Centrale elettrica virtuale

Descrizione

Il concetto di Virtual Power Plants (VPP) ribalta l'idea tradizionale di affidarsi a centrali elettriche centralizzate (che spesso emettono CO2) per ottenere una produzione di energia prevedibile e affidabile. Con l'ingresso sulla scena di un numero sempre maggiore di piccoli e grandi produttori indipendenti di energia, l'energia solare, eolica e altre fonti di energia rinnovabile (FER) sono penetrate nella rete elettrica di tutta Europa, aprendo la transizione verso un'infrastruttura energetica pulita e sostenibile. Tuttavia, l'integrazione di queste risorse energetiche distribuite (DER) nella rete sta ponendo diverse sfide legate alla congestione della trasmissione e/o alla stabilità di tensione e frequenza; le fonti rinnovabili, in particolare, stanno creando problemi di affidabilità a causa della loro natura incerta e intermittente. Questa energia pulita ha sconvolto la rete energetica e ha creato la necessità di nuovi modelli e soluzioni per la loro integrazione.

Un VPP aggrega molti DER dispersi e indipendenti in un unico agente operativo che agisce come una centrale elettrica tradizionale, con una capacità di generazione simile, consentendogli di partecipare ai mercati del sistema energetico (sia all'ingrosso che al dettaglio) o di vendere servizi all'operatore. Un VPP rappresenta quindi un portafoglio flessibile di DER per consentire agli agenti del sistema elettrico più piccoli (cioè consumatori, produttori, prosumer o qualsiasi mix di questi) di partecipare ai mercati dell'elettricità e di fornire servizi alla rete.

Centrale elettrica virtuale (IRENA, 2019)

I VPP possono favorire l'integrazione delle FER fornendo servizi di flessibilità sia dal lato della domanda che dell'offerta alla rete principale. I VPP possono aggregare risorse di risposta alla domanda o unità di stoccaggio dell'energia che rispondono ai requisiti della rete (flessibilità dal lato della domanda), nonché incorporare unità di risposta rapida come condensatori e batterie, insieme a impianti di cogenerazione e biogas per ottimizzare la produzione di energia (flessibilità dal lato dell'offerta). Grazie a questi due tipi di servizi principali, i VPP possono fornire benefici tangibili come (IRENA, 2019):

• Supporto al funzionamento della rete attraverso vari servizi ausiliari
  • Gestione della domanda e spostamento del carico in tempo reale sulla base di segnali di prezzo per ridurre i picchi di domanda - creazione di un business case per investimenti differiti nell'infrastruttura di trasmissione e distribuzione della rete.
  • Servizi di bilanciamento e fornitura di requisiti di ramping tramite piattaforme di ottimizzazione per compensare le fluttuazioni di qualsiasi produzione variabile da fonti rinnovabili.
  • Aumentare la flessibilità locale a livello di sistema di distribuzione, se esiste un mercato locale regionale della flessibilità.
• Ridurre il costo marginale dell'energia
  • Riducendo o spostando il carico durante i picchi di domanda per evitare l'uso di grandi centrali elettriche (a combustibili fossili) per soddisfare una piccola quantità di domanda di elettricità ad un costo elevato, oppure
  • sostituendo completamente la centrale elettrica di picco con il dispacciamento dei DER aggregati e delle batterie cariche.
• Ottimizzazione degli investimenti nell'infrastruttura del sistema elettrico
  • Risparmiando sui costi dell'aggiunta di nuova capacità e/o del potenziamento della rete con la fornitura di capacità di riserva operativa in tempo reale da parte dei DER già connessi, fornendo loro al contempo entrate aggiuntive attraverso la partecipazione ai mercati ausiliari quando necessario.

Problemi da risolvere

Modello di valore

Contesto cittadino

Le amministrazioni locali possono svolgere un ruolo chiave nel sostenere lo sviluppo dei VPP e nel consentire l'accesso al mercato agli aggregatori e ad altri operatori. Questo può essere un compito complesso che richiede cambiamenti istituzionali e aggiornamenti normativi. Tuttavia, gli operatori dei VPP rispondono ai segnali del mercato e le politiche locali possono creare chiarezza, comunicare i livelli di priorità e ridurre le barriere all'ingresso. Inoltre, i governi locali possono coinvolgere gli stakeholder e i cittadini sulle esigenze e le opportunità e persino diventare essi stessi operatori di VPP in iniziative specifiche guidate dai comuni, come ad esempio le Energy Service Companies (EsCos) di proprietà comunale nel Regno Unito. Alcuni fattori chiave per consentire la diffusione possono essere riassunti in due temi (IRENA, 2019):

