CONTINUIAMO SU ENERGIA UTILE | SILVIO PETACCIA INTERVISTA IL PROF. MARCO MACCIONI UNIVERSITA’ SAPIENZA DI ROMA

Redazione-  Abbiamo visto in precedenza come l’energia sia fondamentale per la vita ed in particolare nella societa’ umana. (si veda intervista precedente)

Ci siamo  basati molto  sulla  combustione del  carbone, petrolio, e gas  naturale,  un  poco di nucleare di fissione ed idroelettrico delle grandi dighe. Possiamo oggi aumentare il vento ed i pannelli solari  ma  bastera’ a  coprire le esigenze di una  societa’ energivora con  miliardi  di persone in un pianeta inquinato?

Come  fare? Il dibattito politico e sociale prima  che  scientifico-ingegneristico segue le mode del momento ma le esigenze sono reali.

Vogliamo dare un contributo divulgativo che  possa chiarire un punto di vista tecnico rivolto alla persona cittadino normale del mondo

Il petrolio per esempio, estratto dal sottosuolo, e’ un deposito energetico che viene trasportato e bruciato, cioe’  usato. Con  una  reazione chimica con  ossigeno dell’aria  diventa  pero’  gas serra, anidride carbonica, oltre che  altri residui inquinanti. La Terra ha accumulato petrolio per milioni  di  anni  e negli  ultimi  250   anni  lo  stiamo usando  a  nostro  piacere, ma  abbiamo evidentemente esagerato. Di idrogeno gassoso non  abbiamo miniere, ma  questo non  e’ un problema perche’ il processo di scomposizione della acqua ci  puo’  dare tutto idrogeno che vogliamo, visto che di acqua Gaia il nostro bel pianeta ne e’ piena. Basta moltiplicare gli impianti modulari.

Ripassando la scomposizione per idrolisi, ricordiamo che si richiede oltre acqua anche energia elettrica. Questa puo’ essere generata in vari modi.  Puo’ essere prodotta con  i pannelli solari in modo sostenibile.

Sappiamo produrla molto bene ed il sole e’ gratis ogni giorno. Certo il sole irraggia solo in certe ore  del giorno ma  nulla vieta di stoccare l’idrogeno in quel momento e di notte non  farlo.  In fondo se prendiamo una  nota fonte rinnovabile come una  centrale idroelettrica abbiamo un bacino idrico,  un  lago in  alto,  una  diga  che  chiude e regola il flusso di caduta in  modo che quando vogliamo aprendo facciamo cadere acqua sulla turbina che girando in accoppiamento con  un alternatore abbiamo energia elettrica.

Invece se abbiamo un surplus di energia elettrica facciamo girare una  pompa azionata da  un motore elettrico e con essa riportiamo acqua nel bacino idrico in alto, che sara’ utile in seguito. Poi la natura quando piove ci ricarica il lago gratis.

Abbiamo anche le biomasse , come la legna, che attraverso la reazione chimica di ossidazione brucia e ci fornisce calore che usato in una caldaia con acqua produce vapore sotto pressione che  fa girare la turbina. Abbiamo anche anidride carbonica, ma il bilancio tra  quella rilasciata mentre brucia e quella  tolta dall’atmosfera  con  la fotosintesi  mentre l’albero  cresceva  è in equilibrio.

Dopo la scoperta dell’energia elettrica, indipendentemente da come viene prodotta l’uomo la usa  per una vasta molteplicità di scopi, come energia secondaria, e la distribuisce in maniera capillare con  una rete elettrica gigantesca. Chiediamo al prof.  Marco  Maccioni alcune domande proprio sul sistema elettrico

1) Ci spiega Professore cos’è e come viene gestito il sistema elettrico di una nazione?

Per prima  cosa voglio dire che sono molto contento di questa domanda, perché, sembrerà strano, viviamo ormai immersi nell’energia elettrica ma solo in pochi hanno una qualche idea del modo in cui ogni singola utenza elettrica sia alimentata. Inoltre, spesso non si ha contezza del fatto che quando si parla  di rete elettrica si parla  di un sistema a livello nazionale, anzi nel caso europeo sovranazionale, che  obbliga quindi a ragionare a un livello ben  più generale rispetto al piccolo mondo in cui ciascuno di noi vive e opera.

