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Che cosa sono le risorse energetiche distribuite (DER)?
Data di pubblicazione: 4 giugno 2024
Collaboratori: Alice Gomstyn, Alexandra Jonker
Che cosa sono le risorse energetiche distribuite (DER)?
Le risorse energetiche distribuite, o DER, sono sistemi energetici su piccola scala che alimentano una località vicina. Le DER possono essere collegate a reti elettriche o isolate, con l'energia che fluisce solo verso funzioni o siti specifici.
Le DER comprendono sia le tecnologie di generazione dell'energia, sia i sistemi di accumulo di energia. Quando la produzione di energia avviene attraverso risorse energetiche distribuite, si parla di produzione distribuita.
Sebbene i sistemi DER utilizzino una serie di fonti energetiche, spesso sono associati alle tecnologie delle energie rinnovabili, come i pannelli solari sui tetti e le piccole turbine eoliche.
L'utilizzo di DER offre numerosi vantaggi. Le risorse energetiche distribuite che generano energia attraverso fonti energetiche rinnovabili spesso non producono emissioni, mentre le DER alimentate a gas naturale producono emissioni inferiori rispetto ad altri sistemi alimentati a combustibili fossili. Questo consente la decarbonizzazione.
Le DER migliorano inoltre la resilienza del sistema energetico: le DER possono aiutare a integrare le centrali elettriche centrali nei momenti di aumento della domanda di elettricità e avere funzione di fonte di energia di riserva quando eventi meteorologici estremi danneggiano l'infrastruttura delle utenze.
Quali sono le tecnologie e i sistemi DER più comuni utilizzati per la produzione di energia?
Le tecnologie DER comprendono sia i sistemi tradizionali basati sui combustibili fossili, sia le tecnologie energetiche più recenti e più pulite. I primi includono motori a combustione alimentati a benzina e diesel, che producono livelli elevati di emissioni di gas serra. Le tecnologie più pulite con emissioni inferiori o nulle includono:
I sistemi solari fotovoltaici, o pannelli solari e celle solari, vengono utilizzati sempre più come DER. A livello globale, tra il 2019 e il 2021 sono stati installati 167 gigawatt di impianti solari fotovoltaici distribuiti.1
Le turbine eoliche DER sono note anche come impianti eolici distribuiti. Gli impianti eolici distribuiti variano in termini di dimensioni e capacità di produzione di energia elettrica. Possono variare da meno di 1 kilowatt, che può alimentare parti di attrezzature, a 100 kilowatt, che possono alimentare un intero sito industriale.
Le celle a combustibile generano elettricità attraverso un processo termochimico che coinvolge combustibili come l'idrogeno. Sebbene la maggior parte dell'idrogeno utilizzato per le celle a combustibile sia prodotto dalla combustione di gas naturale, può anche essere prodotto utilizzando energia rinnovabile, nota come "idrogeno verde". Le celle a combustibile a idrogeno sono utilizzate in alcuni veicoli elettrici e possono essere presenti in alcune centrali elettriche.
La cogenerazione è la produzione simultanea di energia elettrica e calore da un'unica fonte energetica. Conosciuta anche come cogenerazione di calore ed elettricità o CHP, la tecnologia di cogenerazione può funzionare con combustibili fossili, come il gas naturale, o combustibili basati su energie rinnovabili, come la biomassa.
Le microturbine sono piccoli motori a combustione che funzionano con biogas, gas naturale, propano e altre fonti di combustibile. La maggior parte ha le dimensioni di un frigorifero e produce tra i 15 e i 300 kilowatt di elettricità. Nonostante questa produzione relativamente bassa, se raggruppate possono alimentare interi impianti, come gli impianti per il trattamento delle acque reflue.2
Quali tecnologie di accumulo dell'energia vengono utilizzate come risorse energetiche distribuite?
L'accumulo dell'energia consiste nell'acquisizione e nella conservazione dell'energia come riserva per l'uso futuro. Esempi di tecnologie di accumulo dell'energia utilizzate come risorse energetiche distribuite includono:
L'accumulo a batteria è la forma più comune di accumulo di elettricità. Mentre i servizi di pubblica utilità hanno spesso i loro grandi sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS), i BESS più piccoli, chiamati anche "dietro il contatore", possono essere collocati nelle proprietà dei consumatori di energia. Si prevede che le installazioni di BESS residenziali raggiungeranno una capacità di 20 gigawattora entro il 2030.3
I veicoli elettrici (EV) possono funzionare come risorse energetiche distribuite quando sono collegati alle stazioni di ricarica. Attraverso la tecnologia vehicle-to-grid (V2G), l'energia inutilizzata immagazzinata nella batteria del veicolo elettrico può essere immessa in una rete elettrica. I progetti energetici V2G si sono sviluppati di recente in numerosi Paesi tra cui Germania, Regno Unito e Stati Uniti.
Gli scaldabagni elettrici per uso residenziale possono avere funzione di batteria termica, immagazzinando energia sotto forma di calore. Il calore inutilizzato può essere "scaricato" come energia nelle reti elettriche. Alcuni operatori di rete utilizzano già gli scaldabagni elettrici a scopo di accumulo, mentre i politici e i ricercatori, dall'Australia a New York, stanno incoraggiando una più ampia adozione degli scaldabagni elettrici come risorse energetiche distribuite.
Come funzionano i sistemi DER in combinazione con le reti elettriche?
Sebbene la DER possa servire solo siti specifici, può anche essere collegata alle reti energetiche locali attraverso un processo noto come interconnessione. L'interconnessione avviene attraverso mezzi sia amministrativi, sia tecnici: i proprietari delle risorse DER devono presentare domanda alle aziende di servizi di pubblica utilità per garantirsi l'interconnessione, ma devono anche garantire di disporre della corretta tecnologia di supporto. Tale tecnologia comprende dispositivi noti come inverter.
