FACENDO BUON USO
DELL'ECCESSO DI POTENZA

Il termine "power-to-heat" sta diventando sempre più importante nella transizione verso le energie rinnovabili. Il principio è semplice: la corrente elettrica viene convertita in calore con un'efficienza di quasi il 100%. A ben guardare, il presunto peccato ecologico di convertire la preziosa elettricità in calore ha decisamente senso e apre un nuovo mercato lucrativo in tempi di prezzi dell'elettricità estremamente fluttuanti, anche in campo negativo.

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FORTI FLUTTUAZIONI NELLA RETE ELETTRICA A CAUSA DELLE ENERGIE RINNOVABILI



Le energie rinnovabili sono il futuro della produzione di energia in Germania. Tuttavia, sono anche associate a forti fluttuazioni nella rete elettrica. Le centrali eoliche e fotovoltaiche forniscono quantità variabili di energia, a seconda delle condizioni meteorologiche. Per bilanciare queste fluttuazioni, la potenza generata dalle energie rinnovabili deve essere controllata da un lato e persino scollegata dalla rete in alcuni casi, mentre gli oneri dei consumatori devono essere più flessibili dall'altro (risposta alla domanda). Una frequenza costante di 50 Hertz può essere mantenuta solo con complessi meccanismi di controllo. Gli operatori di rete tedeschi sono tenuti a mantenere la frequenza di rete ad un livello costante di 50 Hertz e ad equalizzare le fluttuazioni causate da un eccesso o da una carenza di potenza.


Per evitare che la potenza in eccesso rimanga inutilizzata, può essere convertita in calore attraverso sistemi power-to-heat e immessa in una rete di calore.


To prevent excess power from going unused, it can be converted into heat through power-to-heat systems and fed into a heat grid.

POWER-TO-HEAT:
CONFIGURAZIONE E FUNZIONI


I sistemi power-to-heat possono essere utilizzati sia nel campo della bassa temperatura che in quello dell'alta temperatura (vapore).

I riscaldatori a immersione o gli elementi riscaldanti sono utilizzati prevalentemente nel campo della bassa temperatura decentralizzata, mentre le caldaie a vapore ad elettrodi sono utilizzate nel campo dell'alta temperatura. La generazione di vapore di processo fino a 30 bar è tecnicamente possibile per mezzo di una caldaia a vapore a elettrodi. Il vapore saturo generato in questo modo può essere surriscaldato a temperature più alte per mezzo di un riscaldatore a flusso di elettrodi a valle e quindi soddisfare anche requisiti più elevati per quanto riguarda la generazione di vapore.

La generazione di vapore si basa sulla resistenza elettrica dell'acqua della caldaia, la cui conducibilità elettrica deve essere analogamente bassa (regolata a 60 μS/cm). Un condizionamento efficiente dell'acqua è obbligatorio per ottenere questo risultato. L'efficienza della caldaia a vapore ad elettrodi dipende in gran parte dalla qualità dell'acqua disponibile ed è generalmente molto più alta dell'efficienza di una caldaia a vapore, perché non ci sono perdite termiche causate dai gas di scarico caldi.

Gli accumulatori di calore non fanno parte della dotazione standard di un sistema power-to-heat, ma possono consentire un uso più flessibile. Per esempio, in caso di richiesta di energia di bilanciamento, i sistemi di produzione di energia elettrica con accumulatori di calore possono partecipare al mercato della riserva secondaria e dei minuti, senza essere obbligati a immettere il calore nella rete di teleriscaldamento (per esempio in estate).

I costi di investimento per le caldaie elettriche utilizzate prevalentemente nella rete di teleriscaldamento ammontano a circa 75-100 euro per kilowatt. I costi variano a seconda dell'area di applicazione e dell'infrastruttura esistente. Nella gamma ad alta temperatura, il sistema deve soddisfare requisiti più severi, motivo per cui i costi di investimento possono quindi essere due volte più alti. Ammontano a circa 100-200 euro per kilowatt. I sistemi su larga scala sono particolarmente redditizi; ai prezzi attuali del mercato di bilanciamento, possono essere ammortizzati già dopo tre o cinque anni. I sistemi più piccoli e decentralizzati sono meno redditizi, perché sono associati a costi specifici più elevati, mentre le entrate specifiche sono le stesse.

I costi annuali di manutenzione ammontano a quasi il 3% dell'investimento totale e sono paragonabili a quelli di un sistema di caldaie a gas naturale. Non ci sono parti di usura tradizionali, ma un sistema power-to-heat richiede comunque due giorni di manutenzione all'anno. Le pompe, le valvole e i sistemi di acqua/vapore/condensazione ecc. sono soggetti alla stessa usura di un sistema tradizionale di caldaie a vapore.