In generale, il sistema elettrico nazionale è un’infrastruttura complessa e vitale, che comprende tutte le componenti necessarie per generare, trasmettere, distribuire e utilizzare energia elettrica. È un’entità dinamica e interconnessa, la cui gestione efficiente è cruciale per il funzionamento quotidiano di un Paese.

Le componenti principali di un sistema elettrico sono:

• Sistema di generazione: è il sistema in cui ha luogo la produzione di energia elettrica, attraverso centrali di tipo tradizionale (termoelettriche, idroelettriche, nucleari) o impianti basati su fonti rinnovabili come i fotovoltaici e gli eolici.
• Sistema di trasmissione: è il sistema ad alta e altissima tensione per Il trasporto dell’energia elettrica su lunghe distanze. Il sistema ha dimensione nazionale e, in Italia, la sua gestione è affidata a Terna S.p.A., che  agisce come Gestore del Sistema di Trasmissione, garantendone la stabilità e monitorando costantemente frequenza e tensione per  prevenire blackout.
• Sistema di distribuzione: è l’interfaccia tra la trasmissione e gli utenti finali. L’energia parte dalle sottostazioni di trasmissione e arriva ai punti di consumo finali, attraverso reti a media e bassa tensione. Il sistema è in realtà formato da tanti sistemi, ciascuno a livello locale e gestito da un Gestore del Sistema di Distribuzione. In Italia il gestore più grande

è E-distribuzione, ce ne sono poi altri come, ad esempio, a-reti a Roma e Unareti a

Milano, tutti  operano in regime di concessione locale e sono responsabili della

manutenzione delle reti e della gestione dei contatori.

• Sistema di utilizzazione: è formato dagli impianti delle utenze finali dei consumatori, che  oggi includono anche i “prosumer”, ovvero clienti che  non solo consumano energia, ma la producono anche, spesso da fonti rinnovabili,  e possono immetterla nella rete o immagazzinarla.

Oltre ai sistemi sopracitati, ci sono le interconnessioni con  l’estero, che collegano direttamente un sistema elettrico nazionale con  quelli di altre nazioni.  Ad esempio, l’Italia ha linee di interconnessione con  Francia, Svizzera, Austria,  Slovenia, Grecia e Montenegro. Attraverso le interconnessioni il sistema diventa sovranazionale, per  cui ad esempio in Europa noi siamo  parte di un unico  sistema elettrico, che va dal Portogallo fino in Turchia.

Storicamente, in Italia, il sistema era un monopolio verticalmente integrato, dominato dall’ENEL. Con il Decreto Bersani del 1999, c’è stata una profonda liberalizzazione, che  ha aperto i mercati della produzione e della vendita a operatori privati, introducendo la concorrenza. Le attività di trasmissione e distribuzione, invece, sono rimaste monopoli naturali regolamentati, data la loro natura di servizio pubblico essenziale.

La gestione operativa di un sistema elettrico è molto  complessa e riguarda molti aspetti, che in questa sede non è possibile affrontare. Però il principio fondamentale su cui si basa è semplice: l’equilibrio istantaneo tra la potenza generata e quella consumata. Qualsiasi squilibrio  si manifesta con  una variazione della frequenza di rete. Per mantenere questo equilibrio, si utilizzano meccanismi di regolazione della frequenza e della tensione e l’attività di dispacciamento (cioè il controllo dei flussi di potenza), gestita da Terna, che coordina in tempo reale tutti  gli elementi del sistema. Per dare un’idea delle dimensioni del sistema, la lunghezza complessiva delle linee elettriche del sistema di trasmissione e di quello di distribuzione supera il milione di km, mentre la potenza assorbita dal sistema di utilizzazione, e quindi generata dal sistema di generazione e importata tramite le interconnessioni con l’estero, sfiora  i 60 GW.

Quello che  mi preme maggiormente che  venga capito è che  quando si parla di sistema, con  la sua  gestione, i suoi costi, le migliorie che vi si possono apportare e così via, si deve ragionare su larga scala, assumendo una visione “di sistema” appunto, non rimanere nel particolare. Una soluzione che ha un effetto positivo su una porzione molto  limitata del sistema non ha effetti a livello globale, e addirittura la sua  adozione su larga scala potrebbe rivelarsi globalmente svantaggiosa.

