riscaldarci in inverno. Parte prima: i problemi tecnici

Nella vita di tutti i giorni diamo per scontato l’impareggiabile servizio che i combustibili fossili ci rendono come riserva d’energia termica per l’inverno, momento in cui c’è il maggiore bisogno di fonti di calore. La figura 1 mostra il drammatico aumento nell’uso residenziale di combustibili per riscaldamento negli Stati Uniti durante i mesi invernali:

Tra le alternative alle fonti fossili, l’energia solare è disponibile, con particolare abbondanza, prevalentemente nel periodo maggio-agosto. Fatto che la rende un “candidato” relativamente inadeguato per risolvere il problema del riscaldamento invernale.

Appare chiaro che la carenza di disponibilità di combustibili (od, alternativamente, un prezzo eccessivo dei medesimi) per far fronte al rigido clima invernale, può essere considerato un campanello d’allarme della potenziale tendenziale scarsità di energia che rischia di manifestarsi nel futuro prossimo. La gente comune si preoccupa per la carenza di petrolio ma la carenza di combustibile per il riscaldamento invernale è, per molti versi, di una gravità comparabile se non superiore. Può costituire, estremizzando, il rischio di un “congelamento al buio”. Come di consueto, proviamo ad esaminare alcuni aspetti del problema del riscaldamento invernale ed i fattori chiave coinvolti:

[1] Le batterie sono adatte per distribuire la disponibilità di energia elettrica da fonte solare, solo sull’arco delle 24 ore. Non possono invece essere utilizzate – allo stato attuale – per immagazzinare l’energia solare nel periodo estivo ed utilizzarla durante il periodo invernale.

Oggi, le batterie possono essere utilizzate per “ritardare” l’uso dell’elettricità da fonte solare per un tempo massimo di alcune ore. In casi eccezionali, il periodo di accumulazione può forse essere portato a pochi giorni.

La California è nota sia per l’elevato peso delle energie rinnovabili nella produzione di energia elettrica sia, di conseguenza, per il largo utilizzo e disponibilità di batteria (se produco energia da rinnovabili non posso fare a meno di una corrispondente disponibilità di batterie). Le prime, le rinnovabili, sono principalmente l’energia solare e l’eolica, accanto a quantità minori di elettricità generata negli impianti geotermici e dalla combustione di biomassa. Il problema riscontrato è che l’elettricità generata dai pannelli solari durante la giornata estiva tipo – figuriamoci quindi durante il periodo invernale – tende a terminare troppo presto, rispetto al momento in cui i californiani vogliono utilizzarla. Quando tornano a casa dopo il lavoro, infatti, cucinano la cena ed utilizzano l’aria condizionata, attivando un notevole livello di domanda dopo il tramonto.

La figura 3 illustra come le batterie, in combinazione con la produzione idroelettrica, vengono utilizzate per accumulare l’elettricità prodotta durante la giornata per l’utilizzo nelle ore serali. Ciò come accennato consente di “trasferire” l’energia in eccesso, durante le 24 ore, per utilizzarla nei momenti di maggiore domanda. Peraltro, anche fosse possibile accumulare l’elettricità in estate per utilizzarla in inverno, nel mondo non ci sarebbero verosimilmente abbastanza materiali per produrle.

[2] Aumentare l’energia idroelettrica non è una soluzione al problema d’insufficienza energetica per il riscaldamento in inverno.

Un ulteriore problema è che, nelle economie di meno recente industrializzazione, le strutture idroelettriche sono state costruite molto tempo addietro. È quindi difficile credere che in questi paesi sia disponibile molta più offerta potenziale (fiumi, bacini, etc.) ancora non sfruttata. Un altro problema è che l’idroelettrico tende ad essere piuttosto variabile di anno in anno, anche su un’area grande come gli Stati Uniti, come mostrato nella Figura 4 seguente: 

Quando la variabilità è analizzata per un’area più piccola, l’instabilità da un anno all’altro è ancora maggiore, come illustrato nella Figura 5 di seguito.

Il modello sotteso al grafico presenta la formazione di un picco in primavera, quando il giaccio sulle alture si sta sciogliendo. La bassa generazione si verifica generalmente durante l’inverno, quando il ghiaccio sulle montagne è congelato. Pertanto, l’idroelettrico tende a non essere adatto ad aumentare le forniture di energia invernale. Un modello simile tende a manifestarsi anche in altre aree temperate.

Un terzo problema è che la variabilità dell’approvvigionamento idrico sta già generando nuove incertezze. La Norvegia ha recentemente avvertito che potrebbe essere necessario limitare le esportazioni idroelettriche nei prossimi mesi perché le riserve d’acqua sono basse. Le esportazioni di elettricità della Norvegia vengono utilizzate per bilanciare l’energia eolica e solare dell’Europa. Pertanto, questo problema potrebbe causare, a catena, un altro problema energetico per l’Europa.

Come altro esempio, la Cina ha vissuto una grave crisi energetica nella sua provincia di Sichuan, legata alle scarse precipitazioni e alle alte temperature. La disponibilità di combustibili fossili non è a tutt’oggi tale da colmare le necessità.

[3] L’energia eolica non è molto migliore di quella idroelettrica e solare, in termini di variabilità e tempistiche di fornitura.

