Bilanciamento energetico: che cos’è, tipologie e funzionamento in reti, carichi e batterie
Il bilanciamento energetico è l’insieme di strategie e tecnologie utilizzate per mantenere un sistema elettrico in condizioni stabili quando generazione, consumo, carichi o elementi interni non sono perfettamente equilibrati. Il concetto compare a diversi livelli del settore energetico: dall’equilibrio in tempo reale di una rete elettrica alla distribuzione dei carichi in un impianto industriale o al bilanciamento delle celle all’interno di una batteria.
Parlare semplicemente di “bilanciamento” può quindi significare cose diverse a seconda del contesto. In una rete di trasmissione, Grid Balancing significa correggere continuamente la differenza tra generazione e domanda per mantenere la frequenza. In un edificio o centro di ricarica, Load Balancing distribuisce o sposta i carichi per non superare i limiti elettrici. In una rete trifase, il bilanciamento mira a distribuire la potenza tra le fasi. E in un BESS, il BMS può bilanciare le celle per evitare che una di esse limiti prematuramente l’intero sistema.
Il principio comune è sempre lo stesso: rilevare una differenza, disporre della flessibilità necessaria per correggerla e intervenire prima che lo squilibrio generi perdite, sovraccarichi, deviazioni di frequenza o riduzione della capacità.
Nei sistemi con elevata penetrazione delle rinnovabili, questa funzione acquista importanza perché solare ed eolico sono variabili. Il sistema necessita di risorse capaci di aumentare o ridurre la potenza, spostare i consumi, immagazzinare energia o scambiarla con altre zone per mantenere continuamente l’equilibrio.
Bilanciamento energetico: lo stesso obiettivo a diversi livelli
Non esiste un unico tipo di bilanciamento. La differenza principale consiste nella variabile che si cerca di equilibrare e nella scala considerata. Questa classificazione aiuta a capire perché tecnologie diverse come una batteria, una colonnina di ricarica per veicoli elettrici o una centrale idroelettrica possano partecipare a funzioni di bilanciamento.
| Tipo di bilanciamento | Cosa viene bilanciato | Scala standard | Esempio |
|---|---|---|---|
| Grid Balancing | Generazione e domanda | Sistema elettrico | BESS che risponde a un segnale aFRR |
| Load Balancing | Distribuzione o profilo dei carichi | Edificio, industria o microgrid | Gestione dinamica delle colonnine di ricarica per VE |
| Phase Balancing | Potenza tra le fasi | Rete trifase | Ridistribuzione dei carichi monofase |
| Battery Cell Balancing | Stato di carica tra le celle | Modulo o batteria | Bilanciamento passivo o attivo del BMS |
A questi livelli si aggiunge il bilanciamento commerciale o di portafoglio. Produttori, fornitori di energia e altri partecipanti cercano di fare in modo che l’energia effettivamente generata o consumata si avvicini alla posizione programmata sul mercato. Quando si verifica uno scostamento, il sistema deve correggerlo fisicamente e successivamente regolarlo economicamente.
In Europa, il Regolamento sul bilanciamento dell’energia elettrica stabilisce il quadro per l’approvvigionamento, l’attivazione e lo scambio dei servizi di bilanciamento. ACER spiega che i gestori delle reti di trasmissione utilizzano questi servizi per correggere gli squilibri tra offerta e domanda e mantenere la frequenza del sistema. ACER.
Grid Balancing: mantenere generazione e domanda in equilibrio
Il Grid Balancing o bilanciamento della rete è probabilmente l’applicazione più importante del concetto dal punto di vista del sistema elettrico. In ogni istante, la potenza generata e quella consumata devono rimanere sufficientemente vicine. Quando si verifica uno squilibrio, la frequenza inizia a discostarsi dal valore nominale.