Con un sistema centrale power-to-heat, il calore convertito dalla corrente viene immesso in una rete di alimentazione. Il sistema di teleriscaldamento di un'azienda municipale è un classico esempio di una tale rete di fornitura di calore. Con esso, il calore generato viene trasferito al consumatore attraverso un sistema di tubi isolati.

Il vantaggio degli impianti di cogenerazione, come un'unità di cogenerazione a biogas combinata con un sistema power-to-heat, è che lavorano insieme in modo molto efficiente, e spesso c'è un collegamento con il successivo utilizzo del calore. Il controllo del sistema power-to-heat raggiunge un funzionamento continuo dell'impianto di cogenerazione, che può quindi fornire piena capacità.


Power-To-Heat:
the future of the balancing energy market

The purpose of the balancing energy market is to balance fluctuations in the power grid. These days, greater emphasis is placed on the use of renewable energies for the production of power. Even though wind and sun do not produce the same output throughout the year, the power supply in Germany can be maintained continuously. This is achieved with balancing energy, which comes into play exactly when there is an imbalance between the generation and consumption. The reserve evens out fluctuations within seconds with the “primary reserve”, within five minutes with the “secondary reserve” or within fifteen minutes with the “minute reserve”.

Balancing energy is categorized into “positive balancing energy” on the one hand and “negative balancing energy” on the other. With “positive balancing energy”, demand for power is higher than the production capacities, and for this reason, power needs to be fed into the grid quickly. In the case of “negative balancing energy”, the grid is balanced when demand is too low by removing power from the grid. The operator of a power station that is actively participating in the balancing energy market receives a fee for the provision of additional capacities (“positive balancing energy”) or for reducing the feed-in (“negative balancing energy”). The main area of application of a power-to-heat system is in the area of “negative balancing energy.”

In times of negative electricity rates, some conventional power stations cannot be disconnected from the market as their regulating ability is too slow (e.g. nuclear power stations).

The capacity of conventional power stations can be reduced using power-to-heat systems, which ultimately achieves a more efficient use of renewable energies and a reduction of CO2 emissions.

DECURTAZIONE IN CASO DI SOVRACCARICO DELLA RETE REGIONALE


L'eccesso di produzione di energia da sistemi di energia rinnovabile (RE) può portare a sovraccarichi di rete, che richiedono il monitoraggio da parte dell'operatore di rete. In questo caso, gli impianti eolici vengono spenti durante i periodi di forte vento, ma gli operatori di questi impianti hanno ancora diritto alle sovvenzioni. L'energia altrimenti tagliata può essere utilizzata con un sistema power-to-heat, con conseguenti benefici economici. Questo principio di sgravio della rete viene realizzato tramite la cosiddetta gestione dell'immissione in rete.

DECURTAZIONE IN TEMPI DI TARIFFE ELETTRICHE NEGATIVE IN LA BORSA

I tassi di elettricità in borsa possono raggiungere un importo negativo in alcune situazioni. Questo accade quando l'offerta supera la domanda. Se l'operatore power-to-heat acquista questa elettricità, gli permette di utilizzare l'offerta in eccesso in modo significativo per produrre calore a basso costo. Così, l'energia ecologicamente pulita genera calore in modo molto efficiente. Tuttavia, le ore con tariffe elettriche negative rappresentano attualmente solo una quota molto bassa nel corso di un anno. Nel 2014, i tassi negativi sono stati registrati durante 64 ore, il che equivale a una bassa percentuale dello 0,73% rispetto all'intero anno. Ma nel complesso, c'è stata una tendenza all'aumento. Nel 2015, la quota di energie negative è quasi raddoppiata, fino a un valore dell'1,4%.

VANTAGGI DEI
SISTEMI ENERGIA-CALORE

  • Bassi costi di investimento specifici per impianti di grandi dimensioni (capacità superiore a 10 MW)
  • A seconda del mix di potenza, considerevole riduzione delle emissioni di CO2 (ogni MWh di vapore generato da energia rigenerativa risparmia 0,22 t di CO2 rispetto al gas naturale)
  • Ricavi annuali attraverso la risposta alla domanda / vendita di energia di bilanciamento in TRL e SRL (riserva operativa terziaria e secondaria)
  • La potenza aggiuntiva per le caldaie a vapore ad elettrodi può essere acquistata senza un costo aggiuntivo per la domanda di rete attraverso un'appropriata gestione del carico → ideale in caso di uno squilibrio temporaneo nella domanda di energia e vapore
  • Tecnologia collaudata, utilizzata in Scandinavia da 30 anni
  • Ideale per aree antideflagranti → nessuna combustione, nessun incendio
  • Ideale per requisiti di emissione molto severi → nessun gas di scarico
  • La caldaia a vapore a elettrodi può funzionare senza sorveglianza per 72 ore
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