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Il settore energetico si sta evolvendo rapidamente. Le fonti rinnovabili stanno rimpiazzando i metodi tradizionali di produzione elettrica. In questo nuovo scenario il problema principale è la mancanza di flessibilità di approvvigionamento: le risorse energetiche si sposteranno progressivamente verso sud e – secondo l’elaborazione BIP basata sugli scenari Snam-Terna – nell’estate del 2040 le regioni del Sud Italia contribuiranno per il 47% (244 TWh) all’offerta elettrica nazionale complessiva da FER, rispetto all’attuale 26% (30 TWh). Allo stesso tempo, aumenterà lo squilibrio di domanda energetica tra regioni settentrionali e meridionali con una differenza percentuale rispettivamente del 65% e del 35%.
Le reti dovranno, inoltre, gestire le nuove sfide della congestione energetica: secondo la simulazione BIP sullo scenario Snam-Terna, nei mesi invernali del 2040 la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili non sarà sufficiente a soddisfare la domanda, soprattutto nelle regioni settentrionali; mentre in primavera-estate potrebbe accadere che la produzione da fonti rinnovabili sia molto superiore ai consumi locali.
Per risolvere questo squilibrio è nato l’Osservatorio Sector Coupling and Digital for Energy Transition di BIP con lo scopo di approfondire gli strumenti innovativi di flessibilità offerti dal Sector Coupling: un concetto di integrazione dei sistemi energetici e di tutti gli attori al fine di garantire l’ottimizzazione globale della rete energetica.
Coinvolgimento dell’utente finale nelle operazioni del sistema energetico
Nel futuro prossimo i TSO (Transmission System Operator) non saranno i soli coinvolti nella stabilità della rete. Infatti, le responsabilità saranno divise tra gli operatori delle centrali elettriche, i DSO (Distribution System Operator) e gli utenti, i quali forniranno al TSO gli strumenti di flessibilità adeguati per un sistema basato su un mix di generazione energetica.
Il modo per raccogliere, elaborare e condividere i dati cambierà radicalmente, così da consentire a tutti gli attori di velocizzare il processo decisionale di gestione della rete.
Grazie a questo strumento utile ad aumentare la flessibilità sarà possibile:
- Moltiplicare in modo esponenziale il numero di transazioni energetiche tra gli operatori energetici;
- Promuovere la necessità di accedere a dati aperti, non discriminatori e non manomessi sulla produzione in tempo reale, sulla domanda e sulla saturazione dei nodi. In tal modo è possibile consentire a ogni partecipante attivo di prendere decisioni informate e basate su dati concreti;
- Introdurre nuovi attori (ad esempio gli aggregatori di domanda) che faranno leva sugli asset degli utenti finali e dei consumatori per vendere una gamma innovativa di servizi di flessibilità, come i V2G, agli operatori di rete;
Per raggiungere tali risultati, però, è necessario investire nella digitalizzazione, la quale permette agli attori in gioco di interagire tramite il carburante immateriale del sistema energetico nel 2050: l’informazione.
Integrazione dei vettori energetici
Attualmente ogni vettore energetico (elettricità, gas naturale, combustibili liquidi ecc…) è venduto da una filiera univoca e destinato ad un singolo uso finale. Se il riscaldamento domestico e la cottura dei cibi richiedono soprattutto gas naturale, la mobilità richiede combustibili fossili liquidi, e così via. Ciò è necessario per semplificare e ottimizzare ogni filiera energetica. Si pensi, ad esempio, alle caldaie a gas naturale, le quali hanno permesso la diffusione di una rete estesa di gasdotti.
Oggi, però, nessuno fa leva sulla complementarietà dei vettori energetici anche se l’associazione tra questi ultimi e gli usi finali sta scomparendo.
Il punto di vista di BIP sull’accoppiamento settoriale
Il punto di vista BIP identifica due dimensioni complementari per descrivere gli effetti delle integrazioni tra utenti e vettori energetici segregati.
- L’accoppiamento settoriale dal lato dell’offerta: cioè l’integrazione della catena del valore dell’elettricità con altri vettori energetici. Questo ha lo scopo di trasferire l’energia nel tempo e nello spazio per separare la produzione e il consumo della stessa.
Infatti, l’integrazione dell’energia elettrica rinnovabile con altri vettori energetici è fondamentale per la decarbonizzazione di settori difficili da cambiare e facilmente elettrificabili. Per fare ciò si devono utilizzare tecnologie come P2X (conversione dell’elettricità in altre forme di energia) e X2P (processo di riconversione).
- L’accoppiamento del settore degli usi finali: comprende l’elettrificazione diretta dei consumi finali e l’integrazione di operatori esistenti e nuovi attori per la gestione flessibile della rete elettrica. Questo permette il passaggio degli utenti finali da consumatori passivi a prosumer attivi. Tuttavia, è necessario un maggiore coordinamento e condivisione delle informazioni per gestire l’aumento delle fonti rinnovabili nel mix energetico.
La Commissione Europea ha avviato il processo di integrazione del valore dell’elettricità con i regolamenti 943 e 944 del 2019, per ristrutturare i mercati elettrici nazionali. Definiscono le responsabilità dei diversi attori e il meccanismo di accesso al mercato per i nuovi partecipanti. Promuovono l’adozione delle tecnologie digitali per il coordinamento e la condivisione dei dati tra tutti gli attori.
Casi d’uso del Sector Coupling analizzati da BIP
Bip ha individuato una serie di use cases in cui il sector coupling potrebbe essere utilizzato.