• Quadro normativo, che dovrebbe consentire agli aggregatori di partecipare al mercato all'ingrosso e anche al mercato dei servizi ausiliari. Un mercato all'ingrosso liberalizzato e senza tetti di prezzo (soprattutto in presenza di mercati spot) è essenziale per la nascita e l'affermazione degli aggregatori. I principali incentivi per la creazione di un aggregatore derivano dalla differenza tra i prezzi di picco e quelli fuori picco nei mercati all'ingrosso o dai segnali dei TSO per la fornitura di riserve di controllo o altri servizi ausiliari.
• Infrastruttura tecnologica abilitante, che dovrebbe consentire la comunicazione bidirezionale in tempo reale e il trasferimento di dati tra gli operatori di VPP e i DER connessi. Le autorità locali potrebbero promuovere e sostenere lo sviluppo di progetti di infrastrutture per le reti intelligenti, in particolare l'ampia diffusione di infrastrutture di misurazione avanzate, che comprendono contatori intelligenti, infrastrutture di comunicazione a banda larga, sistemi di controllo remoto e di automazione della rete (digitalizzazione della rete). Ciò contribuirà a migliorare l'efficienza della rete, in quanto i dati raccolti potranno essere utilizzati per prevedere meglio la domanda. A sua volta, ciò consentirà l'applicazione di strumenti e tecniche di previsione avanzati, necessari per prevedere la produzione di energia da fonti rinnovabili e i carichi del sistema elettrico.

Fattori di supporto

• Implementazione di infrastrutture ICT abilitanti, come asset DER controllabili per il carico e la fornitura; contatori intelligenti, gateway domestici e apparecchi intelligenti per la gestione dell'energia; algoritmi avanzati di gestione e previsione dell'energia; comunicazione bidirezionale in tempo reale tra aggregatore e asset di rete.
• Promuovere la standardizzazione e protocolli di comunicazione interoperabili comuni per il coordinamento tra operatori di sistema, operatori di rete e prosumer.
• Introdurre normative che consentano ai DER di fornire servizi alla rete principale e agli aggregatori di partecipare ai mercati dell'elettricità all'ingrosso e dei servizi ausiliari.
• Garantire segnali di prezzo chiari per guidare il funzionamento degli aggregatori.
• Introdurre regolamenti che impongano l'implementazione di contatori intelligenti e di infrastrutture di rete intelligenti.
• Creare mercati locali a livello di distribuzione per consentire ai DSO di acquistare servizi per prevenire la congestione della rete e garantirne la stabilità.
• Definire regole per la raccolta, la gestione e la condivisione dei dati da parte degli attori del mercato per garantire la privacy dei consumatori.
• Introdurre regolamenti che stabiliscano ruoli e responsabilità chiare per le parti del mercato e che definiscano metodologie standardizzate, ad esempio per il calcolo dei prezzi dinamici.
• Promuovere mercati al dettaglio liberalizzati e ben funzionanti che facilitino l'ingresso sul mercato di nuovi attori, nonché prodotti e modelli di prezzo innovativi, adattati alle diverse esigenze dei clienti.

Iniziative del governo

Nei Paesi europei, l'implementazione di sistemi energetici locali è supportata da numerose iniziative e politiche a livello europeo o nazionale, dove molti progetti di ricerca e sviluppo, che beneficiano di finanziamenti nazionali o europei, si concentrano su reti intelligenti, efficienza energetica, integrazione di risorse rinnovabili distribuite, gestione intelligente delle reti e molto altro ancora.

Nel contesto delle politiche dell'UE, i fattori che spingono verso questi progetti sono l'aumento della congestione della rete e della domanda di energia, il cambiamento climatico, l'esaurimento dei combustibili fossili, l'invecchiamento delle infrastrutture della rete elettrica e del mercato interno europeo dell'energia; tutti questi fattori che spingono verso l'implementazione di sistemi energetici locali sono stati ispirati dall'ultimo pacchetto clima-energia dell'UE "Energia pulita per tutti gli europei" e ora dal nuovo Green Deal europeo.