Nella maggior parte dell’Europa continentale, il riferimento è di circa 50 Hz. Se la generazione è inferiore alla domanda, la frequenza tende a diminuire; se vi è un eccesso di generazione, tende ad aumentare. I gestori delle reti di trasmissione utilizzano riserve ed energia di bilanciamento per correggere questi scostamenti. ENTSO-E struttura il bilanciamento europeo attraverso diversi livelli di risposta. Tra i più noti figurano:
- FCR (Frequency Containment Reserve): risposta molto rapida destinata a contenere inizialmente la deviazione di frequenza.
- aFRR (automatic Frequency Restoration Reserve): riserva di ripristino attivata automaticamente.
- mFRR (manual Frequency Restoration Reserve): riserva di ripristino attivata mediante segnali o processi manuali o semiautomatici.
- RR (Replacement Reserve): risorse di sostituzione utilizzate in determinati sistemi e orizzonti temporali.
La ENTSO-E Electricity Balancing Guideline mira proprio a consentire ai Paesi di condividere risorse di bilanciamento e a nuove tecnologie, come risposta della domanda e rinnovabili, di partecipare a questi mercati. Un BESS è particolarmente adatto a determinate funzioni di Grid Balancing perché può modificare rapidamente la propria potenza. In caso di eccesso di generazione può caricarsi; in caso di carenza può scaricarsi. Tuttavia, non è l’unica tecnologia disponibile: centrali idroelettriche, generazione flessibile, interconnessioni e domanda controllabile possono anch’esse contribuire al bilanciamento.
L’ingresso massiccio del solare e dell’eolico non elimina questo principio, ma aumenta la necessità di previsione e flessibilità. Quanto maggiore è la variabilità della generazione, tanto più è importante disporre di risorse capaci di rispondere a errori di previsione, rampe o scostamenti della produzione.
Load Balancing e Phase Balancing: equilibrare la domanda all’interno di un impianto
Il Load Balancing opera su una scala diversa. Anziché equilibrare l’intero sistema elettrico, cerca di distribuire o modificare i carichi all’interno di un impianto per evitare il superamento dei limiti di trasformatori, allacciamenti, linee o potenze contrattuali.
Un esempio molto comune è la ricarica dei veicoli elettrici. Supponiamo che un edificio disponga di 300 kW di capacità disponibile e vengano installate venti colonnine da 22 kW. La potenza teorica complessiva sarebbe di 440 kW, superiore al limite. Un sistema di Load Balancing può ridurre dinamicamente la potenza di alcune colonnine affinché il consumo totale rimanga al di sotto dei 300 kW disponibili. In questo ambito è utile distinguere tra:
- Load Balancing statico: assegna limiti fissi configurati in precedenza.
- Load Balancing dinamico: misura in tempo reale il consumo dell’impianto e ridistribuisce automaticamente la potenza disponibile.
Il bilanciamento dinamico è comune nelle colonnine di ricarica per VE, negli edifici intelligenti, nei data center, nelle industrie e nelle microgrid. Può essere coordinato mediante un EMS per decidere quali carichi ridurre, spostare o alimentare tramite l’accumulo.
Phase Balancing: equilibrare le tre fasi
Nelle reti trifase può verificarsi anche uno squilibrio tra le fasi. Se molti carichi monofase si concentrano sulla stessa fase, le correnti non sono più equilibrate. Questo può aumentare le perdite, la corrente nel neutro, il riscaldamento e i problemi di qualità della fornitura.
Il Phase Balancing mira a distribuire meglio i carichi tra L1, L2 e L3. Questo può avvenire durante la progettazione elettrica, ridistribuendo i circuiti, oppure tramite elettronica e sistemi intelligenti capaci di modificare dinamicamente la fase utilizzata da determinati carichi. Sebbene Load Balancing e Phase Balancing siano collegati, non sono esattamente la stessa cosa: il primo gestisce quanta potenza utilizza ciascun carico; il secondo considera anche come tale potenza viene distribuita tra le fasi.
