Abbiamo bisogno di elettricità pulita e stabile per un sistema energetico decarbonizzato
Se vogliamo decarbonizzare, avremo bisogno di molta più elettricità. E se vogliamo farlo con successo, in modo economico e affidabile, dobbiamo utilizzare ogni tipo di tecnologia energetica a zero emissioni di carbonio a nostra disposizione.
Per decarbonizzare la rete, dobbiamo sostituire gli attuali sistemi a combustibili fossili non smaltiti con energia pulita, oltre a colmare il vuoto lasciato dalle centrali nucleari che vanno in pensione, e poi raddoppiare o triplicare questo totale per soddisfare la domanda incrementale derivante dall'elettrificazione nei settori dei trasporti, residenziale, commerciale e industriale. Negli Stati Uniti, questa duplice sfida richiederà una produzione otto volte superiore a quella attualmente coperta da fonti a zero emissioni di carbonio (Figura 1).1
L'eolico, il solare e l'accumulo di batterie saranno probabilmente una pietra miliare di questa futura rete elettrica ampliata, ma probabilmente non potremo fare affidamento solo su di essi, poiché dipendono dalle condizioni atmosferiche - variando la produzione di un fattore di due o più a seconda dell'ora, del giorno e della stagione - e non sono disponibili su richiesta per soddisfare il carico di elettricità.2 Anche se fossimo in grado di fornire tutta o quasi tutta la nostra elettricità da queste fonti, il mantenimento dell'affidabilità e il contenimento dei costi in un sistema di questo tipo richiederà probabilmente quantità sostanziali di energia a zero emissioni di carbonio non dipendente dalle condizioni atmosferiche e sempre disponibile, cioè energia pulita e continua.
Studi accademici e industriali dimostrano costantemente che il raggiungimento di questa transizione in modo tempestivo e conveniente dipende dalla possibilità di consentire alle tecnologie di generazione pulita di integrare l'eolico, il solare e lo stoccaggio nel mix elettrico. Queste fonti includono l'energia geotermica, la combustione dell'idrogeno, la biomassa e il gas con cattura dell'anidride carbonica e l'energia nucleare.3 Sono in grado di fornire elettricità a qualsiasi ora del giorno e in qualsiasi giorno dell'anno, indipendentemente dalla stagione o dal clima.
La generazione pulita di energia da fonte fissa è fondamentale per la transizione energetica per ragioni che vanno oltre l'affidabilità. Eccone cinque:
1. L'energia pulita e continua riduce la necessità di una capacità eccessiva di energia eolica e solare.
Un sistema elettrico senza generazione fissa e dispacciabile richiede che la capacità eolica e solare sia dimensionata per soddisfare il maggior carico stagionale e giornaliero. Durante i periodi di picco dell'eolico e del solare, questo comporta una generazione in eccesso rispetto a quella necessaria per bilanciare il carico. Una parte di questa produzione in eccesso potrebbe essere utilizzata per rifornire lo stoccaggio e per generare idrogeno tramite elettrolisi. Tuttavia, gran parte di questo eccesso di offerta verrebbe probabilmente ridotto (cioè spento di proposito). Ad esempio, la Figura 3 mostra la riduzione storica dell'energia eolica e solare nel sistema del California Independent System Operator ("CAISO").4 Questa capacità installata in eccesso di energia eolica e solare sarebbe costosa, utilizzerebbe più terra e minerali critici e aumenterebbe i requisiti di trasmissione - tutte sfide significative descritte più avanti.
2. L'energia pulita e continua riduce la necessità di una capacità di stoccaggio costosa, raramente utilizzata e di lunga durata.
Lo stoccaggio di breve durata può in genere fornire elettricità per periodi di 4 ore. Tuttavia, è probabile che in un anno tipico si verifichino periodi di carenza prolungati, da diversi giorni a addirittura mesi (Figura 4).5 Pertanto, lo stoccaggio deve essere dimensionato in base al picco di carica annuale richiesto, non al picco di domanda giornaliera. In questo esempio, per colmare il "gap energetico" e mantenere l'affidabilità del sistema senza energia pulita di rete, sarebbe necessario installare un'ampia capacità di stoccaggio (33 TWh di stoccaggio) per far fronte al periodo di carenza di 68 giorni. Questo accumulo richiederebbe un'ampia infrastruttura ad alto costo, la maggior parte della quale viene utilizzata solo una volta all'anno.
