La transizione energetica verso fonti rinnovabili sta ridefinendo il panorama delle reti elettriche nazionali, ponendo sfide tecniche senza precedenti per il mantenimento della stabilità del sistema. Con la capacità rinnovabile globale che ha registrato un incremento record del 15,1% nel 2024, raggiungendo 4.448 GW secondo il World Economic Forum, l’integrazione massiva di fonti intermittenti come solare ed eolico richiede una revisione fondamentale delle tecnologie di controllo e bilanciamento delle reti elettriche. Diventa quindi cruciale l’adozione di tecnologie in grado di garantire stabilità di tensione e frequenza, nonché un bilanciamento dinamico dei carichi. In questo contesto, i sistemi grid-forming e le soluzioni di load balancing rappresentano i pilastri su cui costruire l’infrastruttura energetica del futuro.
La sfida della stabilità nelle reti rinnovabili
Le reti elettriche tradizionali sono state progettate attorno a centrali termiche, idroelettriche e nucleari con generatori sincroni (alternatori mossi da turbine a gas, ad acqua o a vapore) che forniscono inerzia naturale al sistema, mantenendo automaticamente la frequenza e la tensione entro parametri stabili. L’introduzione massiva di fonti rinnovabili, che si connettono alla rete attraverso inverter, sta alterando drasticamente questa dinamica. Gli inverter convenzionali operano in modalità “grid following“, ovvero seguono passivamente i segnali di frequenza e tensione generati dal resto della rete, senza contribuire attivamente alla sua stabilità.
Un calo improvviso di generazione, per esempio, può causare un cedimento della frequenza in pochi secondi, con il rischio di innescare schemi di protezione che disconnettono ulteriori centrali, innescando blackout a catena, come è successo di recente in Spagna.
La tecnologia grid forming rappresenta un cambio di paradigma, consentendo ai convertitori di potenza di generare autonomamente tensione, frequenza e fase della rete. Questa capacità risulta essenziale per garantire la stabilità in reti con elevata penetrazione rinnovabile.
Le implicazioni di questa transizione sono evidenti nei dati di crescita della domanda elettrica. Secondo il North American Electric Reliability Corporation (NERC), la domanda estiva dovrebbe aumentare di oltre 122 GW nel prossimo decennio, aggiungendo il 15,7% ai picchi attuali del sistema. Questo incremento esponenziale, combinato con l’intermittenza delle fonti rinnovabili, amplifica i rischi di instabilità se non adeguatamente gestito.
Tecnologie grid forming: l’innovazione al centro della stabilità
Gli inverter grid forming rappresentano la frontiera tecnologica per affrontare queste sfide. La tecnologia emergente degli inverter grid forming sta permettendo alle utilities di installare più impianti di energia rinnovabile, come fotovoltaico solare e turbine eoliche, spesso connessi a sistemi di batterie utility-scale presso impianti solar-plus-storage.
Questi dispositivi incorporano algoritmi avanzati di controllo che simulano il comportamento dei generatori sincroni convenzionali, fornendo servizi ancillari cruciali per la stabilità della rete. La loro capacità di operare in modalità “voltage source” oppure “current source” consente di mantenere la forma d’onda sinusoidale della tensione anche in condizioni di rete debole o durante il riavvio dopo un blackout.
Diversi progetti di ricerca stanno definendo gli standard degli inverter con capacità di grid forming. Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha pubblicato un Technical Roadmap per indirizzare lo sviluppo di controlli di inverter grid-forming, sottolineando l’importanza di algoritmi predittivi e protocolli di comunicazione standardizzati.
Il progetto Blackhillock in Scozia rappresenta un esempio pionieristico dell’implementazione del grid forming a un sistema di accumulo BESS su larga scala. La Fase 1 del progetto, comprendente 200 MW, è stata commissionata nell’estate 2024, con la Fase 2, ulteriori 100 MW, pianificata per il completamento nella seconda metà del 2026. Al completamento, sarà la batteria connessa alla trasmissione più grande d’Europa.