Gli inverter convertono l'elettricità di corrente continua (CC) in corrente alternata (CA). Numerose unità DER, come gli impianti solari ed eolici, generano elettricità a corrente continua (CC), mentre la maggior parte della trasmissione e distribuzione dell'energia avviene attraverso l'elettricità a corrente alternata (CA). Gli inverter convertono l'elettricità CC generata dalle risorse DER in elettricità CA che può essere trasmessa attraverso le reti elettriche.
Alcuni sistemi DER immettono energia in reti più grandi dopo essere prima collegati alle microreti, ossia reti su piccola scala che forniscono energia elettrica alle aree locali. Una o più tecnologie DER comprendono solitamente una microrete. Oltre a funzionare in combinazione con le tradizionali reti elettriche su larga scala, le microreti possono funzionare anche in "modalità isola", nel senso che funzionano in modo autonomo.
Le risorse DER possono inoltre essere aggregate in reti energetiche note come centrali elettriche virtuali (VPP). I fornitori di energia e gli operatori di sistema possono sfruttare le VPP per soddisfare la domanda di elettricità quando le loro forniture sono insufficienti.
I sistemi DER offrono una serie di vantaggi per le persone e per il pianeta intero.
Fornendo energia ai punti di consumo nelle vicinanze, il sistema DER aiuta a ridurre la perdita di energia che si verifica solitamente quando l'elettricità scorre attraverso le linee di trasmissione. Inoltre, il sistema DER consente una gestione dell'energia più efficiente attraverso programmi di risposta alla domanda: i servizi di pubblica utilità offrono incentivi ai clienti del settore energetico a spostare il loro consumo di energia e consentono alle aziende di accedere ai sistemi DER dei clienti per soddisfare la domanda di elettricità.
I consumatori con sistemi DER possono produrre energia meno cara per uso proprio o ricevere dei crediti sulla bolletta per la fornitura dell'energia alle loro reti locali, una pratica nota come net metering (scambio sul posto). Il sistema DER è conveniente anche per le aziende elettriche: integrando il sistema DER nei loro sistemi, possono evitare i costi associati allo sviluppo di nuove infrastrutture energetiche.
Molte risorse energetiche distribuite sono alimentate da energia rinnovabile o idrogeno, con conseguenti emissioni inferiori rispetto alla produzione di energia basata sul petrolio e sul carbone.
Il cambiamento climatico ha aumentato la frequenza di eventi meteorologici estremi e disastri naturali, che possono danneggiare l'infrastruttura elettrica, causando interruzioni di corrente e disservizi. Le risorse energetiche distribuite aumentano la resilienza del sistema energetico, offrendo opzioni di accumulo per la produzione di energia quando le centrali elettriche centralizzate sono colpite.
Nonostante i vantaggi derivanti dalle risorse energetiche distribuite, sia i consumatori sia gli operatori di rete incontrano delle sfide nell'adozione dei sistemi DER.
Sebbene i sistemi DER possano ridurre i costi energetici a lungo termine, i costi per l'installazione delle risorse energetiche distribuite come le celle a combustibile e gli array fotovoltaici possono ammontare a migliaia di dollari, un prezzo proibitivo per alcuni consumatori. Gli incentivi governativi, come crediti d'imposta e sussidi, possono aiutare a coprire i costi iniziali.
Le reti elettriche e i sistemi di distribuzione costruiti nel 1900 non sono stati progettati per supportare il flusso bidirezionale, ossia il flusso di elettricità dalle centrali elettriche situate in posizione centrale ai consumatori e il flusso di elettricità dai DER di proprietà dei consumatori verso una rete. Pertanto, le reti possono essere sopraffatte dall'elettricità proveniente dai DER, creando congestione della rete ed esponendo le aree a rischio di blackout. Un maggiore coordinamento tra gli stakeholder del sistema energetico, inclusi regolatori, operatori di rete e consumatori, e l'applicazione di tecnologie di rete intelligenti potrebbero aiutare ad affrontare queste sfide.
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Risorse
La capacità di immagazzinare energia può ridurre l’impatto ambientale della produzione e del consumo di energia e facilitare l’espansione delle energie pulite e rinnovabili.
Le microreti sono reti elettriche su piccola scala che funzionano in modo indipendente per produrre elettricità per un’area localizzata, come ad esempio un campus universitario, un complesso ospedaliero o una base militare.
La tecnologia delle reti intelligenti promette di modernizzare il sistema elettrico tradizionale con un’iniezione di intelligenza digitale.
I contatori intelligenti sono dispositivi digitali che misurano e registrano in tempo reale il consumo di elettricità, gas o acqua e trasmettono le informazioni alle società di servizi di pubblica utilità.
L’infrastruttura di misurazione avanzata (AMI) è un sistema integrato di rete fissa che consente la comunicazione bidirezionale tra le aziende di servizi pubblici e i clienti.
La gestione dell’energia consiste nel monitoraggio, controllo e ottimizzazione proattivi del consumo energetico di un’organizzazione per preservare l’uso e ridurre i costi.
Note a piè di pagina
1 "Unlocking the Potential of Distributed Energy Resources" (link esterno a ibm.com), AIE, 2022.
2 "Renewable Energy Fact Sheet: Microturbines" (link esterno a ibm.com). US Environmental Protection Agency, agosto 2013.
3 "Enabling renewable energy with battery energy storage systems" (link esterno a ibm.com), McKinsey & Company, 2 agosto 2023.