Finora, nel 2023, le emissioni di carbonio del settore elettrico della Gran Bretagna sono scese ai livelli più bassi di sempre. Ad aprile è stato persino stabilito un nuovo record minimo per l’intensità di carbonio su base mezz’ora: solo 33 gCO2/kWh.
Ma quanto sta contribuendo lo stoccaggio di energia a batteria alla riduzione delle emissioni di carbonio?
Quali sono le principali evidenze?
Lo stoccaggio di energia a batteria ha ridotto le emissioni del settore elettrico britannico di oltre l’1% dal 2021
La Frequency Response è responsabile della quasi totalità di questo beneficio
La Dynamic Containment è (di gran lunga) l’azione più vantaggiosa per il carbonio che le batterie svolgono attualmente
La metodologia
Come misuriamo le emissioni di carbonio del settore elettrico?
L’intensità di carbonio è una misura delle emissioni di carbonio derivanti dalla produzione di energia elettrica. È misurata in gCO2/kWh. In sostanza, per ogni kWh di elettricità generata, quante emissioni di carbonio sono associate?
L’intensità di carbonio di una determinata tecnologia dipende da diversi fattori - ad esempio il tipo di combustibile e l’efficienza.
National Grid ESO calcola e pubblica l’intensità di carbonio della rete ogni mezz’ora - puoi vedere i dati qui.
Come può lo stoccaggio di energia a batteria ridurre le emissioni di carbonio?
Lo stoccaggio di energia a batteria può ridurre le emissioni di carbonio della rete in due modi:
- Cambiamenti diretti nelle emissioni - come risultato dell’energia importata dalla rete o esportata verso la rete.
- Impatto indiretto - come risultato della fornitura di servizi di rete (come la frequency response).
Ma come possiamo quantificare questi benefici?
Beneficio in termini di carbonio delle azioni energetiche dirette
Ogni volta che le batterie importano o esportano energia dalla rete, si verifica una variazione del carico netto del sistema. Questo ha un impatto corrispondente sulle emissioni di carbonio.
Lo stoccaggio di energia a batteria su larga scala tende a importare o esportare energia per uno di questi tre motivi:
- Azioni di arbitraggio energetico in risposta ai prezzi.
- Azioni del Balancing Mechanism in risposta a richieste dalla National Grid ESO.
- Servizi di rete - ad esempio scarica in seguito a un calo della frequenza di rete.
Moltiplicando questi volumi di importazione ed esportazione per l’intensità di carbonio in ciascuna mezz’ora, possiamo calcolarne l’impatto sulle emissioni.
- Dopo il lancio della Dynamic Regulation, le azioni energetiche delle batterie hanno in realtà contribuito a 8.000 tonnellate di emissioni.
- Complessivamente, però, questo numero è trascurabile: il settore elettrico ha prodotto 123 milioni di tonnellate di emissioni di CO2 nello stesso periodo!
In sostanza, le azioni energetiche dello stoccaggio a batteria non riducono l’intensità di carbonio della rete. Quindi, in che modo le batterie stanno effettivamente abbattendo le emissioni?
Beneficio in termini di carbonio dei servizi di rete
Le batterie trascorrono la maggior parte del tempo contrattualizzate per fornire diversi servizi di frequency response. Sono quattro i principali servizi di frequency response che le batterie offrono:
- Dynamic Containment - un servizio post-fault molto rapido.
- Dynamic Moderation - un servizio pre-fault molto rapido.
- Dynamic Regulation - un servizio pre-fault rapido.
- Firm Frequency Response - un servizio pre- e post-fault più lento.
Questi servizi comportano la carica e la scarica delle batterie dalla rete (come visto sopra). Tuttavia, il loro principale beneficio è che consentono a National Grid ESO di gestire il sistema in modo sicuro e affidabile, riducendo al contempo le emissioni.
Qual è quindi il beneficio in termini di carbonio dello stoccaggio di energia a batteria nell’erogazione di questi servizi? Possiamo determinarlo osservando le azioni che sarebbero state necessarie in loro assenza.
Mandatory Frequency Response
Il sistema elettrico necessita della frequency response per mantenere stabile la frequenza di rete. Quando National Grid ESO non riesce a procurarsi il livello necessario tramite i quattro servizi sopra menzionati, la control room ricorre alla Mandatory Frequency Response.
I CCGT forniscono la maggior parte della Mandatory Frequency Response. Per questo motivo, l’intensità media di carbonio dei sistemi che erogano il servizio è stata di 391 gCO2/kWh tra aprile 2022 e marzo 2023.
Questo servizio è più lento rispetto ai tre nuovi servizi di frequency response Dynamic, quindi meno efficiente nel fornire la stessa risposta. Ciò significa che sono necessari più megawatt per ottenere lo stesso effetto. Ad esempio, la Dynamic Containment a bassa frequenza può richiedere fino a tre volte il volume della Mandatory Frequency Response per sostituirla.
