Una fornitura sicura di elettricità da energie rinnovabili può avere successo solo se si modernizza anche l’infrastruttura di rete. Presso l’Energy Science Centre (ESC), i ricercatori sono alla ricerca di modi intelligenti per rendere la rete elettrica adatta alla transizione energetica senza costosi ampliamenti.
Negli ultimi mesi la Svizzera ha intrapreso un percorso importante in termini di politica energetica. Dopo che gli elettori hanno approvato chiaramente l’abbandono dei combustibili fossili con la legge sulla protezione del clima nell’estate del 2023 e dopo che quest’anno la legge sull’elettricità ha confermato chiaramente la rapida espansione delle energie rinnovabili, l’obiettivo dell’azzeramento netto è ora sancito dalla legge: la Svizzera non dovrebbe più produrre ulteriori gas a effetto serra al più tardi entro il 2050.
Per raggiungere questo obiettivo, deve elettrificare i sistemi di trasporto e di riscaldamento, compensare la graduale eliminazione dell’energia nucleare e coprire la crescente domanda di elettricità con l’energia idroelettrica, fotovoltaica ed eolica. Il futuro dell’energia in questo Paese sarà quindi neutrale dal punto di vista climatico, rinnovabile ed elettrico.
Nessuna transizione energetica senza una rete elettrica forte
Se la Svizzera si affida sempre più al fotovoltaico e all’eolico, la rete deve essere in grado di bilanciare la produzione fluttuante delle rinnovabili in ogni momento e di adattarsi alla domanda. Tuttavia, le reti esistenti non sono ancora progettate in modo ottimale per questo scopo. Una mancanza di capacità di rete porterebbe altrimenti rapidamente a dei colli di bottiglia.
"Per questo motivo le nostre reti devono essere ampliate e convertite in linea con la crescita delle energie rinnovabili", afferma Christian Schaffner, responsabile del Centro di Scienze dell’Energia (ESC) del Politecnico di Zurigo. Senza una rete solida e flessibile, l’elettricità da fonti rinnovabili non può essere integrata in modo efficiente. "Questo rende inevitabile l’espansione e la conversione della rete elettrica", afferma Schaffner.
Quanto è attrezzata la rete elettrica svizzera per la transizione energetica?" La domanda è stata posta per la prima volta a Gabriela Hug. Professoressa di sistemi di energia elettrica al Politecnico di Zurigo, dirige il Centro di Scienze dell’Energia (ESC). "Dobbiamo distinguere tra la rete di trasmissione e la rete di distribuzione in Svizzera", afferma Hug.
Ben collegata con i paesi vicini
In quanto Paese di transito per l’energia elettrica, la Svizzera dispone di una solida rete di trasmissione, di cui è responsabile Swissgrid. Al livello di rete più alto, con le linee ad altissima tensione, il Paese è ben collegato con i Paesi limitrofi e integrato nel commercio europeo. Gli aumenti di tensione previsti rafforzeranno le linee critiche.
Circa due terzi dei 6700 chilometri di rete di trasmissione hanno attualmente tra i 50 e gli 80 anni e dovranno essere sostituiti nei prossimi anni.
Tuttavia, Hug vede la necessità di intervenire soprattutto ai livelli di rete più bassi. "L’energia solare decentralizzata dal tetto di casa e l’auto elettrica nel garage mettono a dura prova le reti locali a bassa tensione", spiega l’esperto di reti elettriche.
Settimana dell’energia @ETH 2024
Il futuro della rete elettrica svizzera è anche il tema della Settimana dell’energia @ ETH: l’evento principale dell’Energy Science Center (ESC) si terrà al Politecnico di Zurigo dal 4 all’8 novembre 2024 - con dialoghi mirati, un simposio e una mostra sul sistema energetico di domani. La scadenza per la registrazione è il 31 ottobre.
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"Le nostre analisi su oltre 60 aree di approvvigionamento hanno dimostrato che la maggiore necessità di intervento riguarda l’espansione e la conversione della rete di distribuzione, anche se in misura molto diversa", conferma Demiray. Ciò dipende talvolta dalla tipologia delle reti, ossia se coprono aree urbane, rurali o periurbane, ma anche dai singoli standard di espansione, il che rende difficile fare affermazioni generalizzate.
La transizione energetica avviene nella rete di distribuzione
La maggior parte degli impianti fotovoltaici e delle pompe di calore, nonché tutte le auto elettriche, funzionano sui livelli di rete più bassi, la rete a bassa tensione o di distribuzione (da 220 a 400 V). Tuttavia, queste reti non sono state progettate per un’immissione dinamica di energia elettrica decentralizzata.
