domenica, Ottobre 24, 2021
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Gli Stati Uniti hanno bisogno di una macrogrid per spostare l'elettricità da una costa all'altra

Molti tipi di eventi estremi possono interrompere il servizio elettrico, inclusi uragani, terremoti, inondazioni, incendi, caldo estremo, freddo estremo e siccità prolungata. I disastri gravi possono lasciare migliaia di persone all'oscuro. Il congelamento profondo del Texas a febbraio ha messo fuori uso il 40% della capacità di generazione elettrica dello stato.

Durante tali eventi, le regioni non interessate potrebbero avere il potere di risparmiare. Ad esempio, durante i blackout di febbraio in Texas, i servizi pubblici generavano elettricità da energia idroelettrica nel Pacifico nord-occidentale, gas naturale nel nord-est, eolico nelle pianure settentrionali e energia solare nel sud-ovest.

Oggi non è possibile spostare l'elettricità senza interruzioni da un'estremità all'altra degli Stati Uniti. Ma negli ultimi dieci anni, i ricercatori dei laboratori nazionali e delle università hanno lavorato a stretto contatto con gli ingegneri del settore per progettare un sistema elettrico interstatale in grado di farlo. E il piano infrastrutturale del presidente Joe Biden si muoverebbe in questa direzione stanziando miliardi di dollari per costruire linee di trasmissione ad alta tensione in grado di "spostare l'elettricità più economica e pulita dove è più necessaria".

La mia ricerca ingegneristica si concentra sui sistemi di energia elettrica. Alla Iowa State University abbiamo lavorato per quantificare i vantaggi che le macrogrid possono portare negli Stati Uniti.Questi sistemi di trasmissione ad alta capacità interconnettono risorse energetiche e aree di elevata domanda di elettricità, note come centri di carico, in vaste regioni geografiche.

I costi eolici e solari sono diminuiti drasticamente negli ultimi anni. Eppure le energie rinnovabili forniscono solo circa il 21% dell'elettricità degli Stati Uniti.

Un sistema autostradale nazionale per l'elettricità

Dwight Eisenhower aveva pensato per decenni a un sistema nazionale di autostrade interstatali prima di essere inaugurato come presidente nel 1953. Eisenhower sostenne che un tale sistema era "tanto necessario alla difesa quanto lo è alla nostra economia nazionale e alla sicurezza personale".

Il Congresso accettò e approvò il Federal-Aid Highway Act del 1956, che autorizzava il governo federale a pagare il 90% del costo di questo sistema da 114 miliardi di dollari, con gli stati che coprivano il resto.

Eisenhower era preoccupato per l'evacuazione delle città in caso di guerra nucleare. L'argomento di sicurezza per una macrogrid si concentra su eventi estremi che interrompono la rete elettrica. E l'argomento economico è incentrato sullo spostamento di energia eolica, solare e idroelettrica dalle aree in cui sono abbondanti verso le aree con un'elevata domanda di energia.

Oggi la rete elettrica nordamericana è in realtà composta da cinque reti, note anche come interconnessioni. Due grandi, le interconnessioni orientale e occidentale, coprono la maggior parte dei 48 stati inferiori e vaste aree del Canada, mentre tre reti più piccole servono il Texas, l'Alaska e il Quebec settentrionale. Ogni rete utilizza corrente alternata, o AC, per trasferire l'elettricità dai generatori ai clienti.

Le interconnessioni orientale, occidentale e del Texas sono collegate da linee in corrente continua ad alta tensione (HVDC) che consentono di trasmettere energia tra di loro. Queste strutture stanno invecchiando e possono trasferire solo piccole quantità di elettricità tra le reti. Un modo per pensare a una macrogrid è come una sovrapposizione che riunisce le reti statunitensi esistenti e rende più facile spostare il potere tra di esse.

Condivisione del potere tra le regioni

Biden ha proposto un'azione radicale per realizzare una transizione verso l'energia pulita negli Stati Uniti, compreso il rendere l'energia elettrica priva di emissioni di carbonio entro il 2035. Ciò richiederà l'aggiunta di molta nuova capacità di generazione rinnovabile nei prossimi 15 anni.

I costi eolici e solari sono diminuiti drasticamente negli ultimi anni. Oggi l'energia prodotta da nuovi impianti eolici o solari su larga scala è più economica dell'elettricità dalle centrali a carbone esistenti. Eppure le energie rinnovabili forniscono solo circa il 21% dell'elettricità degli Stati Uniti.