Bilanciamento dei carichi: sfide tecniche e soluzioni innovative
Il bilanciamento dei carichi nelle reti ad alta penetrazione rinnovabile richiede una gestione sofisticata dell’intermittenza e della variabilità. La generazione solare ed eolica presenta profili di produzione non controllabili e dipendenti dalle condizioni meteorologiche, che possono variare significativamente in tempi brevi. Questo fenomeno crea squilibri tra domanda e offerta che devono essere compensati in tempo reale per mantenere la tensione e la frequenza di rete entro i limiti operativi.
Le tecnologie di storage energetico, integrate con sistemi di controllo grid forming, stanno emergendo come soluzione chiave. I sistemi di accumulo a batteria possono fornire riserva primaria, secondaria e terziaria, rispondendo agli squilibri con tempi di risposta inferiori al secondo. La loro capacità di operare sia in carica sia in scarica li rende particolarmente adatti per la regolazione fine della frequenza.
L’implementazione di reti intelligenti (smart grid) con comunicazione bidirezionale consente un monitoraggio e un controllo granulari dei carichi distribuiti. I sistemi di demand response permettono di modulare il consumo energetico in funzione della disponibilità di generazione rinnovabile, ottimizzando l’utilizzo delle risorse e riducendo la necessità di backup fossili.
Impatti sui blackout: evidenze controintuitive
Contrariamente alle preoccupazioni comuni, le ricerche più recenti suggeriscono che l’integrazione delle rinnovabili può effettivamente migliorare la resilienza delle reti elettriche. Le reti elettriche alimentate da rinnovabili come energia eolica e solare sono meno vulnerabili ai blackout, secondo un nuovo studio che risponde a una preoccupazione maggiore riguardo alle fonti di energia rinnovabile dipendenti dal tempo meteorologico.
Nuove ricerche sulla vulnerabilità delle reti elettriche servite da fonti di energia rinnovabile dipendenti dal tempo meteorologico mostrano un quadro incoraggiante, con la ricerca che dimostra che le reti con alta penetrazione di fonti rinnovabili tendono ad avere intensità di blackout ridotte negli Stati Uniti.
Tuttavia, i rischi di instabilità rimangono significativi se non adeguatamente gestiti. Le proiezioni del NERC dipingono un quadro allarmante: tra il 2024 e il 2028, ben 300 milioni di persone negli Stati Uniti potrebbero affrontare interruzioni di corrente.
Costi economici e sviluppi normativi
I blackout costano all’economia statunitense circa 150 miliardi di dollari all’anno, sottolineando l’importanza economica della stabilità delle reti. Questi costi includono perdite di produttività, deterioramento di prodotti, interruzioni dei servizi e costi di ripristino delle infrastrutture.
Gli sviluppi normativi stanno accelerando l’adozione delle tecnologie grid forming. Le restrizioni si applicano in base alle classificazioni di tensione e corrente: per gli interruttori di media tensione, si applicano a partire dal 2025 in California e dal 2026 nell’UE, e per tutte le classificazioni di tensione e corrente, si applicano a partire dal 2032 (UE) e 2033 (California).
Verso reti elettriche a dominanza rinnovabile
A livello utility-scale, la modularità e la facilità di autorizzazione dovrebbero guidare la capacità solare contrattualizzata, che ha superato l’eolico nel 2024, per crescere fino al doppio della capacità eolica contrattualizzata nel 2025.
Il successo della transizione verso reti elettriche a dominanza rinnovabile dipenderà dall’implementazione coordinata di tecnologie grid forming, sistemi di storage avanzati e infrastrutture di rete intelligenti. Per esempio, negli USA, nonostante la continua crescita dei carichi, non ci sono stati importanti blackout del sistema elettrico bulk nell’estate 2024. La generazione solare e di storage, insieme a eolico, termico, idroelettrico e altre risorse, ha giocato un ruolo centrale nel mantenere le luci accese.
La sfida tecnica è complessa ma non insuperabile. La combinazione di innovazione tecnologica, investimenti infrastrutturali mirati e politiche normative appropriate può garantire una transizione verso reti elettriche più pulite, efficienti e resilienti, capaci di supportare la crescita economica mentre affrontiamo le sfide del cambiamento climatico.