2) Una grande penetrazione delle fonti  rinnovabili non programmabili come eolico e fotovoltaico che problematiche introduce alla gestione del sistema elettrico? Quali sono invece i vantaggi che spingono all’utilizzo di eolico e fotovoltaico?

Partirei prima  dai vantaggi. L’eolico e il fotovoltaico sono infatti  un motore fondamentale per la transizione energetica globale sotto molti aspetti, come:

• Benefici Ambientali e Climatici: non producono emissioni di gas serra (CO2) né inquinanti atmosferici durante il funzionamento, contribuendo in modo cruciale alla lotta contro il cambiamento climatico e al miglioramento della qualità dell’aria.
• Indipendenza Energetica e Sicurezza dell‘Approvvigionamento: utilizzando risorse interne (vento e sole), le nazioni riducono la dipendenza dai combustibili fossili importati, rafforzando la sicurezza energetica e mitigando l’esposizione alla volatilità dei prezzi internazionali.
• Costi e Competitività: una volta costruiti, il “combustibile” è gratuito, portando a costi di esercizio molto bassi, quasi nulli. Negli ultimi anni, i costi di installazione e produzione sono diminuiti drasticamente, rendendoli sempre più competitivi.1
• Innovazione e Sviluppo Economico: la transizione energetica stimola la ricerca, lo sviluppo e l’innovazione in settori ad alta tecnologia (stoccaggio, smart grid, intelligenza artificiale), creando nuove opportunità economiche e posti di lavoro nel settore delle energie pulite.
• Decentralizzazione della Produzione: il fotovoltaico, in particolare, consente una produzione di energia più distribuita sul territorio, riducendo le perdite di trasmissione e aumentando la resilienza del sistema.1

D’altronde, tenendo bene in mente il principio fondamentale dell’equilibrio istantaneo tra la potenza generata e quella consumata, l’integrazione su larga scala di fonti rinnovabili non programmabili come l’eolico e il fotovoltaico introduce diverse problematiche nella gestione del sistema elettrico:

• Intermittenza e Variabilità della Generazione: la produzione di queste fonti dipende dalle condizioni meteorologiche (vento e sole), rendendola intrinsecamente variabile e difficile da prevedere con precisione. Questo complica il mantenimento del bilanciamento istantaneo tra domanda e offerta, fondamentale per la stabilità della rete.
• Necessità di Flessibilità e Capacità di Riserva: per compensare le rapide fluttuazioni

della produzione rinnovabile, è indispensabile disporre di centrali “programmabili” (spesso a gas  o idroelettriche a bacino e di pompaggio) che possano aumentare o diminuire rapidamente la loro produzione. Questo può  comportare costi operativi più elevati per il sistema.

• Gestione dei Flussi di Potenza nei Sistemi di Distribuzione: le tradizionali reti di distribuzione sono state progettate per  flussi unidirezionali, dalla rete verso l’utente. L’installazione nelle reti di distribuzione di generazione distribuita da rinnovabili introduce flussi bidirezionali, richiedendo un ammodernamento delle infrastrutture e

l’adozione di “smart grid” per  gestire queste complessità e prevenire sovraccarichi locali.

• Stabilità e Qualità del Sistema di Trasmissione: le centrali tradizionali contribuiscono all’inerzia del sistema e forniscono servizi ancillari (controllo di tensione e frequenza). Le rinnovabili, connesse tramite inverter, non offrono intrinsecamente gli stessi servizi, il che può ridurre drasticamente l’inerzia complessiva del sistema e renderlo più sensibile ai disturbi. Un esempio è il recente blackout in Spagna: da quanto comunicato

ufficialmente dal Gestore del Sistema di Trasmissione spagnolo, la causa è stata

l’assenza di risorse sufficienti di regolazione della tensione, poiché non era in servizio un numero adeguato di centrali tradizionali.

• Costi di Rete e Investimenti: l’adeguamento delle infrastrutture di trasmissione e distribuzione per accogliere grandi quantità di rinnovabili intermittenti richiede investimenti significativi.

