Come la trasformazione delle città in "Città Solari" può cambiare il futuro dell'energia rinnovabile in India

La crescente domanda di energia, unita alla necessità di ridurre l'impatto ambientale, ha spinto diversi Paesi, tra cui l'India, ad adottare soluzioni energetiche sostenibili. In particolare, l'iniziativa che punta alla creazione di "città solari" sta trasformando il panorama energetico e urbanistico delle metropoli indiane. Queste città, che possono essere sia capitale di stato che destinazioni turistiche di rilievo, sono progettate per soddisfare la totalità della domanda di energia attraverso fonti rinnovabili, con un forte accento sull'energia solare.

Una delle misure centrali di questa iniziativa è l'esenzione dei costi per la trasmissione interstatale e per le perdite associate alla vendita di energia tra stati, applicata ai progetti di energia solare e eolica commissionati fino al 30 giugno 2023. Questo intervento mira a incentivare la produzione e la distribuzione di energia rinnovabile in tutto il Paese, abbattendo le barriere economiche per le aziende e favorendo l'espansione di impianti solari e eolici.

Inoltre, l'India ha lanciato il programma Pradhan Mantri Kisan Urja Suraksha evam Utthaan Mahabhiyan (PM-KUSUM), un piano che non solo mira a garantire la sicurezza energetica e idrica per gli agricoltori, ma anche a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, come il diesel, nel settore agricolo. Questa iniziativa consente agli agricoltori di generare reddito aggiuntivo attraverso l'installazione di impianti solari, con l'obiettivo di incorporare 30,8 GW di capacità solare, supportata da finanziamenti centrali superiori a ₹34.000 crore.

L'India ha anche intrapreso progetti di larga scala attraverso l'iniziativa "Development of Solar Parks and Ultra Mega Solar Power Projects", mirando a una capacità complessiva di 40 GW entro marzo 2024. Ad oggi, circa 9,2 GW sono già stati installati in questi parchi solari, e i progetti continuano a crescere. Parallelamente, il programma RTS Phase-II ha fissato l'ambizioso obiettivo di raggiungere una capacità di 40 GW di impianti solari fotovoltaici installati sui tetti entro il 2022, un traguardo che ha già superato le aspettative, con 5,87 GW realizzati fino ad oggi.

A supporto di questa transizione, sono stati avviati progetti che coinvolgono 12 GW di impianti solari fotovoltaici a rete, gestiti da enti governativi e aziende pubbliche, con oltre 8,2 GW già autorizzati. Inoltre, le città indiane hanno visto l'installazione di circa 1,45 lakh di luci stradali solari e la distribuzione di oltre 9,14 lakh di lampade solari per lo studio, mentre le agenzie statali hanno riferito l'installazione di 2,5 MW di impianti solari.

Come sarà possibile integrare le energie rinnovabili nella rete elettrica del futuro?

Dopo l’Accordo di Parigi del 2016, la corsa globale all’adozione delle energie rinnovabili, in particolare solare ed eolica, ha raggiunto una velocità senza precedenti. Secondo lo scenario 450 delineato dall’Agenzia Internazionale dell’Energia, entro il 2040 quasi il 60% dell’energia elettrica globale sarà generata da fonti rinnovabili, con il fotovoltaico e l’eolico che costituiranno circa la metà di questa quota. Tuttavia, la sola riduzione dei costi di produzione per queste tecnologie non sarà sufficiente per raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette (NZE) entro il 2050. Il sistema elettrico, per accogliere l’integrazione massiva delle rinnovabili, richiede trasformazioni strutturali nella pianificazione, progettazione e gestione operativa.

L’adozione di solare ed eolico fino a un livello del 25% del mix energetico risulta gestibile nella progettazione dei sistemi. Tuttavia, a livelli superiori di penetrazione, la variabilità e l’intermittenza tipiche di queste fonti pongono sfide significative. Diventa allora essenziale l’integrazione di sistemi di accumulo su scala di rete e meccanismi di risposta della domanda. Le batterie assumono un ruolo strategico: immagazzinano l’energia prodotta in eccesso durante i picchi di generazione rinnovabile, e la rilasciano durante le ore di scarsa disponibilità o alta domanda. Tra il 2022 e il 2030 si prevede un incremento superiore al 4000% nell’adozione dello storage a batteria su scala di rete. Altre tecnologie, come sistemi gravitazionali, accumulo termico o volani, sono in fase di sviluppo avanzato e promettono di integrare l’offerta di flessibilità del sistema.

Le politiche energetiche post-Covid hanno consolidato la centralità degli investimenti nel settore elettrico, con una netta prevalenza verso le fonti rinnovabili e le infrastrutture di rete. L’integrazione nella rete elettrica di queste fonti non è più solo un obiettivo tecnico, ma un imperativo strategico globale. Il sistema energetico del futuro sarà sempre più decentralizzato, digitale e dinamico. Per realizzarlo, occorre un’accelerazione simultanea su più fronti: generazione distribuita, accumulo, reti intelligenti e mobilità elettrica.