3. L'energia pulita e continua riduce il chilometraggio e la quantità di nuove linee di trasmissione dacostruire.
A causa della natura dispersa dei generatori rinnovabili variabili, ogni cluster, e occasionalmente i singoli impianti, richiedono una linea di trasmissione per connettersi alla linea di trasmissione principale ("bulk"). Uno studio recente della California ha rilevato che una rete che si affida esclusivamente a fonti variabili disperse che devono essere bilanciate triplicherebbe la quantità di linee di trasmissione necessarie rispetto a un sistema con energia pulita e stabile, come l'energianucleare6 , eppure la California sta attualmente autorizzando solo poche linee di questo tipo per decennio, con tempi di attesa medi recenti di 10 anni.7 Tempi di attesa simili, lunghi un decennio, sono stati osservati nel Regno Unito.8 La pianificazione e la costruzione di queste linee di trasmissione richiedono tempo, e la maggior parte degli enti di pianificazione della trasmissione non sono stati attrezzati, dotati di personale o finanziati in modo adeguato per valutare queste richieste di interconnessione in modo efficiente. I costi di questi aggiornamenti infrastrutturali rendono inoltre incerto il costo finale del progetto, ma è probabile che aumenti con l'esaurimento dei siti migliori con un accesso più facile alle linee di trasmissione, il che potrebbe compensare qualsiasi ulteriore diminuzione dei costi delle tecnologie eoliche e solari.
4. L'energia pulita e continua riduce la dipendenza da un ampio e consistente spostamento della domanda per mantenere l'affidabilità.
La natura variabile dell'energia eolica e solare nel corso della giornata richiederebbe una trasformazione del modo in cui utilizziamo l'elettricità. Nella rete attuale, la generazione di elettricità viene regolata durante il giorno per soddisfare la nostra domanda. In una rete eolica e solare senza generazione continua, deve essere vero il contrario: anche con un alto grado di accumulo, dovremmo regolare la nostra domanda per seguire i modelli di generazione giornaliera di vento e sole. Questa è spesso chiamata "flessibilità della domanda" e comprende misure industriali, commerciali e residenziali come la riduzione della produzione delle fabbriche nei periodi in cui c'è poco sole o poco vento, il controllo dei tempi di ricarica dei veicoli elettrici e l'accensione/spegnimento del riscaldamento, del raffreddamento e della refrigerazione per adeguarsi alla generazione.
Sebbene questo sia teoricamente possibile, richiederebbe un'immensa quantità di supervisione operativa e un grado non dimostrato di partecipazione della società e di modifiche comportamentali, unitamente a politiche governative rigorose. L'inclusione di una generazione pulita e stabile nel mix della rete riduce drasticamente la dipendenza da queste misure di flessibilità della domanda, in quanto è in grado di aumentare l'offerta di elettricità per soddisfare la domanda, come fa la generazione fossile e nucleare esistente nella nostra rete attuale.
5. L'energia pulita e ferma aumenta la velocità della transizione energetica
Per mitigare i peggiori effetti del cambiamento climatico è necessario decarbonizzare rapidamente il sistema energetico e soddisfare la nostra domanda di energia con le sole energie rinnovabili ritarderebbe la transizione a causa del numero enorme di progetti che dovrebbero essere sviluppati e localizzati per installare una capacità eolica e solare sufficiente. La localizzazione diventerà sempre più difficile con l'aumento della capacità cumulativa dell'eolico e del solare, a causa della concorrenza tra gli usi del suolo, del minor numero di proprietari di terreni disponibili, della crescente distanza dalla trasmissione di massa e della crescente opposizione da parte dell'opinione pubblica (Figura 5), come illustrato più avanti.
