Uno sciame di "riscaldatori" che producono elettricità per la svolta energetica

In futuro la Svizzera intende coprire sempre più il proprio fabbisogno di energia elettrica con l'energia solare. Tuttavia, poiché l'energia solare è fluttuante, cioè fluisce solo quando c'è il sole, gli operatori di rete del sistema energetico del futuro avranno bisogno di capacità di produzione disponibili su richiesta per colmare eventuali lacune di approvvigionamento a breve termine. Finora si è parlato di nuove centrali a gas a ciclo combinato e di varie forme di stoccaggio dell'energia. Noi - un team interdisciplinare dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) - proponiamo ora un approccio di sistema sostenibile per la Svizzera: In futuro, una forte carenza di energia nella rete elettrica potrebbe essere compensata da una rete di impianti di cogenerazione alimentati a biogeni. Nel progetto "CHPswarm", abbiamo analizzato la fattibilità tecnica e la redditività economica di un tale sciame di cogenerazione per tre cantoni svizzeri, con risultati promettenti. [1]

Generare elettricità e riscaldamento allo stesso tempo

In termini semplici, un impianto di cogenerazione è una "centrale elettrica" più o meno grande, composta da un convertitore e da un generatore che produce contemporaneamente calore ed elettricità utilizzando il gas. Il calore può essere utilizzato per riscaldare edifici o processi industriali. A differenza della produzione convenzionale di elettricità tramite centrali termiche, che rilasciano il calore di scarto nell'ambiente, gli impianti di cogenerazione utilizzano praticamente il 100% del combustibile. In particolare, gli impianti di cogenerazione con motore a pistoni possono essere accesi e spenti in modo flessibile in pochi minuti e coprono un ampio spettro di potenza, da pochi kilowatt a diverse centinaia di megawatt, rendendoli adatti a stabilizzare la rete elettrica. Tutti i luoghi dotati di allacciamento al gas possono essere considerati siti di installazione, cioè principalmente consumatori di calore, dalle case monofamiliari ai grandi impianti industriali.

La cogenerazione come tecnologia non è di per sé nuova ed è già stata analizzata da diversi punti di vista, ma per lo più solo per singoli impianti e micro-reti. La particolarità di "CHPswarm" è il nostro approccio sistemico che si concentra sulla rete: invece di un grande impianto, un'azienda energetica può distribuire la produzione richiesta a uno sciame di macchine più piccole. Questo crea scalabilità, consentendo di espandere o ridurre la rete in modo flessibile. Inoltre, gli impianti di cogenerazione decentralizzati immettono l'elettricità prodotta nel livello di rete inferiore, la connessione degli edifici, allo stesso modo del fotovoltaico fluttuante.

Potenziale analizzato per tre regioni svizzere

Abbiamo analizzato il potenziale e la praticabilità degli sciami di cogenerazione nei cantoni di Lucerna, Turgovia e Basilea Città. A tal fine, abbiamo stimato il calore che potrebbe essere venduto per ogni edificio collegato alla rete del gas individualmente e abbiamo identificato i sistemi di cogenerazione adatti. Abbiamo poi messo insieme uno sciame di tutti i possibili siti di installazione che avrebbero utilizzato la quantità di gas disponibile con il massimo profitto. In un'ottica di sostenibilità, si doveva utilizzare il biogas; di conseguenza, la quantità di gas acquistata annualmente non doveva superare la quantità massima di biogas producibile nel cantone. Quest'ultima è stata quantificata sulla base di un inventario territoriale dei depositi di letame, legno e rifiuti organici.

Il calcolo funziona

I nostri casi di studio mostrano che con il potenziale di biogas dei cantoni di Lucerna e Turgovia, il 15-20% dell'energia di riscaldamento esistente (solo bruciatori a gas che producono calore) potrebbe essere sostituito da impianti di cogenerazione. L'elettricità supplementare prodotta corrisponderebbe al 10-16% del fabbisogno elettrico cantonale. Nell'ambiente urbano di Basilea Città, il potenziale per gli sciami di cogenerazione era basso a causa del numero ridotto di fornitori di biomassa agricola e forestale. In pratica, tuttavia, potrebbe essere aumentato con "importazioni di biogas".

Nel complesso, l'analisi del potenziale per i tre cantoni mostra che nel 2050 gli impianti di cogenerazione biogenica potrebbero produrre circa la stessa quantità di elettricità del fotovoltaico, secondo le aspettative dell'Ufficio federale dell'energia (UFE) - estrapolata a tutta la Svizzera, ciò corrisponderebbe al 10% della domanda totale di elettricità. In termini di volume, gli sciami di cogenerazione potrebbero quindi certamente compensare il fotovoltaico; tuttavia, da soli non sono sufficienti a coprire l'intera domanda di elettricità.

Accumulo stagionale di energia

A causa dell'aumento della domanda di calore, gli impianti di cogenerazione producono più elettricità in inverno che in estate. Una stima approssimativa effettuata da un operatore della rete del gas ha dimostrato che i sistemi di gasdotti potrebbero certamente immagazzinare il biogas prodotto in estate fino all'inverno, regolando la pressione - la rete del gas potrebbe quindi servire come sistema di stoccaggio stagionale dell'energia.

Infine, abbiamo analizzato la competitività della nostra idea e abbiamo individuato le centrali a gas a ciclo combinato come principali concorrenti nel mercato dell'elettricità. Nel mercato del riscaldamento, abbiamo osservato una situazione simile con i sistemi di riscaldamento a gas. In generale, i prezzi elevati del gas e le condizioni restrittive della politica ambientale hanno favorito l'uso della cogenerazione. È emerso inoltre che gli sciami di cogenerazione possono entrare in un rapporto sinergico con le pompe di calore, in quanto queste ultime prelevano elettricità dal sistema in caso di eccesso di offerta e costituiscono quindi la controparte complementare dei cogeneratori.

Riteniamo quindi che sciami di impianti di cogenerazione decentralizzati e biogenici siano un'opzione interessante per la Svizzera quando si tratta di bilanciare in futuro le fluttuazioni a breve termine e, in una certa misura, stagionali della produzione fotovoltaica.