Demand Response: come trasformare l’energia in opportunità

Nuovo webinar gratuito Enel X e Rinnovabili dedicato ai servizi di “risposta alla domanda” per i consumatori commerciali e industriali.

Demand response, quali i vantaggi economici?

(Rinnovabili.it) – Il settore elettrico europeo è in piena trasformazione. L’aumento delle rinnovabili non programmabili, la progressiva elettrificazione dei consumi e l’uscita di scena dei vecchi impianti fossili stanno mutando profondamente il sistema. Ma soprattutto stanno sfidando la stabilità e flessibilità di rete. Uno degli strumenti impiegati per contribuire a mantenerne il buon funzionamento è il demand responde. Di cosa si tratta? Della possibilità di adeguare la domanda di energia all’offerta. I programmi di demand reponse offrono ai consumatori l’opportunità di svolgere un ruolo significativo nel funzionamento della rete elettrica. Durante i periodi di punta e in risposta a segnali di mercato, gli utenti possono infatti mettere a disposizione energia autoprodotta o ridurre i propri consumi, in cambio di una remunerazione o altre forme di incentivi finanziari.

Il demand response è stato il tema centrale del nuovo webinar gratuito di Enel X in collaborazione con Rinnovabili.it. Il seminario ha offerto un momento di approfondimento sulle potenzialità a livello nazionale dei servizi di “risposta alla domanda”.

Demand response, MSD e UVAM: il contesto regolatorio italiano

Oggi in Italia i servizi di Demand Response consentono agli utenti commerciali e industriali di dare una mano alle regolazione elettrica partecipando al mercato dei servizi di dispacciamento (MSD). Tre anni fa con la Delibera 300/2017/R/EEL dell’ARERA,Terna ha aperto per la prima volta l’MSD a progetti pilota che includessero nuovi soggetti e nuove risorse. Parliamo di impianti di piccola taglia e con una produzione non programmabile, carichi e sistemi di accumulo. 

Attualmente, le Unità Virtuali Abilitate Miste (UVAM) rappresentano  la forma di aggregazione di riferimento in Italia, qualificate a partire da dicembre 2018 (Delibera 422/2018/R/EEL). Si tratta di aggregati su base geografica di uno o più consumatori e/o piccoli impianti di generazione (accumulo compreso), gestiti da un unico soggetto chiamato BSP, Balance Service Provider. In questo caso gli utenti possono fornire flessibilità attraverso una modulazione dei consumi o della produzione.

In cambio delle risorse offerte al mercato, l’UVAM riceve oltre all’ordinaria remunerazione legata all’energia attivata (€/MWh) e derivata dalla movimentazione sul MSD, anche un premio fisso (espresso in €/MW/anno) direttamente proporzionale alla risorsa (capacità) resa disponibile, e aggiudicato tramite asta.

Nel dettaglio, Terna si approvvigiona a termine delle risorse delle UVAM mediante un’asta al ribasso pay as bid rispetto ad un premio fisso di riserva su base annuale pari a 30.000 €/MW. Il Balance Service Provider selezionato si impegna a presentare, nel periodo di validità, offerte a salire nel mercato di bilanciamento a prezzi non superiori allo Strike Price (400 €/MWh) per almeno quattro ore consecutive tra le ore 14:00 e le ore 20:00 di tutti i giorni dal lunedì al venerdì.

Ovviamente le UVAM devono rispondere a preciso requisiti tecnici, come vantare una potenza massima di controllo pari a 1 MW e aver la capacità di sostenere la modulazione per 2 ore consecutive. E devono poter modulare in riduzione il prelievo (o incremento di immissione) entro 15 minuti dalla ricezione dell’ordine di dispacciamento di Terna.

Enel X, così il demand response fa il giro del mondo

Quando si parla di demand response, Enel X può vantare il titolo di maggiore operatore mondiale. Oggi infatti la società gestisce, in qualità di BSP, 11 programmi di “risposta alla domanda” in altrettante nazioni, con 30 operatori di rete e utility. Parliamo di oltre 6.000 MW di capacità flessibile, proveniente da più di 14.000 siti commerciali e industriali, di cui oltre 500 MW solo in Italia.

I servizi Enel X si avvalgono di software appositamente sviluppati, esperti dedicati e processi ottimizzati. Nel dettaglio, l’azienda utilizza una piattaforma intelligente tecnologicamente avanzata, che sfrutta algoritmi di ottimizzazione tecnica/economica in grado di massimizzare i ricavi per il cliente e la sicurezza per il gestore di rete. Per partecipare al programma l’utente deve inviare periodicamente la previsione di consumo/autoproduzione e la disponibilità alla modulazione per identificare la fascia oraria di prestazione del servizio.

Durante il webinar sono stati presentati 4 business case riguardarti: 

• Un cliente industriale dotato di un impianto di cogenerazione. La modulazione viene effettuata esclusivamente come incremento della potenza elettrica, nella porzione eccedente ai fabbisogni del cliente. 
• Un cliente privo di impianti di autoproduzione (la modulazione viene effettuata come riduzione dei prelievi elettrici con azione diretta sul processo di consumo)
• Una rete di teleriscaldamento urbano a servizio di edifici residenziali e del settore terziario. La modulazione viene effettuata con i cogeneratori installati in centrale e solo nella stagione calda.
• UVAM composta da 3 siti: due consumatori e un autoproduttore. La modulazione viene effettuata sia con la riduzione del consumo di processo che tramite incremento della produzione.

Per ogni caso è stato valutata potenza modulabile, remunerazione prevista e tipo di prestazione. La società sta anche lavorando ad alcuni progetti pilota per utilizzare stazioni di ricarica auto all’interno delle UVAM e, in collaborazione con RSE, sperimentare l’aggregazione di clienti residenziali.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

leggi anche Fotovoltaico in perovskite, i punti quantici raggiungono un’efficienza record

L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.