The economic value of load flexibility and its viability as a substitute for grid expansion

La rete elettrica è il sistema nervoso invisibile della vita moderna, una vasta rete di cavi e trasformatori che trasporta l'energia da dove viene prodotta a dove è necessaria. Per decenni, questo sistema è stato progettato per gestire un ritmo prevedibile: le persone si svegliano, accendono luci ed elettrodomestici, e la domanda raggiunge i picchi la sera prima di svanire durante la notte. Per mantenere accese le luci, gli ingegneri hanno costruito la rete con una capacità extra, assicurandosi che potesse gestire i momenti più intensi dell'anno senza fallire. Tuttavia, il mondo sta cambiando. Mentre la società si sposta verso veicoli elettrici, pompe di calore e pannelli solari sui tetti, il ritmo dell'uso dell'elettricità sta diventando caotico. Le auto elettriche prelevano enormi quantità di energia quando vengono collegate, spesso contemporaneamente ai vicini, mentre i pannelli solari possono inondare improvvisamente la rete con più energia di quanta il quartiere locale possa utilizzarne. Questi cambiamenti creano nuovi, acuti picchi di domanda e improvvisi aumenti nella direzione opposta, minacciando di sovraccaricare le apparecchiature locali. La soluzione tradizionale è costruire cavi e trasformatori più grandi e robusti, ma questo è incredibilmente costoso e richiede di scavare strade e installare nuova infrastruttura ovunque.

Questo crescente costo dell'espansione della rete ha scatenato la ricerca di un approccio diverso: la flessibilità. Invece di costruire più hardware, potremmo semplicemente chiedere alle persone di utilizzare la loro elettricità in momenti leggermente diversi? Se un proprietario di casa potesse ritardare la ricarica della propria auto di un'ora, o se una fabbrica potesse mettere in pausa una macchina durante un picco, la tensione sulla rete diminuirebbe. Questa idea è nota come flessibilità del carico. La domanda centrale per i decisori politici ed gli economisti non è solo se la flessibilità funzioni, ma quanto valga. Se il governo vuole pagare le persone per spostare il proprio consumo, quanto dovrebbe pagare? Se il pagamento è troppo alto, è più economico costruire un nuovo cavo. Se è troppo basso, nessuno si botherà a cambiare le proprie abitudini. Trovare l'esatto punto di svolta in cui pagare le persone per spostare il proprio carico diventa un investimento migliore rispetto all'espansione della rete fisica è un puzzle complesso che è rimasto in gran parte irrisolto.

Un team di ricercatori della Johannes Kepler University Linz, in Austria, ha affrontato questo puzzle sviluppando un nuovo modo per calcolare il vero valore economico della flessibilità. Invece di guardare a quanta energia viene spostata in totale, si sono concentrati sui momenti specifici in cui la rete è più sollecitata. Il loro approccio parte da una realizzazione semplice ma potente: la rete è costruita per sopravvivere ai suoi momenti peggiori, non a quelli medi. Anche se un quartiere utilizza molta elettricità nel corso di un anno, la rete ha bisogno di essere rinforzata solo se alcuni specifici orari di domanda estrema minacciano di romperla. I ricercatori hanno creato un quadro che simula scenari futuri in cui l'adozione di veicoli elettrici e pannelli solari aumenta drasticamente. Hanno poi posto una domanda critica: se potessimo prevedere perfettamente quando questi picchi pericolosi accadrebbero, e se potessimo convincere perfettamente le persone a spostare il loro consumo durante quei momenti, quanto risparmieremmo evitando la necessità di costruire nuova capacità di rete?

Per rispondere a questo, il team ha utilizzato dati reali provenienti da oltre 1.200 nuclei familiari nell'Alta Austria, registrando il loro consumo elettrico ogni quindici minuti. Hanno costruito modelli informatici per proiettare come apparirebbe questo quartiere in futuro sotto diversi scenari di adozione di veicoli elettrici e pannelli solari. Hanno poi introdotto un elemento di previsione, riconoscendo che nel mondo reale non possiamo prevedere il futuro con perfetta accuratezza. Il modello doveva indovinare quando si sarebbe verificato un picco e, a volte, sbagliava. I ricercatori hanno tracciato due tipi di errori: mancare completamente un picco, il che significa che la rete subisce comunque un sovraccarico, e prevedere un picco che non avviene, il che significa che le persone vengono pagate per spostare il proprio carico senza motivo. Eseguendo queste simulazioni, sono stati in grado di calcolare esattamente quanta capacità di rete potrebbe essere evitata e tradurre tale risparmio in un budget massimo per pagare i consumatori per la loro flabilità.

