Con l'incremento delle fonti rinnovabili nel sistema, la frequenza della rete diventa sempre più instabile. Un modo per gestire questa situazione è attraverso i servizi di risposta in frequenza, solitamente forniti dagli impianti di accumulo a batteria. Ma con il mutare dei profili di frequenza, quali sono le conseguenze per le batterie che contribuiscono a stabilizzare la rete?

Servizi di risposta in frequenza

La frequenza della rete rappresenta l'equilibrio tra produzione e domanda di energia. Quando entrambe sono perfettamente bilanciate, la frequenza del sistema è di 50 Hz.

Quando produzione e domanda non sono bilanciate – praticamente quasi sempre – la frequenza si discosta da 50 Hz. La frequenza aumenta quando la produzione supera la domanda, e viceversa.

National Grid ESO mira a mantenere la frequenza tra 49,8 e 50,2 Hz – questi sono i suoi "limiti operativi". (C'è anche un requisito normativo che impone di mantenere la frequenza tra 49,5 e 50,5 Hz.)

• Per gestire questa situazione, National Grid ESO si affida ai servizi di rete. In questo articolo ci concentriamo sui servizi di risposta in frequenza, solitamente forniti da sistemi di accumulo a batteria.
• Se la frequenza si discosta meno di 0,015 Hz da 50 Hz, non è necessario alcun intervento – la frequenza è nella cosiddetta "deadband".
• I servizi di risposta in frequenza intervengono quando la frequenza si sposta di oltre 0,015 Hz da 50 Hz, in entrambe le direzioni, cioè quando esce dalla "deadband".

La frequenza sta diventando più volatile

Nel 2023, la frequenza ha trascorso meno tempo all'interno e nei pressi della deadband, e più tempo lontano dai 50 Hz. Ciò significa che la frequenza è diventata più volatile – e che serve una maggiore risposta in frequenza.

Questo avviene principalmente perché sulla rete c'è una quota di produzione rinnovabile mai vista prima.

• Le rinnovabili hanno ridotto l'inerzia della rete (leggi di più qui), il che significa che la frequenza varia più rapidamente quando ci sono squilibri tra produzione e domanda.
• Inoltre, le rinnovabili introducono ulteriore volatilità nella frequenza, poiché raffiche di vento e nuvolosità variabile possono causare cambiamenti improvvisi nella produzione.

Negli ultimi anni si è registrato un aumento della varianza della frequenza, ovvero la distanza media della frequenza dai 50 Hz. In media, la frequenza ora si discosta più che mai dai 50 Hz – in entrambe le direzioni.

Quali sono quindi le implicazioni per i sistemi di accumulo a batteria che forniscono servizi di risposta in frequenza?

I tassi di ciclaggio dovuti alla risposta in frequenza stanno aumentando

Con questa maggiore variabilità della frequenza, anche il throughput energetico richiesto per fornire servizi di risposta in frequenza sta aumentando. Ciò significa che le batterie devono effettuare più cicli per erogare ogni servizio.

In media, nel 2023 i requisiti di throughput energetico per la risposta in frequenza sono aumentati di oltre il 3%.

Qui il throughput di erogazione si riferisce al numero di cicli necessari per fornire ogni servizio, per una batteria di un'ora contrattualizzata al 100% della potenza disponibile.

Ma... questi tassi di ciclaggio variano enormemente

La frequenza non è sempre prevedibile. In una giornata qualsiasi, la frequenza può essere più o meno volatile, o muoversi in modo significativo in una direzione. Questo può avere effetti notevoli sui requisiti di ciclaggio dei servizi di risposta in frequenza.

• La Dynamic Regulation presenta la maggiore variazione assoluta nei cicli, ma la Dynamic Moderation mostra la variazione più significativa in termini percentuali.
• Ciò è causato dall'aumento della potenza erogata quando la frequenza si discosta di oltre 0,1 Hz da 50 Hz.
• Nei giorni in cui la frequenza si allontana di più dai 50 Hz, la Dynamic Moderation richiede quasi il triplo del throughput energetico – e quindi dei cicli – rispetto al normale.

I tassi di ciclaggio giornalieri sono determinati dalla varianza della frequenza nell'arco della giornata. Più la frequenza si allontana dai 50 Hz, più le batterie devono ciclarci sopra nei servizi di risposta in frequenza.

In generale, i tassi di ciclaggio nei servizi ad alta e bassa frequenza sono inversamente proporzionali. I giorni con il massimo ciclaggio in una direzione tendono a essere quelli con il minimo ciclaggio nell'altra. Questo può avere un impatto rilevante sulla gestione dello stato di carica.

Caso di studio: risposta in frequenza il 1° aprile 2023

Il 1° aprile 2023, la frequenza è rimasta sotto i 50 Hz per la maggior parte della giornata. La frequenza media della giornata è stata 49,96 Hz – di gran lunga la giornata con la frequenza più bassa dal 2020! Nonostante ciò, la frequenza è rimasta per lo più all'interno delle bande operative di 0,2 Hz.

Questa bassa frequenza ha avuto importanti conseguenze per i fornitori di servizi di risposta in frequenza.

• Non ci sono stati grandi impatti sulla Dynamic Containment (grazie ai suoi requisiti energetici inferiori).
• Tuttavia, la Dynamic Moderation avrebbe richiesto più di un ciclo di scarica completo (per una batteria di un'ora contrattualizzata al 100% della potenza).
• La Firm Frequency Response avrebbe richiesto quasi due cicli di scarica completi.
• E la Dynamic Regulation? 4,8 cicli di scarica, contro un solo ciclo di carica.

Come ha influito questo sui fornitori di Dynamic Regulation?

Il 1° aprile, la differenza tra i fabbisogni energetici delle Dynamic Regulation ad alta e bassa frequenza ha costretto i sistemi contrattualizzati a ricorrere pesantemente al mercato all'ingrosso – per mantenere uno stato di carica sufficiente a rispettare gli obblighi.

Questo ha inciso notevolmente sui ricavi dei fornitori di Dynamic Regulation in quella giornata. In alcuni casi, i costi di gestione dello stato di carica (acquistando energia sul mercato all'ingrosso) hanno completamente annullato i ricavi derivanti dalla risposta in frequenza.

Kemsley, una batteria da 50 MW, ha contrattualizzato in media il 56% della sua potenza nella Dynamic Regulation a bassa frequenza il 1° aprile. Per rispettare gli obblighi, l'asset ha dovuto ricaricarsi ripetutamente sul mercato all'ingrosso.

Cosa abbiamo scoperto?

• I requisiti di ciclaggio per i servizi di risposta in frequenza stanno aumentando (in media). Con sempre più rinnovabili nel sistema e minore inerzia, questa tendenza probabilmente continuerà.
• Esiste anche maggiore volatilità nel numero di cicli che le batterie devono effettuare. Gestire questo aspetto può essere costoso e può compromettere le operazioni pianificate.
• La volatilità della domanda di cicli per la Dynamic Regulation significa che, in certi giorni, fornire il servizio può superare i limiti di ciclaggio dell'asset – se non gestito correttamente.