Per essere chiari, non si tratta di un dibattito tra imprese pulite e rinnovabili variabili. Abbiamo bisogno di entrambe. La combinazione di fonti rinnovabili pulite con l'eolico e il solare ridurrebbe il costo totale della transizione e l'orizzonte temporale del 60-110% (a seconda dello studio di modellazione e delle specifiche e ipotesi dello scenario).10 Ad esempio, uno studio dell'EPRI del 2021 ha rilevato che uno scenario al 100% di fonti rinnovabili costerebbe da 500 a 800 miliardi di dollari in più rispetto a uno scenario tecnologicamente diversificato a emissioni nette zero, rispettivamente per gli orizzonti temporali del 2050 e del 2035.11 Uno studio sui percorsi per l'elettricità al 100% senza emissioni di carbonio in California ha armonizzato le ipotesi di tre diversi modelli e ha rilevato che l'integrazione dell'eolico, del solare e dello stoccaggio con la generazione pulita fissa potrebbe ridurre i costi del sistema di rete elettrica pulita fino alla metà (Figura 6).12
Riuscire a soddisfare la domanda di energia elettrica, decarbonizzando al contempo la rete e mantenendo l'affidabilità, sarà una sfida enorme, che sottolinea la necessità di energia pulita e stabile per integrare le fonti rinnovabili variabili. Per far fronte a questa sfida, abbiamo bisogno di tutte le fonti energetiche prive di carbonio che riusciamo a reperire. Ciò significa investire in nuovi percorsi privi di carbonio e allo stesso tempo sostenere le fonti energetiche prive di carbonio esistenti come parte del nostro portafoglio di soluzioni energetiche pulite.
1 Dati tratti da Eric Larson et al., Università di Princeton, Net-Zero America: Potential Pathways, Infrastructure, and Impacts, relazione intermedia (2020), https://netzeroamerica.princeton.edu/img/Princeton_NZA_Interim_Report_15_Dec_2020_FINAL.pdf.
2 Si veda in generale Dan Tong et al., Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide, Nature Commc'n, Oct. 22, 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-26355-z
3 Da una revisione di 7 studi nazionali è emerso che la quota media di energia pulita di impresa è pari al 35% del mix di generazione a zero. The NorthBridge Group , Review and Assessment of Literature on Deep Decarbonization in the United States: Importance of System Scale and Technological Diversity 11 (2021), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2021/06/21092235/NorthBridge_Deep_Decarbonization_Literature_Review.pdf
4 U.S. EIA, California's curtailments of solar electricity generation continue to increase, Today in Energy, (Aug. 24, 2021), https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=49276
5 Jesse Jenkins, Università di Princeton (2019), analisi non pubblicata eseguita per CATF, disponibile su richiesta.
6 Si veda Jane Long, et al, Clean Firm Power is the key to California's Carbon-Free Energy Future, Issues in Science and Technology (2021), https://www.edf.org/sites/default/files/documents/LongCA.pdf.
7 Alex Breckel et al., Growing the Grid: A Plan to Accelerate California's Clean Energy Transition (2022), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2022/10/11081420/growing-grid-plan-accelerate-californias-clean-energy-transition.pdf
8 Gil Plimmer, Renewables projects face 10-year wait to connect to electricity grid, Financial Times (8 maggio 2022) https://www.ft.com/content/7c674f56-9028-48a3-8cbf-c1c8b10868ba
9 CATF, sulla base di un lavoro non pubblicato di Lucid Catalyst; la cifra è disponibile su richiesta.
10 Si veda, ad esempio, Nestor Sepulveda et al., The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation, Joule, Oct. 17, 2018, https://www.researchgate.net/publication/327480033_The_Role_of_Firm_Low-Carbon_Electricity_Resources_in_Deep_Decarbonization_of_Power_Generation; Christopher Clack, Bipartisan Policy Center, Modeling Renewable Energy, Clean Technologies and Electrification for Deep Decarbonization Future (2019), https://vibrantcleanenergy.com/wp-content/uploads/2019/05/BPPC-VCE_RevCF-_31May2019.pdf; Ejeong Baik et al, What is different about different net-zero carbon electricity systems?, Energy & Climate Change Jul. 10, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666278721000234; James Williams et al., Carbon Neutral Pathways for the United States, AGU Advances, Jan. 14, 2021, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020AV000284; e Jamil Farbes et al., Evolved Energy Research, Federal Policy for Low-Carbon, High-Renewables Electricity (2020), file:///Users/toddwarshawsky/Downloads/Policy_LowCarbonElectricity_20201111.pdf
11 Geoffrey Blanford et al., Electric Power Rsch. Inst., Powering Decarbonization: Strategies for Net-Zero CO2 Emissions (2021), https://www.epri.com/research/products/3002020700.
12 Baik et al., nota 21, pag. 5.