I risultati delle loro simulazioni offrono un quadro severo ma chiaro. I ricercatori hanno scoperto che il valore economico della flessibilità è sorprendentemente basso se visto attraverso la lente dei costi di espansione della rete. Anche in uno scenario in cui il sistema di previsione è perfetto e prevede ogni singolo evento di picco in anticipo, l'importo massimo che potrebbe essere giustificato per pagare lo spostamento di un kilowatt di potenza è di circa tre centesimi. In scenari più realistici, dove la previsione non è perfetta e alcuni picchi vengono mancati, il pagamento giustificato scende a meno di un centesimo per kilowatt spostato. Ciò suggerisce che, sebbene la flessibilità sia uno strumento utile, non è una soluzione magica che può sostituire interamente la necessità di investimenti nella rete. I ricercatori sostengono che, poiché la rete deve comunque essere costruita per gestire i pochi momenti che la flessibilità manca, i risparmi totali sono limitati. Di conseguenza, anche il budget disponibile per pagare le persone per la loro flessibilità è limitato.

Lo studio sfida esplicitamente l'idea che la flessibilità possa essere valutata in base al volume totale di energia spostata. In passato, alcune analisi potrebbero aver guardato a quanti kilowattora venivano spostati dai momenti di picco ai momenti di bassa domanda e aver assunto un valore elevato. Questo articolo sostiene che tale approccio è fuorviante perché la rete non si cura del totale dell'energia; si cura della pressione massima che affronta in un singolo momento. Se uno spostamento del carico flessibile non riesce a ridurre quella pressione massima, non ha fatto risparmiare alcun denaro all'operatore di rete, indipendentemente da quanta energia sia stata spostata. I ricercatori sottolineano che l'incertezza è il fattore chiave in questo caso. Ogni volta che una previsione non riesce a prevedere un picco, l'operatore di rete deve comunque installare la capacità fisica per gestirlo. Questo bisogno "residuo" di capacità riduce direttamente l'importo che può essere risparmiato e, quindi, l'importo che può essere versato come incentivo.

Nella loro analisi della rete a bassa tensione austriaca, il team ha scoperto che la flessibilità basata sulle previsioni può ridurre la necessità di nuova capacità positiva tra il 2,3% e il 19,6%, a seconda di quanto aggressivamente il sistema punta agli eventi di picco. Tuttavia, questa riduzione è arrivata con un costo: gli incentivi richiesti per ottenere questo sono modesti. In condizioni di previsione realistiche, il budget annuale per gli incentivi sarebbe di circa 5-25 euro per nucleo familiare. Anche nello scenario ideale di previsione perfetta, dove ogni picco viene catturato e spostato, l'incentivo per nucleo familiare salirebbe tra i 34 e i 131 euro annui. Sebbene queste cifre possano sembrare piccole, i ricercatori osservano che rappresentano il limite assoluto di ciò che è economicamente giustificabile. Se il costo effettivo del pagamento alle persone per spostare il proprio carico supera queste cifre, è più efficiente per la società costruire semplicemente la nuova infrastruttura di rete.

Il documento conclude che la flessibilità deve essere valutata utilizzando la stessa logica basata sulla capacità che guida le decisioni di espansione della rete. Non basta dire che la flessibilità è buona; deve essere dimostrato che è più economica dell'alternativa. Lo studio dimostra che, sebbene la flessibilità abbia un ruolo da giocare in una transizione energetica efficiente dal punto di vista dei costi, il suo valore è strettamente limitato dalla realtà fisica delle richieste di picco della rete. I ricercatori suggeriscono che, affinché la flessibilità sia un sostituto praticabile dell'espansione della rete, gli incentivi offerti devono allinearsi a questi limiti calcolati. Se i decisori politici offrono pagamenti troppo alti, stanno essenzialmente sprecando denaro che potrebbe essere stato speso per infrastrutture necessarie. Se offrono pagamenti troppo bassi, potrebbero non riuscire a innescare i cambiamenti comportamentali necessari per regolarizzare la rete. Il quadro sviluppato dal team di Linz fornisce un modo trasparente per trovare questo equilibrio, garantendo che la transizione verso un sistema energetico più pulito rimanga finanziariamente sostenibile.

In definitiva, il lavoro sposta la conversazione da quanta energia possiamo spostare a quanta tensione possiamo rimuovere dal sistema. Evidenzia che il futuro della rete non sarà risolto da una singola tecnologia o politica, ma da un attento calcolo di costi e rischi. La flessibilità è uno strumento prezioso, ma non è un sostituto dei cavi fisici e dei trasformatori che mantengono accese le luci. Comprendendo il preciso valore economico dello spostamento di un carico, i regolatori possono progettare programmi di incentivi che siano sia efficaci che accessibili, garantendo che la rete possa gestire le richieste di un futuro decarbonizzato senza mandare in bancarotta. I risultati servono da promemoria del fatto che, nel complesso mondo dei sistemi energetici, la soluzione più efficiente è spesso quella che rispetta i limiti fisici dell'infrastruttura pur sfruttando al meglio il comportamento umano.