Una macrogrid ridurrebbe il costo dell'elettricità dei nuovi impianti eolici e solari in due modi. In primo luogo, consentirebbe energia rinnovabile di alta qualità – principalmente eolica del Midwest e solare meridionale, e potenzialmente energia idroelettrica canadese – per fornire centri di carico costieri. È più economico costruire sistemi di trasmissione in grado di spostare questa potenza su lunghe distanze piuttosto che generarla da risorse solari ed eoliche di qualità inferiore e più deboli più vicine alle città.

In secondo luogo, una macrogrid consentirebbe di condividere la produzione di energia e i servizi di rete tra le regioni. Questa strategia sfrutta le differenze di orario dovute ai fusi orari e al fatto che la domanda di elettricità tende a raggiungere il picco in determinate ore del giorno, come quando le persone arrivano a casa la sera. I prezzi dell'elettricità aumentano e diminuiscono durante il giorno con la domanda.

Ad esempio, alle 15:00 Pacific Time, la domanda di energia è relativamente bassa sulla costa occidentale, il che significa che anche il costo dell'elettricità è basso. L'elettricità occidentale in eccesso potrebbe essere utilizzata per soddisfare la domanda sulla costa orientale, che raggiunge il picco giornaliero simultaneamente alle 15:00. Costa occidentale "bassa" che si verifica alle 18:00. Ora orientale. Quattro ore dopo, quando la costa occidentale colpisce le 19:00. Picco giornaliero del Pacifico, sarebbero le 22:00. sulla costa orientale, che avrebbe una generazione in più da condividere verso ovest.

La condivisione della capacità funziona anche perché la domanda di potenza di picco annuale si verifica in diversi periodi dell'anno per diverse regioni. Ogni regione deve avere accesso a una capacità di generazione sufficiente per soddisfare il suo carico di punta annuale, con un certo margine per coprire i guasti di generazione. Una macrogrid consentirebbe alle regioni di condividere la capacità di generazione in eccesso quando non è necessaria a livello locale.

Se gli Stati Uniti spendessero 50 miliardi di dollari per sviluppare una macrogrid, il costo totale a lungo termine per lo sviluppo e il funzionamento del sistema di energia elettrica della nazione e il raggiungimento del 50% di elettricità rinnovabile nel 2038 diminuirebbe di oltre 50 miliardi di dollari.

Questa strategia offre vantaggi anche quando i picchi annuali in due regioni differiscono solo di pochi giorni. Quando differiscono di settimane o mesi, il guadagno può essere elevato. Ad esempio, la domanda di energia nel Pacifico nord-occidentale raggiunge tipicamente il picco in inverno, quindi la regione potrebbe prendere in prestito capacità dal sud-ovest e dal Midwest, dove la domanda raggiunge il picco in estate e viceversa.

La trasmissione degli edifici consente di risparmiare denaro

In uno studio che ho pubblicato nel 2020 con colleghi accademici e del settore, abbiamo dimostrato che senza una macrogrid costerebbe più di $ 2,2 trilioni dal 2024 al 2038 per sviluppare e far funzionare il sistema di energia elettrica della nazione e raggiungere il 50% di generazione di energia rinnovabile nel 2038. Ciò include i costi per aggiungere 600 gigawatt di nuova capacità di generazione che sarebbe quasi interamente eolica e solare; costi operativi per le rimanenti centrali nucleari e fossili; e la costruzione di nuove linee di trasmissione AC per collegare nuove centrali elettriche ai clienti.

Tuttavia, abbiamo calcolato che se gli Stati Uniti spendessero 50 miliardi di dollari per sviluppare una macrogrid, il costo totale a lungo termine per lo sviluppo e il funzionamento del sistema di energia elettrica della nazione e il raggiungimento del 50% di elettricità rinnovabile nel 2038 diminuirebbe di oltre 50 miliardi di dollari. In altre parole, consentendo di condividere l'energia tra le regioni e fornire energia rinnovabile di alta qualità dalle aree remote ai centri di carico, la macrogrid sarebbe più che ripagata da sola.

Alcuni osservatori potrebbero temere che una rete connessa a livello nazionale sarebbe più vulnerabile ai blackout a cascata rispetto al nostro sistema esistente. In effetti, una macrogrid sarebbe effettivamente più affidabile perché HVDC fornisce una maggiore capacità di controllo della rete attraverso le sue stazioni di conversione flessibili.

I leader del settore e i sostenitori dell'energia pulita chiedono agli Stati Uniti di perseguire lo sviluppo della macrogrid. Ma il Nord America è in ritardo rispetto alla maggior parte del mondo nello sviluppo di linee elettriche interregionali per sfruttare le risorse energetiche pulite a basso costo. E se 50 miliardi di dollari sembrano un grande investimento, considera questo: è anche il costo minimo stimato delle interruzioni e dei picchi dei prezzi dell'energia durante il congelamento del Texas.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons.

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