- Aggregazione della domanda e BSP: ossia la creazione di una centrale elettrica virtuale gestita dal BSP (Balancing Service Provider) per offrire servizi di flessibilità al TSO nazionale. Il ruolo dei BSP è regolare gli asset gestiti in base alle esigenze della rete tramite la modifica dei profili di consumo, l’utilizzo di opzioni di stoccaggio e offrendo sul mercato l’energia prodotta da sistemi rinnovabili
- V1G e V2G: I veicoli elettrici possono essere utilizzati come soluzioni di stoccaggio e possono contribuire alla risoluzione delle congestioni attraverso il paradigma Vehicle-to-Grid
- Cogenerazione di calore e pompe di calore: le pompe di calore consentono la decarbonizzazione del riscaldamento domestico, convertendo la generazione da fonti rinnovabili in calore. L’uso combinato di impianti di cogenerazione e teleriscaldamento rappresenta una soluzione comune per l’integrazione dei settori elettrico e del riscaldamento.
- Energia a idrogeno per lo stoccaggio stagionale: l’aumento delle energie rinnovabili porterà a uno squilibrio annuale tra domanda e produzione, che può essere affrontato convertendo l’eccesso di elettricità in idrogeno per lo stoccaggio stagionale grazie alla sua facilità di immagazzinamento e trasporto.
- Energia a idrogeno per il bilanciamento della rete: l’uso dell’elettrolizzatore per la produzione di idrogeno può risolvere gli squilibri a breve termine nella rete elettrica, assorbendo il sovraccarico o offrendo capacità aggiuntiva per la domanda.
- Carburanti elettronici e syngas: i carburanti sintetici, prodotti a partire da idrogeno e carbonio, possono essere utilizzati come alternativa all’idrogeno per l’accumulo di energia e il trasporto. Inoltre, i synfuels rappresentano una soluzione per la decarbonizzazione di settori difficili da abbattere, come il settore marittimo e dell’aviazione.
- Cattura e utilizzo del carbonio (CCU): le tecnologie di cattura del carbonio utilizzano l’elettricità per catturare la CO2 dai processi industriali o rimuovere la CO2 dall’aria. La CO2 catturata può essere utilizzata per la produzione di synfuels, creando un percorso circolare all’interno del settore energetico.
Il framework di BIP per l’analisi dei casi d’uso
Affinché il sector coupling sia efficace devono intervenire tre fattori cardine: quelli tecnologici abilitanti, gli abilitanti digitali e i requisiti normativi. Per questo motivo ogni caso d’uso sarà analizzato da Bip seguendo queste tre dimensioni: tecnologie infrastrutturali, abilitanti digitali e requisiti normativi.
Fattori tecnologici abilitanti
Sono degli apparati fisici che permettono lo sviluppo del sector coupling. Stiamo parlando di sistemi come quelli per l’energia rinnovabile: pannelli solari, turbine eoliche e sistemi idroelettrici; cioè sistemi che producono energia introducibile nella rete e distribuita ad altri settori come i trasporti e gli edifici.
Proprio la distribuzione dell’energia dovrà essere gestita in modi nuovi: le batterie, anche quelle dell’auto, dovranno essere in grado di immagazzinare l’energia e immetterla nella rete. Inoltre, tra i fattori tecnologici abilitanti, si sta sviluppando l’uso dell’idrogeno: le a combustibile, utilizzate per l’immagazzinamento, permetteranno l’ingresso dell’energia prodotta da questo gas nella rete, come accade per le auto elettriche. Ma questo non basta, sarà necessario sviluppare anche le tecnologie CCU (carbon capture use and storage) in grado di raccogliere la CO2 e trattenerla così da favorire la decarbonizzazione.
Fattori abilitanti digitali
Consentono di ottimizzare la gestione del sistema energetico ma per funzionare hanno bisogno di dati in tempo reale così da ottimizzare i flussi di energia. Tra le tante soluzioni ci sono le reti intelligenti che permettono di integrare le fonti di energia rinnovabile con la rete elettrica tradizionale. Il processo di confluenza potrà essere ottimizzato dagli EMS (Energy Management System) grazie al monitoraggio costante dell’energia elettrica negli edifici e nelle industrie evitando gli sprechi. Ma per garantire una migliore efficienza è possibile la creazione di un gemello digitale: un simulatore che replica esattamente un edificio o una fabbrica in modo da prevedere e evitare la dissipazione dell’energia.
Tutte queste soluzioni vengono garantite da una serie di tecnologie come, ad esempio, l’Internet degli oggetti (IoT), in grado di collegare vari dispositivi e sensori in diversi settori: l’energia, i trasporti e gli edifici. L’IoT, attualmente, può essere potenziato grazie all’uso dell’intelligenza artificiale, indispensabile per analizzare il grande afflusso di dati che serve per gestire la rete. Infine, le blockchain che rendono possibile il commercio peer-to-peer di energia in eccesso.
In conclusione, l’adozione di tecnologie di accoppiamento settoriale e di soluzioni digitali possono favorire l’integrazione dell’elettricità rinnovabile nel mix energetico e accelerare la transizione verso un sistema basato al 100% su fonti rinnovabili.
Tuttavia, senza una regolamentazione e delle politiche adeguate per lo sviluppo sarà complesso promuovere i nuovi modelli di business nel settore. Le autorità regolamentari definiscono i ruoli degli attori per consentire e gestire la partecipazione degli utenti e imponendo l’adozione di strumenti di accoppiamento settoriale. La competitività dei nuovi modelli dipende dall’evoluzione di questi fattori.
Il ruolo di Bip nello sviluppo del Sector Coupling
Bip ha sviluppato un quadro di riferimento per identificare e valutare i casi d’uso del Sector Coupling, e di come essi interagiscono per sviluppare un sistema energetico net zero, resiliente e flessibile. Le prossime pubblicazioni approfondiranno i casi d’uso più promettenti secondo il quadro di valutazione BIP, offrendo una visione originale del futuro dell’energia.