Le fonti energetiche rinnovabili come il solare e il vento hanno trasformato il paesaggio energetico globale, offrendo un percorso verso le reti elettriche decarbonizzate. Tuttavia, la loro intermittenza intrinseca - il sole non sempre brilla, e il vento non sempre soffia - crea sfide significative per mantenere un approvvigionamento energetico coerente e affidabile.

Quali sono i sistemi di stoccaggio dell'energia?

Nel contesto dell'energia rinnovabile, ESS generalmente memorizza l'eccedenza di energia elettrica generata durante i periodi di alta produzione solare o eolica. L'energia immagazzinata viene scaricata quando la produzione scende o quando i prezzi dell'elettricità sono più favorevoli.

  • Batterie agli ioni di litio[[[] – La tecnologia dominante per lo stoccaggio a breve durata (2-4 ore), ampiamente utilizzata nelle applicazioni su scala di utilità e dietro il metro. Il loro costo in declino e il miglioramento della durata del ciclo hanno reso la scelta predefinita per l'integrazione rinnovabile.
  • Flow pile[] – Come il vanadium redox e la zinc-bromina, offrendo una durata più lunga (4-12 ore) e una maggiore scalabilità per applicazioni di rete, anche se attualmente ad un costo più elevato di capitale.
  • Immagazzinamento idroelettrico pompato[[] – La più matura tecnologia di stoccaggio su larga scala, che rappresenta oltre il 90% della capacità installata globale.
  • Lo stoccaggio dell'energia dell'aria compressa (CAES)[] – immagazzina l'energia comprimendo l'aria nelle caverne sotterranee; quando viene rilasciato, l'aria si espande attraverso una turbina per generare energia elettrica.
  • Lo stoccaggio termico[[] – immagazzina energia come calore o freddo, spesso utilizzato in impianti di energia solare concentrata (CSP) con sale fuso per generare elettricità dopo il tramonto.

Secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia Rinnovabile (IRENA), la capacità di stoccaggio della batteria installata a livello globale è arrivata a circa 28 GW entro il 2023, con proiezioni che suggeriscono che supererà 500 GW entro il 2030 ([[[IRENA – Energy Storage]]]]). Questa rapida crescita è guidata in gran parte dalla necessità di integrare le rinnovabili variabili e il costo di caduta delle batterie, che hanno ridotto dell'80% dal 2010.

Il concetto di arbitrato energetico

L'arbitraggio energetico è la pratica dell'acquisto o della generazione di energia elettrica quando i prezzi sono bassi e la vendita o l'utilizzo quando i prezzi sono alti. Nei mercati tradizionali di energia, i prezzi oscillano in base all'offerta e alla domanda, spesso seguendo i modelli quotidiani prevedibili. Ad esempio, le griglie solari-pesanti possono sperimentare prezzi bassi o anche negativi all'ingrosso durante il mezzogiorno quando i picchi di uscita solare, mentre i prezzi si calano nella sera prima quando la generazione solare diminuisce e la domanda rimane alta.

Senza stoccaggio, un impianto solare deve vendere la sua produzione esattamente quando il sole splende, indipendentemente dalle condizioni di mercato. Con lo stoccaggio, l'impianto può spostare una parte della sua generazione a ore con prezzi più elevati, aumentando i ricavi. Questa capacità sta trasformando il caso di affari per progetti solari e e e eolici, soprattutto nei mercati in cui le tariffe di tempo di utilizzo o prezzi in tempo reale variazione.

Come ESS consente l'arbitraggio dell'energia rinnovabile

Il meccanismo centrale è semplice: una tassa ESS dalla fonte rinnovabile (o dalla rete) quando l'elettricità è abbondante e a buon mercato, e scariche quando il valore di tale energia elettrica è più alto. L'operazione specifica dipende dalla struttura del mercato, dalla tecnologia di stoccaggio e dal profilo di generazione rinnovabile.

  • Forecasting e software di ottimizzazione[[[] – I sistemi di controllo avanzati utilizzano previsioni meteo, previsioni di prezzo di mercato e dati di stato-of-charge per decidere i tempi ottimali per caricare e scaricare.
  • strutture a tasso di utilizzo (TOU)[[] – Molte utility e operatori di rete offrono tariffe TOU che premiano esplicitamente il consumo o la generazione in periodi off-peak.
  • Partecipazione nei mercati quotidiani e in tempo reale[[ – I mercati all'ingrosso ristrutturati dell'elettricità, gli operatori di storage possono offrire la loro capacità nei mercati energetici diurni, impegnandosi a caricare o scaricare in ore specifiche.
  • Co-location con risorse rinnovabili[[] – Molti nuovi progetti solari e e eolici sono costruiti accanto all'accumulo di batterie (ibridi) Questa configurazione permette all'uscita rinnovabile di essere parzialmente “firmata”, il che significa che l'impianto combinato può fornire energia dispandibile che comanda prezzi più elevati.