L’Europa, ad esempio, ha subito una crisi energetica nel terzo trimestre del 2021 a causa di venti deboli. I maggiori produttori eolici d’Europa (Gran Bretagna, Germania e Francia)  hanno prodotto  solo il 14% della loro capacità nominale durante il periodo, rispetto a una media dal 20% al 26% degli anni precedenti. Nessuno aveva pianificato tenendo conto che una simile ridotta disponibilità potesse durare sino a tre mesi.

Nel 2021, la Cina ha sperimentato  un clima secco e senza vento, con il risultato che sia la sua generazione da eolico che idroelettrico è risultata assai ridotta. Il paese è stato costretto ad utilizzare i blackout continui per far fronte alla situazione (l’Europa questo inverno prossimo venturo?). Questo ha portato allo spegnimento dell’illuminazione pubblica, compresi i semafori stradali, e molte famiglie hanno dovuto mangiare la cena a lume di candela. Romantico, no?

Considerata a livello nazionale, la produzione eolica degli Stati Uniti varia significativamente di mese in mese.

La produzione totale di elettricità eolica negli Stati Uniti tende ad essere più alta in aprile/maggio. Ciò può causare problemi di fornitura eccessiva perché la produzione di acqua tende ad essere alta più o meno nello stesso periodo. La domanda di elettricità tende ad essere bassa a causa del clima generalmente mite. Il risultato è che anche ai livelli odierni di energie rinnovabili, una primavera piovosa e ventosa può portare a una situazione in cui la combinazione di fornitura di elettricità idroelettrica ed eolica supera la domanda locale totale di elettricità.

[4] Man mano che più vento e solare vengono aggiunti alla rete, le sfide tecniche ed i costi diventano sempre più grandi.

Ci sono un numero enorme di problemi tecnici associati al tentativo di aggiungere una grande quantità di energia eolica e solare alla rete. Alcuni di essi sono illustrati nella Figura 7 seguente,

Uno dei problemi principali è la distorsione della coppia, in particolare nel caso dell’energia eolica. La distorsione di coppia può essere spiegata come un’anomalia nell’andamento armonico nella frequenza degli impulsi elettrici: la sincronia appunto nell’andamento accoppiato delle onde elettriche si riduce o addirittura viene fortemente compromessa. Nella figura 8 seguente vediamo onde armoniche in coppia a sinistra e distorte a destra:

Ci sono anche molti altri problemi. L’eolico e il solare non forniscono “inerzia” al sistema. Cos’è l’inerzia nei sistemi di trasmissione (dispacciamento) elettrica? E’ una grandezza legata alla massa dei rotori (turbina-alternatore) delle macchine collegate alla rete nei sistemi di alimentazione tradizionale (sostanzialmente a combustibili fossili). Infatti, a seguito di guasti, turbative delle frequenze sono contrastate nei primi istanti dopo il guasto (fino a 500 millisecondi dall’insorgenza del guasto) dall’inerzia delle macchine rotanti. Questo è fondamentale perché la rapidità e l’entità della risposta del sistema elettrico nei primi istanti successivi a un guasto/disturbo sono cruciali per garantire la stabilità e la continuità del servizio: un valore troppo basso dell’inerzia di sistema potrebbe non essere in grado di far fronte ad un incidente/guasto del sistema, provocando l’attivazione dei dispositivi automatici di difesa del sistema elettrico, con conseguente distacco (mancata alimentazione ovvero black-out parziale o completo) del carico energetico. Quando la generazione da Fonti Rinnovabili copre una quota rilevante del carico elettrico dispacciato, oltre alla scarsità di capacità di regolazione (margine di riserva di potenza), può verificarsi nel sistema anche un deficit di inerzia. Infatti i generatori FRNP di solito non sono in grado di fornire risposta inerziale, perché non dispongono di quel “volano” energetico (è questo il caso del fotovoltaico) o, quando lo possiedono (come nel caso dell’eolico), le tipologie di macchine elettriche con cui sono realizzati non offrono questa caratteristica.

Ciò fa nascere il dubbio che la rete possa funzionare senza una quantità sostanziale di combustibili fossili, o da generazione nucleare, che fornisca un’inerzia sufficiente. Inoltre, l’eolico e il solare tendono a far fluttuare la tensione, rendendo necessari sistemi per assorbire e scaricare quella che viene chiamata ” potenza reattiva “.

Abbiamo appena visto che – allo stato attuale della tecnologia in uso – già solo i problemi tecnici gettano un’ombra ampia sulla possibilità di adottare con un grado significativo di affidabilità, quindi in modo massivo e senza il supporto più che significativo delle fonti fossili, una produzione di energia elettrica dove le fonti rinnovabili giocano un ruolo preminente. Stupiti? Di sicuro, visto che la comunicazione di massa e larga parte di quella tecnica soft sono assai più rassicuranti sul tema. E’ invece chiaro che è difficile attendersi che le principali tecnologie, in particolare l’eolico e il solare, riescano nel futuro prossimo arrivare a soddisfare totalmente il nostro fabbisogno energetico, anche se in combinazione con l’idroelettrico. I combustibili fossili, allo stato attuale della tecnologia, non potranno essere abbandonati né scendere sotto un livello di utilizzo che rimane ancor particolarmente elevato.