3) Quali sono le principali tipologie di sistemi di accumulo e il loro ruolo  nella  gestione delle rinnovabili in un sistema elettrico a livello nazionale, cioè su larga  scala? (A questa domanda corrisponde una risposta in cui non si parla bene degli accumuli elettrochimici e di idrogeno a larga  scala, a causa dei loro costi elevati)

Il ricorso su larga  scala a sistemi di accumulo dell’energia è stato e tuttora viene proposto come una  misura fondamentale per mitigare la variabilità delle fonti rinnovabili e bilanciare la rete elettrica. Ne esistono diverse tipologie:

• Accumulo Elettrochimico (Batterie): queste tecnologie, di cui l’esempio principale sono oggi le batterie agli ioni di litio, convertono l’energia elettrica in energia chimica. Sono ideali per  l’accumulo a breve e medio  termine, essenziali per il bilanciamento giornaliero delle fluttuazioni di solare ed eolico, la gestione dei picchi  di carico e la fornitura di servizi ancillari rapidi come la regolazione di frequenza e tensione. Tuttavia, per  l’approvvigionamento energetico su larga scala o per  durate prolungate, le batterie agli ioni di litio sono considerate troppo costose. La loro scalabilità economica per applicazioni in sistemi a livello nazionale, con energie di accumulo dell’ordine dei terawattora, è molto  limitata, e i costi iniziali rimangono elevati. Questo richiama l’ultimo concetto espresso nella risposta alla prima  domanda: le batterie possono essere una buona soluzione per  l’impianto fotovoltaico di un singolo prosumer, ma ad oggi la loro adozione su larga  scala sarebbe dannosa, poiché aumenterebbe di molto i costi di gestione dell’intero sistema.
• Accumulo Meccanico:

○    Pompaggio Idroelettrico: è la tecnologia di accumulo su larga  scala di gran  lunga più diffusa a livello mondiale. Utilizza l’energia elettrica in eccesso per pompare acqua da un bacino inferiore a uno superiore, rilasciandola poi per generare elettricità quando serve. Offre grande capacità, tempi di risposta rapidi e un’efficienza elevata, spesso superiore all’80%. È generalmente più economica per capacità di stoccaggio molto  grandi rispetto ad altre soluzioni. L’unico limite risiede nel fatto che l’installazione di un pompaggio è vincolata alle caratteristiche del territorio.

○    Aria Compressa (CAES): L’energia elettrica in eccesso viene usata per comprimere aria in caverne sotterranee. L’aria compressa viene poi rilasciata per alimentare turbine. L’efficienza varia tra il 42% e il 70%.

○   Volani (Flywheels): Immagazzinano energia cinetica in dischi  rotanti ad alta

velocità. Offrono tempi di risposta estremamente rapidi,  ideali per  servizi di rete a brevissimo termine, ma sono costosi e non adatti per l’accumulo su larga  scala a lungo  termine.2

• Accumulo Termico: converte l’energia elettrica in calore (o freddo) per conservarla in materiali isolati, utilizzata principalmente per la gestione della domanda di calore/freddo in edifici e processi industriali.
• Accumulo Elettrico (Supercondensatori): immagazzinano energia in un campo elettrico. Forniscono energia molto rapidamente ma con una densità energetica bassa, adatti per applicazioni che  richiedono elevate potenze per brevi durate.
• Accumulo Chimico (Idrogeno): L’energia elettrica in eccesso viene utilizzata per produrre idrogeno tramite elettrolisi. L’idrogeno può essere immagazzinato e successivamente riconvertito in elettricità o utilizzato come vettore energetico in altri settori. Sebbene sia promettente per l’accumulo di energia a lunghissima durata e su larga scala, è una tecnologia ancora in fase emergente e con costi elevati. L’efficienza di andata e ritorno dei sistemi basati sull’idrogeno è generalmente intorno al 40-50%, significativamente inferiore a quella delle batterie o dell’idroelettrico a pompaggio. Inoltre, i componenti di potenza associati ai sistemi a idrogeno sono generalmente molto più costosi rispetto ad altre opzioni di accumulo.3

In sintesi, per la gestione delle rinnovabili su larga  scala, i sistemi di accumulo meccanico del tipo idroelettrico a pompaggio si distinguono per la loro capacità, efficienza e costi più contenuti per  grandi volumi di energia.  Le batterie e l’idrogeno, pur avendo ruoli importanti in altre applicazioni, basti pensare al quantitativo di batterie ricaricabili attualmente vendute, presentano ancora sfide significative in termini di costi per l’accumulo su scala nazionale e a lungo  termine.