Uno studio del 2022 del National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha rilevato che un impianto solare da 100 MW abbinato a una batteria da 4 ore potrebbe aumentare il suo fatturato netto del 15-30% rispetto ad un impianto solare, a seconda delle condizioni di mercato ([]] NREL – Storage Analysis]]]].

Vantaggi di arbitrato con ESS

Ampliamento dei benefici elencati nell'articolo originale:

Aumenta la redditività dei progetti di energia rinnovabile. Catturando prezzi più elevati durante le ore di punta, ESS migliora il tasso interno di ritorno (IRR) per impianti solari, eolici e ibridi. Questo miglioramento finanziario può rendere i progetti realizzabili nei mercati in cui i sussidi stanno phasing out e i progetti devono fare affidamento sui ricavi mercantili.

Migliora la stabilità e l'affidabilità della griglia.[ Lo stoccaggio dell'energia agisce come ammortizzatore sulla griglia. Quando la generazione rinnovabile è alta, lo stoccaggio assorbe l'energia in eccesso che potrebbe altrimenti causare la congestione della griglia o richiedere il ridimensionamento.

Riduce l'affidamento su impianti di picco fossili basati su combustibili. Gli impianti di picco, tipicamente a gas naturale, sono chiamati in servizio solo durante le ore di alta domanda. Sono costosi da eseguire emettere significativi CO2 e inquinanti dell'aria.

Supporta l'integrazione di livelli più elevati di energia rinnovabile nella rete. Griglie con elevate sfide di penetrazione rinnovabile di fronte a sovragenerazione (durante periodi soleggiati, ventosi) e rampa rapida (quando il sole imposta o gocce di vento).

Partecipazione al mercato e servizi di Griglia

Oltre all'arbitraggio, i sistemi di stoccaggio dell'energia forniscono servizi essenziali di rete che aiutano a mantenere l'offerta elettrica stabile e affidabile. In molti mercati all'ingrosso, questi servizi generano flussi di entrate aggiuntivi che migliorano l'economia generale di ESS.

  • Regolazione della frequenza[ – Lo stoccaggio può rispondere alle deviazioni di frequenza nei millisecondi iniettando o assorbendo potenza. Questo servizio aiuta a mantenere la frequenza della griglia entro limiti stretti (ad esempio, 60 Hz ± 0,05 Hz negli Stati Uniti). Le batterie di risposta rapida sono ideali per questo ruolo, spesso guadagnando più entrate per MW rispetto all'arbitraggio energetico da solo.
  • Supporto e potenza reattiva[[] – I sistemi di storage basati su inverter avanzati possono fornire o assorbire la potenza reattiva per mantenere i livelli di tensione, aiutando a prevenire il crollo della tensione e migliorare la qualità della potenza.
  • Riserve di capacità e adeguatezza delle risorse[[[]] – Lo stoccaggio può essere contratto per fornire una capacità solida durante i periodi di picco della domanda. Nei mercati di capacità (ad esempio, PJM, ISO-NE, CAISO), le risorse di storage possono fare offerte come fornitori di capacità, guadagnando i pagamenti per essere disponibili per lo scarico quando necessario.
  • Risposta richiesta e rasatura di picco[[ – Dietro il metro ESS può ridurre la domanda di picco commerciale o industriale del cliente, abbassando le spese di domanda sulla loro bolletta di utilità. Lo stoccaggio distribuito aggregato può anche partecipare ai programmi di risposta alla domanda, riducendo il carico in tempi critici.
  • Ripristinazione a rete e ripristino a rete[[[] – Alcuni sistemi di stoccaggio sono dotati di riavviare la griglia dopo un blackout senza alimentazione esterna, fornendo un prezioso servizio di ripristino della griglia.

L'impilamento di questi servizi, combinando l'arbitraggio energetico con servizi accessori e il valore di capacità, è essenziale per la redditività economica di molti progetti di storage. Un singolo MW di capacità della batteria può guadagnare ricavi da flussi multipli fino a quando i programmi operativi non si scontrano. Ad esempio, una batteria potrebbe partecipare alla regolazione di frequenza per parte del giorno e poi essere spedito per la rasatura di picco nella sera.

Quadri normativi e di mercato

La partecipazione al mercato dipende da strutture di regolamentazione di supporto che riconoscono le capacità uniche di ESS. Storicamente, lo stoccaggio è stato spesso classificato come generazione, trasmissione o carico, ma molte giurisdizioni hanno creato specifiche categorie di mercato per consentire lo stoccaggio di monetizzare la sua gamma completa di servizi.