Emissioni operative MFR evitate
La simmetria tra la risposta ad alta frequenza e quella a bassa frequenza dovrebbe portare a un bilanciamento degli impatti di carbonio della Mandatory Frequency Response. Tuttavia, fino a poco tempo fa, National Grid ESO ha dato grande priorità alla risposta a bassa frequenza - in particolare nella Dynamic Containment.
L’utilizzo della Mandatory Frequency Response invece della Dynamic a bassa frequenza comporta un aumento delle emissioni di carbonio - quindi, fornendo la Dynamic a bassa frequenza, le batterie riducono le emissioni. Dal 2021, ciò ha permesso di evitare circa 480.000 tonnellate di emissioni di CO2.
Efficienza di sistema migliorata
Un’altra conseguenza della Mandatory Frequency Response è la riduzione dell’efficienza complessiva del sistema. Spesso, gli impianti che erogano il servizio devono essere riposizionati per garantire spazio sufficiente per l’erogazione. I CCGT preferiscono funzionare a piena potenza per ottenere la massima efficienza, ma per fornire la Mandatory Frequency Response vengono spesso portati a un set-point più basso.
Per bilanciare l’energia nel sistema, un altro impianto deve aumentare la produzione per compensare (spesso un CCGT meno efficiente). Questo comporta una riduzione complessiva dell’efficienza tra i due impianti e un conseguente aumento dell’intensità di carbonio dei due siti.
Questo impatto può sembrare minimo - solo lo 0,5% di aumento dell’intensità di carbonio tra i due impianti. Tuttavia, questo aumento si applica all’intera produzione dei due impianti, non solo al volume di Mandatory Frequency Response richiesto. Questo porta a maggiori emissioni di carbonio.
Non è tutto. La Mandatory Frequency Response a volte porta a esiti ancora peggiori - come la riduzione della produzione eolica. Gli impatti di carbonio di queste azioni sarebbero ancora più elevati.
In media, un MWh di Mandatory Frequency Response comporta un aumento del 4% dell’intensità di carbonio del volume di generazione equivalente.
Dal 2021, ciò equivale a 637.000 tonnellate di emissioni di CO2 evitate.
Azioni di gestione dell’inerzia evitate
L’inerzia è una caratteristica fisica dei sistemi elettrici che rallenta la variazione della frequenza di rete. È fornita principalmente come sottoprodotto dei grandi generatori sincroni collegati alla rete. National Grid ESO deve mantenere un livello minimo di inerzia sulla rete per garantire la stabilità del sistema.
L’inerzia fornita dal mercato può a volte scendere sotto questo livello. La control room deve quindi ridurre la produzione eolica o dagli interconnettori (che non forniscono inerzia) e aumentare quella dei CCGT per compensare - con conseguente aumento delle emissioni della rete.
Il sistema ha visto una riduzione sia dell’inerzia media sia di quella minima richiesta. Il lancio della Dynamic Containment e il Accelerated Loss of Mains Change Programme hanno reso il sistema più sicuro anche a livelli di inerzia più bassi. Il sistema ha visto una riduzione sia dell’inerzia media sia di quella minima richiesta.
Va notato che i dati sull’inerzia pubblicati da National Grid ESO sono solo una stima e potrebbero non rappresentare l’inerzia reale del sistema in quel momento.
Quali benefici ha portato sulle emissioni di carbonio?
Quando l’ESO ha bisogno di inerzia, tende a ricorrere ai CCGT tramite il Balancing Mechanism. Spesso la produzione eolica viene ridotta.
La Dynamic Containment consente al sistema di funzionare con livelli di inerzia inferiori. Questo significa che l’ESO è meno propenso a dover ricorrere ai CCGT per gestire cali di inerzia.
Questo ha portato a circa 174.000 tonnellate di emissioni di CO2 evitate dal 2021.
Intervalli di incertezza in questi numeri
La modellazione delle emissioni evitate grazie allo stoccaggio di energia a batteria è complessa e richiede alcune assunzioni.
Complessivamente, i numeri presentati in questo articolo rappresentano una stima piuttosto conservativa.
Come potrebbe migliorare in futuro il beneficio in termini di carbonio della flotta di batterie?
Oltre ai benefici di carbonio già descritti, esistono ulteriori modalità attraverso cui lo stoccaggio di energia a batteria può ridurre le emissioni. Questi aspetti potrebbero diventare più rilevanti in futuro.
- Riduzione della limitazione di eolico e solare. Attualmente è trascurabile, ma potrebbe offrire un beneficio significativo - soprattutto con nuovi impianti di stoccaggio nelle aree più congestionate. Puoi leggere di più qui.
- Sostituzione dei generatori fossili nei servizi di riserva. La riserva è attualmente fornita quasi interamente da generatori ad alta intensità di carbonio. Con l’arrivo di nuovi prodotti di riserva, lo stoccaggio a batteria potrà compensare parte di queste emissioni? Puoi leggere di Quick e Slow Reserve qui e della Balancing Reserve qui.
- Capacity Market - prevenzione della costruzione di nuovi impianti fossili. Con 1,3 GW di capacità di stoccaggio a batteria declassata che ha ottenuto contratti nell’ultima asta T-4 (vedi qui), stiamo iniziando a vedere questo effetto?