Il veicolo elettrico non rappresenta soltanto un’alternativa pulita al trasporto basato sui combustibili fossili. Esso diventa parte integrante dell’ecosistema energetico: un carico mobile, una risorsa di stoccaggio distribuita, un nodo attivo nella gestione della rete. La sua integrazione implica una pianificazione complessa delle modalità di ricarica, limiti minimi e massimi di potenza, consumo durante il viaggio, e la gestione del SOC (State of Charge) per bilanciare domanda e offerta energetica.

Allo stesso tempo, le centrali idroelettriche a pompaggio (PHS), le centrali mini-idroelettriche e le bioenergie con combustione programmata svolgono un ruolo stabilizzante. La potenza disponibile, i limiti operativi, i tassi di pompaggio e rilascio, le efficienze delle turbine e dei generatori: tutti questi parametri devono essere armonizzati in un sistema complesso che risponda in tempo reale alla domanda e alla disponibilità energetica.

Le variabili binarie che indicano lo stato operativo dei sistemi di accumulo, le modalità di carica e scarica dei veicoli elettrici, le funzioni di penalizzazione economica per la sottostima della produzione solare o eolica: sono tutti strumenti di modellazione avanzata che permettono di progettare sistemi resilienti, flessibili e ottimizzati.

Ciò che diventa essenziale per il lettore è

Come Ottimizzare l'Integrazione delle Energie Rinnovabili nel Sistema Elettrico: Tecnologie e Strategie Avanzate

L'integrazione delle ER nella rete richiede anche l'uso di convertitori elettronici di potenza, i quali, essendo dispositivi non lineari, possono introdurre armoniche nel sistema, degradando la qualità della potenza. Per minimizzare questo impatto, i moderni inverter dotati di interruttori IGBT e tecnica di modulazione a larghezza di impulso (PWM) sono progettati per produrre un'uscita più pulita, con meno armoniche. Inoltre, l'uso di strategie di controllo avanzate e dispositivi ausiliari appropriati può ulteriormente migliorare la qualità della potenza. Tecniche come filtri armonici, dispositivi FACTS, sistemi di accumulo di energia, trasformatori a tensione costante, soppressori di sovratensioni e trasformatori di isolamento sono installati per ridurre le disturbi legati alla qualità della potenza. Tra i dispositivi FACTS recentemente utilizzati vi sono DVR, STATCOM, DSTATCOM, SSSC, SVC, TCSC e UPFC, che contribuiscono a migliorare la qualità della potenza, il fattore di potenza, le oscillazioni delle grandezze elettriche e le cadute di tensione.

La natura intermittente della produzione di energia dalle ER porta con sé un notevole grado di incertezza, un aspetto che può compromettere la stabilità e l'affidabilità delle reti integrate. Per mitigare queste incertezze, vengono impiegate moderne tecniche di computing morbido, strumenti di ottimizzazione e algoritmi di controllo avanzato, che aiutano a garantire una gestione efficiente dell'energia, riducendo al minimo i rischi associati alla variabilità delle risorse. L'uso di sistemi di accumulo di energia (ESS) è una delle soluzioni più promettenti, poiché permette di accumulare l'energia in eccesso generata durante i periodi di bassa domanda e di rilasciarla quando la domanda è più alta, equilibrando così la rete e migliorando la qualità della potenza.

Gli ESS possono essere utilizzati anche per altre funzioni di supporto alla rete, come la regolazione della frequenza, la riserva di energia e il supporto in caso di emergenze o guasti. Un'innovazione interessante è l'integrazione dei veicoli elettrici (EV) come dispositivi di accumulo virtuale. Un parco di veicoli elettrici, connessi alla rete in modalità V2G (veicolo alla rete), può fungere da dispositivo di regolazione della frequenza, migliorando la stabilità e l'affidabilità della rete elettrica distribuita.

Un altro concetto che sta guadagnando terreno è la risposta della domanda (DR), una strategia che consente di gestire la domanda sul lato del consumatore piuttosto che sul lato della generazione. La DR consente una maggiore flessibilità per gestire le fluttuazioni nella produzione di energia dalle ER, riducendo la necessità di riserve e contribuendo a mantenere l'equilibrio della rete in tempo reale. L'uso di tecnologie ICT avanzate ha reso possibile il monitoraggio e il controllo della domanda su larga scala, aprendo la strada a un nuovo paradigma, dove la domanda si adatta dinamicamente all'offerta di energia.