  • FERC Order 841 (US)[] – Emesso nel 2018, questo ordine ha richiesto a tutti gli Operatori di Sistema Indipendenti (ISOs) e le Organizzazioni Regionali di Trasmissione (RTO) di rimuovere le barriere alla partecipazione delle risorse di stoccaggio elettriche nei mercati di energia, capacità e servizi ausiliari.
  • European Union Clean Energy Package[[[] – La legislazione adottata nel 2018–2019 ha introdotto regole che permettono allo storage di partecipare al bilanciamento dei mercati e di possedere e gestire lo storage senza discriminazioni.
  • Progettazione del mercato della capacità[[[] – Le isos come PJM, NYISO e CAISO hanno sviluppato regole specifiche per le risorse di storage per qualificarsi come capacità, compresi i requisiti di durata (ad esempio, 4 ore di scarico continuo a potenza nominale).
  • Ripartizione tariffaria [[ – Per incoraggiare lo stoccaggio dietro il metro, i regolatori in molti stati (ad esempio, California, Hawaii, New York) hanno adottato la fatturazione netta, i tassi di utilizzo e la gestione della carica di domanda strutture che premiano l'autoconsumo e la rasatura di picco.

Nonostante questo progresso, le barriere normative persistono. Ad esempio, alcuni mercati limitano ancora il numero massimo di ore di stoccaggio può caricare o scaricare, imporre dimensioni minime di offerta che escludono le risorse più piccole, o non hanno regole chiare per l'aggregazione di storage distribuito.

Sfide e Outlook futuro

Mentre la promessa di immagazzinamento di energia per consentire l'arbitraggio di energia rinnovabile e la partecipazione di mercato è immensa, rimangono diverse sfide.

Sfide tecnologiche

Limitazioni diDuration – La maggior parte delle batterie agli ioni di litio offrono 2-4 ore di storage a piena potenza. Mentre questo copre molte cime quotidiane, lo stoccaggio a più lunga durata (8–100 ore) può essere necessario per gestire lulls rinnovabili di più giorni o variazioni stagionali.

La vita e il degrado dei cicli[[] – Lo stoccaggio della batteria si degrada con ogni ciclo di carica/scarica, soprattutto se ciclizzato profondamente. I sistemi ciclizzati pesantemente per la regolazione della frequenza possono richiedere la sostituzione più spesso di quelli utilizzati per l'arbitraggio da solo.

Rispetto della sicurezza e della regolamentazione[[[] – Le installazioni a batteria su larga scala richiedono misure di sicurezza antincendio rigorose.

Sfide economiche e di mercato

I costi elevati di upfront[ – Nonostante i prezzi della batteria in calo, il costo totale installato di un ESS su scala di utilità può ancora variare da $200–$500/kWh (a seconda della durata e della configurazione), che non può ancora matita fuori nei mercati con spread a basso prezzo.

Incertezza del reddito[[] – I ricavi di arbitrato e di servizio ausiliari possono essere volatili e dipendono dalle regole di mercato e dalla penetrazione rinnovabile.Gli investitori possono richiedere rendimenti più elevati per compensare questo rischio, rallentando l'implementazione.

I ritardi di inserimento e di interconnessione[[] – Le code di interconnessione per i progetti di storage e ibrido sono cresciute drammaticamente in molte regioni, portando a backlog che possono ritardare i progetti per anni.

Prospettive future

I progetti BloombergNEF che le distribuzioni globali di stoccaggio dell'energia raggiungeranno 1.000 GWh ogni anno entro il 2030, fino a circa 200 GWh nel 2023 ([BloombergNEF – Energy Storage Outlook]]).

  • I costi della batteria continuati diminuiscono[[] – I prezzi del pacchetto batterie agli ioni di litio dovrebbero scendere sotto $60/kWh entro il 2030, rendendo lo storage competitivo con picchi di gas per 4 ore di durata.
  • La crescita dei progetti ibridi di rinnovabili-plus-storage[[] – In molti mercati statunitensi, oltre il 50% della nuova capacità solare è in fase di co-locazione con lo stoccaggio, una tendenza che si sta diffondendo a livello globale.
  • Le tecnologie di stoccaggio a lunga durata emergenti[[[] – Lo stoccaggio a base di zinco e meccanico (gravità, aria compressa) stanno entrando nella fase di dimostrazione e potrebbero sbloccare lo stoccaggio stagionale.
  • Digitalizzazione e ottimizzazione AI[[] – Gli algoritmi di apprendimento automatico stanno migliorando le previsioni dei prezzi e le strategie di spedizione della batteria, catturando più valore dai mercati volatili.
  • Politiche di sostegno e prezzi al carbonio[[[] – Poiché più regioni implementano le tasse di carbonio o cap-e-trade, il vantaggio economico di sloggiare la generazione di fossili con le rinnovabili memorizzate crescerà.

Conclusioni

I sistemi di conservazione dell'energia non sono più un componente aggiuntivo opzionale per i progetti di energia rinnovabile; sono fondamentali per massimizzare il valore della generazione solare e del vento, consentendo la partecipazione attiva ai mercati dell'elettricità all'ingrosso. Attraverso l'arbitraggio energetico, ESS permette ai produttori rinnovabili di catturare i prezzi più elevati spostando la generazione ai periodi di domanda di picco.