4) Quale può  essere allora  il ruolo  dell’idrogeno nella  gestione del sistema elettrico?

Ritorniamo sul principio fondamentale dell’equilibrio tra carico e generazione. Un modo per attuarlo è accumulare l’energia prodotta in eccedenza rispetto al carico e rilasciarla quando è il carico a essere maggiore della generazione. In questo senso, abbiamo visto che l’accumulo più conveniente su larga scala è l’idroelettrico di pompaggio, non le batterie e nemmeno l’idrogeno. Esiste però un altro modo per  garantire l’equilibrio, variando il carico elettrico in funzione della generazione. Una cosa del genere richiede carichi flessibili, che  cioè possono essere regolati (aumentati, diminuiti o addirittura staccati) in funzione della generazione. Vengono spesso proposti come carichi flessibili elettrodomestici (pensiamo a lavatrici, frigoriferi, scaldabagni, condizionatori) o veicoli elettrici quando sono attaccati alla rete elettrica per essere ricaricati. Senza scendere troppo nel dettaglio, ci sono due  motivazioni fondamentali che per me vanno contro queste proposte. La prima è una motivazione di paradigma: il sistema elettrico ha la funzione di alimentare il carico, deve essere quindi adeguato al carico elettrico; se avviene il contrario, cioè che il carico viene adeguato alla

generazione, questo deve avvenire col minore impatto possibile (idealmente nullo) sull’utenza. Detto in termini semplici, non poter usare in certi momenti della giornata un elettrodomestico o non ricaricare l’auto  elettrica perché la generazione non lo consente è un passo indietro nello sviluppo della nostra società. La seconda motivazione è che, ragionando su larga scala, occorre aggregare e coordinare un grande numero di carichi flessibili, cosa non semplice da un punto di vista tecnico e con alti costi di attuazione, inoltre senza avere la certezza che tutti i carichi offrano la flessibilità richiesta (vi prego di fare  caso che, molto spesso, quando si valuta  l’impatto della flessibilità dei carichi non si fa menzione dei costi di attuazione e dell’incertezza). Tenendo in mente queste due motivazioni, vediamo che

funzione potrebbe avere l’idrogeno come carico flessibile. Innanzitutto, la produzione annuale di idrogeno a livello nazionale per  uso  industriale è molto  grande, in Italia nel 2024 siamo intorno alle 830000 tonnellate. Produrne una parte rilevante con  grossi elettrolizzatori direttamente connessi al sistema di trasmissione introdurrebbe pochi ma grossi carichi elettrici, facilmente regolabili in funzione della aleatorietà della generazione rinnovabile. Questo è molto importante se si ragiona a larga  scala, perché bastano pochi ma grandi

carichi per  avere un effetto molto grande sul sistema. Inoltre, poiché la domanda di idrogeno ad uso  industriale non è istantanea come quella di un elettrodomestico (molto  banalmente, uso la lavatrice quando ho bisogno di lavare i panni), ma basta garantire la produzione di quantitativi sufficienti di idrogeno in assegnati intervalli di tempo, che possono essere anche settimane, l’impatto sull’utenza è praticamente nullo. Anche se il rendimento di questo sistema non è elevato, il fatto di usare combustibile a costo zero unito alla grande flessibilità offerta si può  tradurre in un sistema vantaggioso. A titolo di esempio e per chi fosse interessato a questo aspetto, ho realizzato un articolo a congresso internazionale che mette in evidenza come, in un sistema elettrico fortemente dominato da energie rinnovabili, utilizzare come carico flessibile elettrolizzatori per la produzione di idrogeno destinato ad alimentare autoveicoli sia molto più conveniente, in termini di costi totali del sistema, di sfruttare la flessibilità delle ricariche di veicoli elettrici, nonostante il rendimento dei veicoli elettrici sia molto  maggiore di quello dei veicoli a idrogeno1.

