Il pensionamento della generazione sincrona sta causando la perdita di fonti critiche di stabilità nei sistemi elettrici di tutto il mondo. Le tecnologie grid-forming (GFM) saranno essenziali per sostituire questa capacità e garantire che le reti elettriche abbiano la resilienza necessaria per gestire gli shock durante la transizione.

La maggior parte dei generatori esistenti basati su inverter nel NEM utilizza inverter grid-following (GFL), progettati per massimizzare l’erogazione di potenza attiva nella rete. Questa scelta di inverter è sensata per tecnologie intermittenti che non possono facilmente regolare l’output. Ma con la dismissione dei generatori termici, le reti rimangono con meno fornitori di inerzia e robustezza di sistema.

Questo articolo analizza lo stato delle tecnologie GFM nel NEM, uno dei mercati più avanzati al mondo. Esplora cos’è il GFM, come sono stati finanziati i primi progetti e la differenza di costo tra GFM e GFL.

Sintesi esecutiva:

• Le batterie GFM utilizzano controlli avanzati degli inverter per creare la propria forma d’onda di tensione. Agendo come sorgente di tensione, possono fornire servizi di supporto alla rete.
• Dodici batterie GFM sono ora operative nel NEM. ARENA e altri programmi di finanziamento governativi hanno sostenuto la maggior parte di queste fino ad oggi.
• Le batterie GFM vengono sempre più spesso contrattualizzate per fornire servizi di sistema nel NEM. Tre batterie GFM sono state contrattualizzate per offrire supporto alla tensione, inerzia sintetica e stabilità della rete.
• Il costo per costruire una batteria GFM nel NEM è ormai praticamente uguale a quello di una GFL. Il GFM richiede test più rigorosi, che rendono questa parte del processo leggermente più costosa.

Cos'è una batteria grid-forming?

Le batterie grid-following massimizzano l’output di potenza di un generatore verso la rete, ma non rispondono attivamente alle esigenze della rete. Queste batterie non possono offrire servizi di supporto come robustezza di sistema o controllo della tensione, risultando quindi soggette a limitazioni durante disturbi di rete.

Le batterie grid-forming utilizzano controlli avanzati degli inverter per stabilire e regolare tensione e frequenza nel punto di connessione. Questo permette loro di rispondere alle condizioni locali della rete, supportando la stabilità tramite servizi come regolazione della tensione, controllo della frequenza e inerzia sintetica.

Le batterie GFM permettono un maggiore supporto al sistema e una maggiore flessibilità operativa

Le batterie GFM creano una propria forma d’onda di tensione invece di affidarsi alla rete. Agendo come sorgente di tensione, acquisiscono capacità che vanno oltre la semplice erogazione di energia.

Le principali capacità dei BESS grid-forming includono:

• Supporto di tensione e potenza reattiva: Possono mantenere stabile la tensione di rete e iniettare o assorbire rapidamente potenza reattiva durante i disturbi. Misurato in MVAr.
• Supporto al livello di cortocircuito: Le batterie GFM possono fornire brevi impulsi di corrente elevata durante i guasti. Questo rafforza la capacità di superare i guasti e supporta i sistemi di protezione. Misurato in MVA.
• Risposta inerziale: Le batterie GFM forniscono inerzia sintetica tramite i loro sistemi di controllo, rallentando la variazione della frequenza durante i disturbi. Misurato in MW.s.
• Funzionamento in modalità isola: Le batterie GFM possono mantenere stabile il funzionamento di un sistema locale anche se separato dalla rete principale.

Queste capacità permettono alle batterie GFM di offrire servizi di supporto alla rete che storicamente sono stati forniti da centrali a carbone e gas.

Nel NEM, la partecipazione a questi servizi non interferisce generalmente con la partecipazione ai mercati dell’energia o FCAS, poiché la maggior parte viene fornita tramite potenza reattiva. L’inerzia si basa sulla potenza attiva, ma il margine richiesto è minimo e l’impatto sui ricavi è trascurabile.

Sovrapporre questi servizi alle normali fonti di ricavo permette alle batterie di offrirli a costi molto più bassi rispetto ad altri fornitori di stabilità.

La Australian Energy Market Commission stima il costo di fornitura di inerzia per diverse tecnologie come segue:

Ciò posiziona le batterie GFM come i futuri fornitori di inerzia a costo più basso.

Il sostegno pubblico ha finanziato finora tutti i BESS grid-forming

Attualmente ci sono dodici batterie GFM operative su 30 nel NEM. Il programma pilota originale di ARENA ha finanziato cinque di questi progetti, concentrandosi soprattutto su aree a bassa robustezza di sistema nel Nuovo Galles del Sud e in Australia Meridionale. Il secondo programma ARENA, il Large Scale Battery Storage Funding Round, ha supportato il retrofit e la messa in servizio di tre batterie grid-forming, tutte superiori a 200MW.

Questo supporto ha aiutato a ridurre i rischi per sviluppatori e OEM, permettendo di testare gli inverter GFM e dimostrare il loro valore per la sicurezza di sistema. Tutte le batterie GFM operative finora hanno utilizzato inverter di Tesla, Power Electronics o EPC Power.

Stanno emergendo anche iniziative regionali a sostegno delle batterie GFM. In prima linea c’è il Victorian Energy Innovation Fund, che ha già stanziato 126 milioni di dollari per due progetti GFM: Koorangie e Terang.

Il finanziamento pubblico va oltre i progetti esistenti, con altre quattro batterie in sviluppo: Liddell, Gnarwarre, Mortlake e Terang.

Il finanziamento pubblico ha avuto un ruolo chiave nel dispiegamento delle tecnologie GFM nei primi progetti, ma ora gli incentivi si stanno spostando sul supporto di rete a lungo termine che questa tecnologia può fornire.

Tre batterie GFM hanno già contratti con i Transmission Network Service Provider (TNSP), ovvero:

• Riverina e Darlington Point: contrattualizzate per fornire servizi di supporto alla tensione a Transgrid.
• Wallgrove: anch’essa contrattualizzata da Transgrid per fornire Fast Frequency Response su scala di rete come forma di inerzia sintetica.
• Koorangie: contrattualizzata per offrire servizi di robustezza di sistema e stabilità di rete nel nord-ovest di Victoria.

Sebbene i dettagli di questi contratti di supporto alla rete siano riservati, evidenziano il crescente valore delle capacità GFM.

Il costo di costruzione di un BESS GFM è praticamente uguale a quello di un GFL

I costi degli inverter GFM sono scesi al punto che il sovrapprezzo rispetto a un GFL è ormai trascurabile nei nuovi progetti. I sistemi GFM nel NEM richiedono più test per la connessione alla rete, il che rende la messa in servizio leggermente più costosa.

Al contrario, il retrofit della tecnologia grid-forming su un progetto esistente può costare fino a 21 volte il costo aggiuntivo rispetto all’adozione del GFM fin dall’inizio. Perciò, per gli sviluppatori è razionale adottare il GFM già in fase di progetto. Tuttavia, il costo del retrofit rimane comunque basso, in media 12.000 $/MW per un impianto da 250MW.

Le batterie GFM stanno passando dai progetti pilota all’adozione di massa nel NEM. I primi progetti sono stati sostenuti da finanziamenti pubblici, ma ora gli accordi di rete stanno emergendo come nuovo incentivo. Con nessuna reale differenza di costo tra grid-forming e grid-following, la scelta del grid-forming sta diventando la strada predefinita per i nuovi progetti.

Per chi volesse approfondire, ecco un elenco di articoli che condividono le lezioni apprese dalle batterie GFM esistenti.

marcus@modoenergy.com