Quando gli uragani minacciano le coste tropicali, le 'super reti' potrebbero arrivare in soccorso. Mentre le isole caraibiche stanno utilizzando sempre di più il sole e il vento per produrre elettricità, i frequenti uragani pongono non pochi problemi, ostacolando la produzione di energia solare. Ora i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un metodo di modellazione completo per prevedere meglio il calo della produzione di elettricità quando le nuvole temporalesche oscurano i pannelli solari.
Il team ha esplorato i modi per compensare queste perdite di energia con le super reti, un insieme di reti collegate in modo che l'elettricità possa fluire attraverso catene di isole o tra continenti. Il ricercatore Rodney Itiki ha dichiarato che questo tipo di pianificazione delle infrastrutture è fondamentale per mantenere un accesso equo all'elettricità nei 12 Paesi insulari dei Caraibi e nei territori statunitensi di Porto Rico e delle Isole Vergini.
I residenti delle isole, storicamente poco serviti, non possono evacuare facilmente dalla traiettoria dei numerosi uragani che ogni anno colpiscono i Caraibi. La perdita di energia solare durante gli uragani è destinata a diventare sempre più importante per isole come Porto Rico, che ha dichiarato l'obiettivo di convertirsi all'energia interamente rinnovabile entro il 2050.
Lo studio
Il modello di Itiki può essere utilizzato per comprendere l'impatto delle nuvole degli uragani su qualsiasi sistema elettrico. In questo studio, Itiki e il suo team di esperti in integrazione di rete, energie rinnovabili e metodi di calcolo avanzati, hanno utilizzato il suo algoritmo per esplorare diversi approcci di connessione alla rete, modellando come ciascuno di essi influirebbe sulla disponibilità di elettricità. Il modello ha analizzato il modo in cui un grande uragano ridurrebbe l'energia degli impianti solari noti, percorrendo 10 possibili percorsi nell'arco di 10-14 giorni.
"Questo è uno dei principali contributi della ricerca, perché quando progettiamo il sistema elettrico dobbiamo considerare tutti i casi possibili, soprattutto lo scenario peggiore", ha detto Itiki, ricercatore associato post-dottorato presso il gruppo Power Systems Resilience dell'ORNL. I ricercatori hanno utilizzato simulazioni per capire la disponibilità di energia durante gli uragani se le reti elettriche fossero collegate tramite cavi ad alta tensione sul fondo dell'oceano. Per capire se queste super reti sarebbero in grado di bilanciare il flusso di energia tra le regioni, il team ha modellato quattro diverse combinazioni: una rete statunitense indipendente; una super rete caraibica indipendente che collega tutte le isole; una super rete tra Stati Uniti e Caraibi; e una super rete che collega Stati Uniti, isole caraibiche e Sud America.
La configurazione più grande della super rete comprendeva 90 impianti fotovoltaici all'interno del corridoio degli uragani, oltre a parchi solari in luoghi come la California e il Brasile che non sono interessati da questi uragani. Il modello ha mostrato che alcuni impianti solari hanno perso fino all'88% della loro capacità di generazione per due giorni mentre erano ombreggiati dalle nuvole dell'uragano.
I ricercatori hanno scoperto che la super rete USA-Caraibi è quella che aumenta di più l'affidabilità dell'energia. La super rete autonoma dei Caraibi si è rivelata meno utile, in parte perché le traiettorie degli uragani si allineano tipicamente con la catena di isole. L'aggiunta sudamericana non ha ridotto significativamente le variazioni di potenza perché il continente ha pochi impianti solari. Tuttavia, potrebbe garantire la sicurezza energetica come fonte di alimentazione alternativa nel caso in cui le isole si scollegassero l'una dall'altra o dal sistema statunitense.
Gli studi di Itiki
Itiki è stato incuriosito, da studente laureato, dal successo del collegamento sottomarino tra le reti elettriche del Regno Unito e della Germania. Ha studiato i potenziali benefici di connessioni simili fino a quando un disastro naturale del 2017 ha ristretto la sua attenzione geografica. "Subito dopo che l'uragano Maria ha colpito Porto Rico, ho iniziato a pensare di interconnettere Porto Rico con la Florida", ha detto Itiki. L'uragano Maria ha lasciato alcuni portoricani senza elettricità per quasi un anno, il più lungo blackout nella storia degli Stati Uniti.
Il primo obiettivo di Itiki è stato l'energia eolica durante gli uragani. Ha studiato come una super rete tra Stati Uniti e Caraibi potrebbe ridurre i cali di potenza causati dagli uragani che danneggiano le turbine eoliche portoricane. Dopo aver migliorato la tecnologia delle turbine per renderle più resistenti, ha esaminato come l'energia eolica prodotta dagli uragani potrebbe essere condivisa tra i Caraibi, gli Stati Uniti e il Sud America.
In seguito, Itiki intende fondere i suoi algoritmi solari ed eolici per determinare in che modo le super reti potrebbero migliorare ampiamente l'affidabilità energetica sia nei Caraibi che sulla terraferma. Ad esempio, durante un grave evento meteorologico negli Stati Uniti, la rete dei Caraibi potrebbe fornire energia supplementare agli Stati Uniti? La ricerca ha ampie implicazioni per l'indipendenza energetica degli Stati Uniti dai combustibili fossili e per l'integrazione affidabile dei progetti rinnovabili. "Non credo che le persone pianifichino gli impianti fotovoltaici tenendo conto dell'ombreggiatura degli uragani", ha detto Itiki. "Le utility scelgono le località con la massima esposizione al sole, ma devono anche considerare la normale traiettoria degli uragani. Se tutti gli impianti sono concentrati in Florida e un uragano vi si abbatte, si creerà una valle di massima potenza".
Necessari ulteriori studi
Itiki riconosce che sono necessari ulteriori studi per sondare la fattibilità ambientale ed economica della posa di cavi sottomarini. Ma anche senza queste interconnessioni, il modello di Itiki fornisce un nuovo strumento vitale per stimare l'energia solare durante le condizioni meteorologiche estreme e pianificare i sistemi di trasmissione per compensare. Le aziende di servizi pubblici potrebbero usare l'algoritmo per prepararsi al gap di energia solare durante le tempeste, utilizzando soluzioni come le batterie o l'energia idroelettrica di pompaggio.
Tra gli altri ricercatori dell'ORNL che hanno contribuito al progetto figurano Nils Stenvig e Teja Kuruganti, oltre a Silvio Giuseppe Di Santo dell'Università di San Paolo, in Brasile, e Madhav Manjrekar dell'Università della Carolina del Nord a Charlotte.