Un'iniziativa degna di nota è l'istituzione della Smart Grid Task Force (SGTF) nell'ambito del terzo pacchetto energetico dell'UE nel 2009, con il compito di fornire consulenza sulle politiche e i regolamenti relativi alla diffusione delle reti intelligenti. Ad esempio, nell'ambito dello sviluppo di uno standard comune per le reti intelligenti europee, la CE ha affidato diversi mandati agli organismi europei di standardizzazione (ESO) al fine di stabilire standard per l'interoperabilità dei contatori intelligenti, standard di ricarica dei veicoli elettrici ed elevati livelli di servizi e operazioni di rete intelligente.

L'UE sta attualmente chiedendo ai Paesi membri di aggiornare le normative sul mercato dell'energia elettrica e sulle energie rinnovabili per consentire alle comunità di agire come aggregatori di generazione rinnovabile, carichi flessibili e servizi di stoccaggio per la rete complessiva, aprendo la strada alle microgrid comunitarie.

Mappatura degli stakeholder

Mappa degli stakeholder (BABLE, 2021)

Potenziale di mercato

Il mercato dei VPP è guidato dal crescente spostamento verso la generazione distribuita e le dinamiche di mercato decentralizzate nel settore energetico. Ciò è dovuto alla crescente attenzione per la decarbonizzazione, l'elettrificazione e la digitalizzazione, dove i rapidi progressi nelle tecnologie digitali e nei sistemi di generazione e stoccaggio dell'energia offrono soluzioni intelligenti alla crescente domanda di elettricità nel mondo (Navigant Research, 2020).

Di conseguenza, il mercato globale dei VPP è stato valutato a 0,87 miliardi di dollari nel 2019 e si prevede che raggiungerà i 2,85 miliardi di dollari entro il 2027, con un CAGR del 27,2% (Fortune Business Insights, 2020). Tuttavia, si prevede che il calo degli investimenti in progetti energetici sulla scia della pandemia COVID-19 possa frenare la crescita del mercato. Ad esempio, i paesi europei stanno registrando un calo significativo degli investimenti nelle infrastrutture IT (IDC, 2020), essenziali per un'ampia diffusione delle applicazioni VPP. I governi di tutto il mondo sono sottoposti a restrizioni di bilancio che li hanno costretti a riconsiderare la transizione verso le energie rinnovabili e a ritardare le riforme del settore energetico.

Capacità di VPP per regione (Guidehouse Insights, 2020)

L'Europa è considerata il luogo di nascita delle centrali elettriche virtuali, dove la domanda è stata trainata da una forte spinta agli investimenti nelle energie rinnovabili e nei sistemi di stoccaggio dell'energia. Per questo motivo, i VPP europei si sono concentrati maggiormente sull'aggregazione dei DER dal lato dell'offerta e sull'integrazione delle energie rinnovabili, piuttosto che sulle applicazioni di risposta su richiesta, che altre regioni come il Nord America hanno integrato nei loro VPP. In Europa, le piattaforme di VPP si stanno evolvendo verso funzionalità più sofisticate per massimizzare il valore della flessibilità della rete e consentire il commercio intelligente di energia a livello transfrontaliero. Tuttavia, è in atto un cambiamento verso asset più misti, in cui i VPP includono un maggior numero di risorse dal lato della domanda, oltre ad accumuli di energia e veicoli elettrici (Guidehouse Insights, 2019).

Modelli operativi

In generale, gli operatori di VPP - anche detti aggregatori - cercano di gestire in modo ottimale il loro portafoglio di unità DER e di generare il massimo guadagno per i loro partecipanti facendo offerte sul mercato di scambio dell'energia o fornendo servizi ausiliari agli operatori di rete. La configurazione di un VPP e i suoi requisiti tecnici dipendono dal tipo di partecipazione al mercato, dai clienti target (ad esempio, piccoli produttori o siti industriali) e dai tipi di DER che compongono il portafoglio VPP (ABB, 2017).

Di conseguenza, i modelli aziendali e operativi possono essere ampiamente classificati in tre principali "ruoli funzionali" nel mercato: (1) previsione, commercio e riduzione delle energie rinnovabili, (2) aggregazione della flessibilità della rete dalle energie rinnovabili e (3) aggregatore della risposta alla domanda. Tuttavia, i confini tra questi modelli sono fluidi e dipendono in larga misura dalla struttura e dalla regolamentazione del mercato energetico in cui l'aggregatore opera (Next Kraftwerke, 2020).

Possibili modelli operativi (Next Kraftwerk, 2020), (ABB, 2017)