Tuttavia, le reti di distribuzione collegano sempre più spesso gli impianti di generazione con i grandi consumatori e alimentano flussi di elettricità sempre più ampi in entrata e in uscita. Se viene generata molta energia fotovoltaica, si verificano sovratensioni a livello locale, mentre un maggiore consumo di carico da parte di pompe di calore e auto elettriche porta a una sottotensione. In entrambi i casi, si possono verificare sovraccarichi locali nella rete. E questo costa denaro.
Turhan Hilmi Demiray conosce fin troppo bene il problema. Dirige il Centro di ricerca sulle reti energetiche (FEN), che si occupa specificamente di questioni relative al settore energetico svizzero presso il CES. Quest’estate, Demiray è stato coautore di uno studio sui requisiti di espansione e conversione delle reti di distribuzione per l’Associazione delle aziende elettriche svizzere.
La flessibilità evita l’espansione della rete
"Attualmente abbiamo molti progetti con i gestori delle reti di distribuzione. E tutti vogliono sapere come pianificare le loro reti in modo efficiente dal punto di vista dei costi per il futuro", afferma Demiray. Esistono due approcci al potenziamento della rete: rame e Grips.
Rame sta per espansione della rete tradizionale: posa di nuove linee nel terreno, rinforzo di cavi e trasformatori come in passato. Si tratta di un’operazione costosa, ma efficace e talvolta inevitabile. Gli operatori di rete spesso si orientano al carico massimo e sovradimensionano i progetti fisici, rendendo l’espansione della rete ancora più costosa.
Grips è sinonimo di intelligenza e flessibilità: la digitalizzazione e i concetti intelligenti per il controllo dei flussi di elettricità giocano un ruolo decisivo. L’immissione limitata di energia dal fotovoltaico e la riduzione dei picchi di carico delle pompe di calore e dei veicoli elettrici, combinati con le batterie domestiche che supportano la rete, garantiscono la flessibilità. In questo modo si stabilizza la rete elettrica e si riducono notevolmente i costi di espansione.
Le ambite fonti di flessibilità
Tuttavia, il principio si applica all’intera rete elettrica: se qui la produzione fluttua tipicamente da minuto a minuto a livello stagionale, la rete deve diventare più flessibile su queste scale temporali.
Demiray spiega: "Le batterie, l’accumulo con pompaggio, i bacini alpini e l’accumulo di calore stagionale per l’inverno sono le risorse di bilanciamento ideali. Ma anche gli approcci smart grid per un controllo intelligente della rete e dei consumi e la piena integrazione della Svizzera nel mercato europeo dell’elettricità sono risorse essenziali che alleggeriranno l’onere", afferma l’esperto di reti elettriche.
In un apprezzato studio commissionato dal governo federale, il centro di ricerca Energy Grids 2022 ha esaminato la sicurezza dell’approvvigionamento nel settore elettrico in Svizzera e in Europa. Dall’analisi è emerso che tre aspetti sono decisivi per la sicurezza dell’approvvigionamento della Svizzera: La produzione flessibile di energia elettrica da fonte idroelettrica, il commercio di energia elettrica (importazioni in inverno) e la rete elettrica molto ben integrata con l’Europa. "Si tratta di fonti di flessibilità molto preziose", afferma Demiray.
Sollievo attraverso i veicoli elettrici
Nel progetto Sweet-Pathfindr, finanziato dalla SFOE, i ricercatori del CES collaborano con le aziende di servizi e i comuni per trovare il modo di sfruttare al meglio le opzioni di flessibilità, la digitalizzazione e l’accoppiamento dei settori.
In questo contesto, si sta anche studiando in che misura la mobilità elettrica possa contribuire alla flessibilità della rete elettrica svizzera, ad esempio se le auto elettriche vengono caricate quando è disponibile elettricità sufficiente. I prezzi dinamici dell’elettricità potrebbero contribuire a fornire i giusti incentivi.
Demiray riassume: "Più la rete elettrica è intelligente e flessibile, più è in grado di bilanciare i picchi di sole, acqua e vento, e meno espansione fisica della rete è necessaria".
"Tuttavia, l’espansione non può essere completamente sostituita. "Anche se utilizziamo tutte le flessibilità, ci sarà sempre bisogno di espansione", afferma Hug con un sorriso.
"La rete elettrica svizzera è di per sé adatta al futuro. Ma ha bisogno di investimenti sia nell’espansione fisica della rete che in nuovi concetti di controllo", conclude Schaffner. Rame e cervello: entrambi sono importanti.
Serie "Soluzioni energetiche per la Svizzera
La Svizzera mira a ridurre le proprie emissioni di gas serra a zero entro il 2050. Ciò richiede un approvvigionamento energetico privo di fossili e basato su fonti energetiche rinnovabili e sostenibili: una sfida enorme per il Paese. Il Politecnico di Zurigo, con il suo Centro di Scienze Energetiche, sostiene la transizione energetica in Svizzera con soluzioni concrete nei settori della ricerca, dell’insegnamento e del trasferimento di conoscenze.
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