L’unico ostacolo attuale a questa proposta è la difficoltà di realizzare elettrolizzatori di potenza apprezzabile su larga  scala, cioè dell’ordine delle centinaia di MW.

5) Che ne pensa delle comunità energetiche rinnovabili?

Prima di tutto vorrei fare  una descrizione generale di cosa sono le comunità energetiche rinnovabili, abbreviate con l’acronimo CER, e della funzione che in teoria possono svolgere. Le CER nascono come modello innovativo di aggregazione di produttori e consumatori di energia da fonti rinnovabili, con l’obiettivo primario di

generare benefici ambientali, economici e sociali per  i suoi membri e per le aree locali,

1 F. M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni and L. Nati, “Integration of Passenger Road Transport in a Fully Renewable Electric Power System Dominated by Variable Generation,” 2022 IEEE 7th International Energy Conference (ENERGYCON), Riga, Latvia, 2022, pp. 1-6.

piuttosto che profitto finanziario. Tra le loro principali  potenzialità si annoverano la significativa riduzione delle emissioni di CO2, il risparmio sui costi energetici per  i partecipanti grazie a un robusto sistema di incentivi e agevolazioni, e il rafforzamento della coesione sociale, anche attraverso il contrasto alla povertà energetica. La loro natura non-profit è una caratteristica distintiva che orienta l’utilizzo dei surplus economici verso la comunità stessa, ad esempio attraverso il reinvestimento in nuovi impianti,  misure di efficienza energetica o progetti sociali, o la redistribuzione ai membri  per ridurre i costi  energetici. Ciò significa che,  sebbene la massimizzazione del profitto sia esclusa come obiettivo primario, la sostenibilità finanziaria e la distribuzione dei benefici economici sono elementi abilitanti essenziali per il raggiungimento di obiettivi ambientali e sociali più ampi.

Un vincolo geografico fondamentale che hanno le CER prevede che tutti  i consumatori e i produttori che la formano debbano essere ubicati nell’area i cui punti  di connessione alla rete elettrica nazionale (POD) sono sottesi alla medesima cabina elettrica primaria. Una cabina primaria è un punto di interfaccia tra il sistema di trasmissione e quello di distribuzione, e da una cabina primaria origina  un sistema di distribuzione in media tensione. Sebbene questa restrizione limiti la scala e l’impatto delle CER a livello di una cittadina o di una porzione di cittadina (per  fare  tre esempi pratici derivanti dalla mia esperienza diretta, in una cittadina di piccole dimensioni come San Severino Marche c’è un’unica cabina primaria, in una cittadina di medie dimensioni come Terni ci sono tre cabine primarie, in una grande città come Roma ci sono ottanta  cabine primarie), si deve tenere in conto che nel recente passato il limite era  ancora più stringente, cioè la cabina secondaria, che è invece un punto di un sistema di distribuzione in media tensione da cui origina  un sistema di distribuzione  in bassa tensione (in sostanza, un sistema di distribuzione in bassa tensione è un sottosistema di un sistema di distribuzione in media tensione, ad esempio a Roma ci sono ottanta cabine primarie, come detto prima,  e più di tredicimila cabine secondarie). Questo adeguamento normativo evidenzia l’inadeguatezza di CER

troppo piccole, al livello di cabine secondarie, e suggerisce che in un futuro prossimo il limite possa essere allargato ancora di più, che è un mio auspicio. Infatti, sempre assumendo una visione “di sistema”, a larga  scala, l’impatto di una CER sul sistema elettrico è tanto più grande quanto più ampia è la porzione di sistema su cui la CER agisce, tenendo però in mente che al crescere delle dimensioni della CER crescono le difficoltà di gestione ed esercizio, nonché i relativi costi. Secondo la mia modesta opinione, quindi, lo sviluppo delle CER e l’importanza che queste possono assumere nel sistema sono strettamente legate al trovare il loro giusto dimensionamento, in termini  di potenza e di numero di utenti. In sostanza, ci troviamo ancora nella fase in

cui si deve comprendere bene come massimizzare i benefici di questo strumento, bisogna quindi prevedere la possibilità di evolvere facilmente il quadro normativo e di non porre, almeno per  il momento, troppi vincoli burocratici, allo scopo di snellire  i processi autorizzativi e di accesso agli incentivi.

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