L'interconnessione di risorse distribuite, invece di concentrarle in singoli impianti, riduce gli effetti negativi dell'intermittenza e migliora l'affidabilità della rete. Quando una vasta rete di piccoli impianti di ER è distribuita su una vasta area geografica, le variazioni locali della produzione non influiscono significativamente sulla disponibilità complessiva di energia, riducendo l'impatto dell'intermittenza. Questo approccio facilita una gestione più stabile ed efficiente delle risorse rinnovabili, contribuendo a ottimizzare l'integrazione nella rete.

Infine, la transizione verso una Smart Grid rappresenta un passo fondamentale per migliorare la capacità della rete di integrare un'alta percentuale di energie rinnovabili variabili. L'introduzione di tecnologie digitali, come i sistemi di monitoraggio in tempo reale, le applicazioni IoT e l'analisi predittiva basata sull'intelligenza artificiale, renderà la rete più intelligente, reattiva e in grado di gestire in modo efficace i flussi di energia provenienti dalle risorse distribuite, sostenendo così la diffusione delle energie rinnovabili nel panorama energetico globale.

Come l’energia solare può essere immagazzinata e trasformata: sistemi CSP, STPVS e STEG nel futuro dell’efficienza energetica

Nel sistema CSP, la luce solare viene concentrata da specchi parabolici su un ricevitore dove l’energia è convertita in calore e immagazzinata sotto forma di energia termica. Questo calore, trasportato da fluidi termovettori (HTF), alimenta turbine a vapore generando elettricità. Nei sistemi convenzionali, l’acqua come HTF risulta inadatta in climi freddi per via del punto di congelamento; per questo motivo, i CSP vengono spesso accoppiati con sistemi PPC (Phase Change Materials Power Coupling), che

Come la temperatura influisce sull'efficienza delle celle fotovoltaiche e l'importanza della tecnologia PVT

Le celle fotovoltaiche (PV) sono soggette a una serie di fenomeni fisici che influenzano la loro efficienza operativa, tra cui la produzione di energia termica causata da diversi meccanismi interni. In particolare, la non-absorzione di fotoni con energia inferiore alla banda di gap del materiale, la ricombinazione radiativa o Auger delle coppie di elettroni, e l'effetto Joule sulla corrente che passa attraverso la resistenza al livello della giunzione p-n, sono tra i principali fattori responsabili della riduzione dell'efficienza elettrica quando la temperatura aumenta. È noto che l’efficienza delle celle fotovoltaiche diminuisce con l’aumento della temperatura operativa. Questo implica che, man mano che il materiale si riscalda, la produzione di energia elettrica diminuisce. Sono stati proposti numerosi modelli analitici per esprimere la dipendenza dell’efficienza elettrica dalla temperatura di esercizio.

Il motivo principale per cui l’aumento della temperatura operativa riduce la potenza generata da una cella fotovoltaica è legato a una serie di fenomeni fisici che avvengono al suo interno. Prima di tutto, le vibrazioni termiche nella struttura del semiconduttore, sotto forma di fononi, aumentano, causando una dispersione laterale delle particelle e collisioni aggiuntive tra le particelle portatrici di carica. Inoltre, la tensione interna alla giunzione p-n diminuisce, riducendo così la capacità di separare gli elettroni dalle lacune e abbassando la differenza di potenziale. Questo comporta una generazione di corrente più debole. Un altro effetto rilevante è la riduzione della mobilità dei portatori di carica, che diminuisce con l'aumento della temperatura. La mobilità è la capacità delle particelle cariche di muoversi sotto l’effetto di un campo elettrico, e varia in funzione del tipo di portatore (elettrone o lacuna) e della concentrazione di drogaggio del materiale.

Per contrastare questi effetti negativi, è stata sviluppata la tecnologia PVT (fotovoltaico-termico), che combina i vantaggi dei tradizionali sistemi fotovoltaici e termici. I collettori PVT sono in grado di produrre simultaneamente energia elettrica e termica, aumentando così l’efficienza complessiva del sistema solare. I collettori fotovoltaici tradizionali convertono l’energia solare in energia elettrica, ma una parte dell’energia solare viene persa sotto forma di calore, riducendo l’efficienza complessiva del sistema. I collettori termici solari, d’altra parte, convertono l’energia solare in calore per riscaldare l’acqua o l’aria. Combinando entrambe le tecnologie in un unico sistema, la tecnologia PVT sfrutta il calore in eccesso prodotto dalle celle fotovoltaiche, migliorando l’efficienza complessiva.

Un aspetto significativo della tecnologia PVT è il miglioramento del tasso di conversione dell’energia solare. L’uso di pannelli fotovoltaici e termici ibridi consente di ridurre le perdite di calore, aumentando la capacità operativa del collettore solare. Inoltre, la combinazione di energia elettrica e termica rende i sistemi PVT ideali per una varietà di applicazioni, inclusi il riscaldamento degli ambienti, la produzione di acqua calda sanitaria e l’integrazione in sistemi di riscaldamento a distanza, nonché nel raffreddamento solare assistito, un'applicazione particolarmente utile in ambienti con temperature elevate.