La crescita di fotovoltaico, eolico e sistemi di accumulo sta modificando profondamente il funzionamento delle reti elettriche. Con una quota sempre maggiore di generazione collegata attraverso inverter e una progressiva riduzione delle tradizionali macchine sincrone, diventa infatti necessario trovare nuove soluzioni per garantire inerzia, stabilità di frequenza e controllo della tensione.
In questo scenario i sistemi di accumulo a batteria potrebbero assumere un ruolo che va ben oltre quello di immagazzinare energia.
Una review pubblicata su Frontiers in Energy Research analizza lo stato dell’arte dei BESS-STATCOM, sistemi che combinano l’accumulo elettrochimico con le funzionalità di un compensatore sincrono statico, concentrandosi in particolare sulle differenze tra inverter grid-following (GFL) e grid-forming (GFM).
Grid-following e grid-forming: cosa cambia
La differenza fondamentale riguarda il rapporto dell’inverter con la rete.
I sistemi grid-following sono progettati per sincronizzarsi con una tensione e una frequenza già presenti. Attraverso sistemi di controllo come i phase-locked loop (PLL), seguono il riferimento fornito dalla rete e operano essenzialmente come sorgenti controllate di corrente.
È una soluzione consolidata ed efficace soprattutto quando la rete è sufficientemente forte, ma la dipendenza da un riferimento esterno può diventare problematica in presenza di reti deboli o caratterizzate da una bassa inerzia.
Gli inverter grid-forming adottano invece un approccio differente: sono in grado di stabilire autonomamente tensione e frequenza, comportandosi come sorgenti di tensione.
Questa caratteristica permette loro di riprodurre alcune delle funzioni tradizionalmente assicurate dai generatori sincroni e di contribuire più direttamente alla stabilità del sistema elettrico.
Inerzia virtuale, frequenza e black start
Secondo l’analisi dei ricercatori, l’utilizzo di BESS-STATCOM in modalità grid-forming può offrire diversi vantaggi nelle reti caratterizzate da una crescente presenza di risorse basate su inverter.
Tra le funzioni più importanti figurano il supporto alla tensione e alla frequenza, l’emulazione dell’inerzia, una maggiore capacità di operare in reti deboli e la possibilità di contribuire al funzionamento di microgrid e sistemi in isola.
Particolarmente interessante è inoltre il black start, ovvero la capacità di contribuire alla riaccensione di una porzione del sistema elettrico anche in assenza di un riferimento di rete già disponibile.
Il BESS non sarebbe quindi utilizzato soltanto per assorbire energia nei momenti di eccesso di produzione e restituirla quando necessario, ma potrebbe diventare una vera e propria risorsa per la gestione dinamica della rete.
Più capacità, ma anche maggiore complessità
Le prestazioni superiori dei sistemi grid-forming comportano tuttavia nuove sfide.
Le strategie di controllo sono più complesse e richiedono una corretta gestione di parametri quali droop control, inerzia e impedenza virtuali. Particolare attenzione deve essere dedicata anche alla risposta ai guasti.
A differenza delle macchine sincrone tradizionali, infatti, i convertitori elettronici possono sopportare sovracorrenti molto più limitate. Diventano quindi necessarie strategie estremamente rapide per limitare la corrente e coordinare correttamente i sistemi di protezione.
Anche il dimensionamento della batteria dipende dalle funzioni richieste. Un sistema utilizzato prevalentemente per compensazione reattiva può richiedere una capacità energetica relativamente contenuta, mentre servizi prolungati di regolazione della frequenza o il funzionamento in isola possono rendere necessarie batterie di dimensioni maggiori.
Il futuro potrebbe essere ibrido
Una delle prospettive più interessanti riguarda la possibilità di combinare le due modalità operative.
Un BESS potrebbe comportarsi come grid-following quando la rete è stabile e sufficientemente forte, passando invece alla modalità grid-forming quando diventano necessari maggiore supporto alla tensione e alla frequenza, inerzia virtuale o funzionamento in isola.
Le architetture ibride e adattive GFL-GFM rappresentano infatti una delle principali direzioni di sviluppo individuate dalla ricerca.
Algoritmi avanzati potrebbero permettere ai sistemi di riconoscere automaticamente le condizioni della rete e modificare la propria modalità operativa. In prospettiva, anche intelligenza artificiale e machine learning potrebbero contribuire alla previsione delle condizioni di instabilità e alla gestione dinamica dei parametri di controllo.
Accumuli sempre più integrati nella rete
Con l’aumento della digitalizzazione emerge infine anche il tema della cybersecurity. Sistemi sempre più connessi e coordinati aumentano infatti la superficie potenzialmente esposta ad attacchi informatici, rendendo necessarie strategie di autenticazione, rilevamento delle anomalie e controllo cyber-resiliente.
La direzione indicata dalla ricerca è comunque chiara: in un sistema elettrico nel quale una parte crescente della generazione sarà collegata attraverso elettronica di potenza, anche il ruolo degli accumuli potrebbe cambiare.
Da strumenti destinati principalmente a immagazzinare e restituire energia, i BESS potrebbero evolvere in componenti attivi della rete, capaci di contribuire direttamente alla sua stabilità, resilienza e capacità di integrare quote sempre maggiori di fonti rinnovabili.