Bilanciamento delle batterie: passivo e attivo
Il bilanciamento delle batterie riguarda un livello completamente diverso. Qui l’obiettivo non è equilibrare la rete o i carichi di un edificio, ma evitare che le celle di una batteria evolvano verso stati di carica troppo diversi. In un Battery Rack, piccole differenze di fabbricazione, temperatura, resistenza interna e degrado possono far sì che una cella raggiunga il limite superiore o inferiore di tensione prima delle altre. Tale cella finisce per limitare la capacità utilizzabile dell’intero sistema.
Bilanciamento passivo
Il bilanciamento passivo scarica parzialmente le celle più cariche mediante resistenze. L’energia in eccesso viene trasformata in calore. È un’architettura semplice, economica e molto diffusa.
Bilanciamento attivo
Il bilanciamento attivo trasferisce energia dalle celle con maggiore carica a quelle con minore carica, oppure tra una cella e l’intero sistema. È più efficiente e può lavorare con correnti maggiori, ma richiede un’elettronica più complessa e costosa. Pertanto, “attivo vs passivo” è una classificazione valida per cell balancing, ma non deve essere utilizzata come classificazione generale di tutto il bilanciamento energetico. In altri ambiti si impiegano termini diversi: statico/dinamico nella gestione dei carichi oppure automatico/manuale per determinate riserve di rete.
Quali tecnologie rendono possibile il bilanciamento?
Il bilanciamento moderno dipende sempre più da risorse flessibili capaci di modificare rapidamente i propri consumi o la produzione. Non esiste un’unica tecnologia dominante, perché ciascuna risponde meglio a una scala e a una velocità diverse.
I BESS possono assorbire o erogare potenza in pochi secondi e partecipare sia ai servizi di frequenza sia all’arbitraggio e alla gestione delle congestioni. La risposta della domanda riduce o sposta i carichi quando il sistema ne ha bisogno. Le centrali idroelettriche e altre unità di generazione flessibile possono aumentare o diminuire la produzione. Le interconnessioni consentono di scambiare energia tra zone che si trovano in situazioni diverse.
Negli impianti locali, un EMS coordina generazione rinnovabile, accumulo e carichi. Il sistema SCADA fornisce le misure e i segnali necessari per conoscere lo stato dell’asset, mentre gli algoritmi di controllo decidono come rispondere. Può partecipare anche la generazione distribuita. Un portafoglio composto da batterie, veicoli elettrici, pompe di calore e carichi industriali può essere aggregato per agire come un’unica risorsa di flessibilità. In questo modo, il bilanciamento smette di dipendere esclusivamente dalle grandi centrali e inizia a incorporare asset distribuiti. La logica può essere riassunta così:
Misurare lo squilibrio → disporre di flessibilità → intervenire → verificare il nuovo equilibrio
Perché il bilanciamento è particolarmente importante con le energie rinnovabili
Solare ed eolico dipendono da risorse meteorologiche variabili. La produzione può essere prevista con notevole precisione, ma mai in modo perfetto. Una nuvola, una rampa eolica o uno scostamento rispetto alla previsione possono modificare rapidamente la potenza disponibile.
Il bilanciamento consente di assorbire queste differenze senza compromettere la stabilità del sistema. Questo può implicare caricare un BESS, attivare riserve, ridurre la domanda, aumentare la generazione flessibile, scambiare energia con un’altra zona o, in situazioni specifiche, limitare temporaneamente la produzione rinnovabile. Un sistema elettrico con elevata penetrazione delle rinnovabili non necessita quindi soltanto di più MW installati: servono anche flessibilità, accumulo, previsione, controllo e mercati di bilanciamento capaci di coordinare tutte queste risorse.
L’importanza del bilanciamento dipende dal livello analizzato. In una rete nazionale protegge la frequenza e la sicurezza della fornitura; in una fabbrica evita i sovraccarichi; in una rete trifase riduce gli squilibri; e all’interno di una batteria migliora l’utilizzo delle celle. Tutti condividono la stessa idea, ma impiegano tecnologie e metriche diverse.