Come un dispositivo potrebbe contribuire a trasformare la nostra rete elettrica

Man mano che sempre più energia rinnovabile entra in funzione e gli impianti a combustibili fossili vengono ritirati, le reti elettriche di tutto il mondo necessitano di aggiornamenti per mantenerle operative in modo stabile.

JUAN MIGUEL CERVERA MERLO/ALAMY STOCK FOTO

Di Alexandra scherza

24 agosto 2023 alle 9:11

Dal Colorado a Washington, dall’Ohio alla Pennsylvania, le centrali elettriche a carbone stanno chiudendo. Gli Stati Uniti sono sulla buona strada per dismettere metà della loro capacità di generare elettricità dal carbone entro il 2026. Si tratta di un calo notevolmente rapido rispetto al picco del carbone nel 2011 – e un passo importante nel passaggio all’energia pulita e nella lotta contro il cambiamento climatico.

Ma c’è uno svantaggio sorprendente nel mandare in pensione le grandi e vecchie centrali elettriche. Questi impianti aiutano a mantenere la stabilità della rete elettrica. Man mano che sempre più di loro vanno offline, qualcos'altro deve farsi avanti per svolgere quel lavoro.

Una rete elettrica è una rete complessa che coinvolge sistemi che producono energia, come una centrale nucleare o una turbina eolica, e sistemi che immagazzinano e trasmettono energia, come batterie e linee di trasmissione. Una rete può smettere di funzionare per diversi motivi, come la caduta di un albero su una linea elettrica o un'ondata di caldo che travolge la capacità del sistema. Negli Stati Uniti, l’elettricità pulsa attraverso la rete come un battito cardiaco ad una frequenza standard di 60 hertz. Tale frequenza può spostarsi se la domanda aumenta oltre l’offerta o se qualcosa nel sistema, come un grande generatore, va offline. Anche una piccola interruzione nel battito cardiaco a 60 hertz può causare effetti a catena da cui la rete fatica a riprendersi.

Le grandi centrali elettriche sono progettate per aiutare la rete a essere resiliente a questi effetti a catena. L’inerzia dei loro generatori rotanti fa guadagnare tempo in caso di interruzione di corrente inaspettata e regolano continuamente la loro potenza in uscita in base alla frequenza della rete, mantenendo tutto stabile. Ma una rete elettrica che incorpora grandi quantità di energia rinnovabile, come quella proveniente dalle turbine eoliche e dai pannelli solari, funziona in modo molto diverso. Si basa su dispositivi noti come inverter per convertire l'elettricità in corrente continua, o CC, prodotta da impianti eolici e solari in corrente alternata, o CA, elettricità per la rete. E i sistemi di energia rinnovabile che coinvolgono gli inverter non si comportano come le centrali elettriche tradizionali. "Abbiamo a che fare con un sistema fisico completamente diverso", afferma Patricia Hidalgo-Gonzalez, ingegnere elettrico presso l'Università della California, a San Diego.

Oggi più elettricità negli Stati Uniti proviene da fonti rinnovabili. Gli inverter che formano la rete svolgeranno probabilmente un ruolo importante nel portare l’energia in modo sicuro nella rete elettrica.

Pertanto i ricercatori sono alla ricerca di modi per mantenere stabile la rete mentre le grandi centrali elettriche vengono dismesse e l’energia rinnovabile costituisce una percentuale maggiore della produzione di elettricità negli Stati Uniti. La risposta potrebbe risiedere in un tipo speciale di inverter, noti come inverter che formano la rete. Questi apparecchi elettrici, di dimensioni variabili da più piccoli di un forno a microonde a grandi quanto un container, sono appositamente programmati per funzionare all'interfaccia tra qualcosa che produce o immagazzina energia - come turbine eoliche, pannelli solari e batterie - e il griglia. Fondamentalmente, sono in grado di controllare il flusso di energia rinnovabile nella rete in modo rapido e reattivo, in modi che imitano il controllo delle grandi centrali elettriche.

Aggiungendo alcuni inverter che formano la rete a una rete elettrica esistente, gli ingegneri possono contribuire a sostituire le funzioni che vanno perse quando i grandi impianti vengono dismessi. Gli inverter che formano la rete presentano anche altri vantaggi, come il riavvio automatico di una rete che è andata offline. Ciò può rendere la società più resiliente alle interruzioni di corrente che derivano da condizioni meteorologiche estreme alimentate dai cambiamenti climatici, come le ondate di caldo e gli uragani (SN: 15/2/20, p. 22).

La quantità di elettricità statunitense generata dall’energia solare ed eolica è aumentata notevolmente negli ultimi dieci anni.

Pensa a un inverter che forma una rete come a una mamma papera seguita da un gruppo di piccoli anatroccoli che la seguono, afferma Dominic Gross, un ingegnere elettrico dell'Università del Wisconsin-Madison. Un inverter di formazione della rete può iniettare tensione in una rete e quindi regolare la sua frequenza in base alla quantità di potenza che scorre attraverso il sistema. Altre fonti di elettricità che fluiscono nella rete, i piccoli anatroccoli, possono quindi sincronizzarsi con l’inverter che forma la rete, proprio come hanno fatto con il flusso di elettricità che pulsava dalle centrali elettriche.