Techno-economic Analysis of Photovoltaic Distributed Generation Units, Capacitor Banks, and Electric Vehicle Charging Stations on Distribution Network. A Case Study of the Ashanti Region, Ghana

In molte parti del mondo, la rete elettrica è una cosa fragile. È una vasta rete di cavi che trasportano energia dalle centrali centralizzate alle case e alle imprese, ma man mano che la domanda cresce e le vecchie infrastrutture invecchiano, il sistema spesso fatica a tenere il passo. Due problemi sono particolarmente comuni in queste reti sotto stress: la perdita di energia sotto forma di calore mentre viaggia attraverso i cavi, e l'abbassamento della tensione, che causa l'oscuramento delle luci e il malfunzionamento delle apparecchiature. Questi problemi stanno diventando più urgenti mentre i paesi cercano di aggiungere nuove fonti di energia, come i pannelli solari, e nuovi tipi di carichi pesanti, come le stazioni di ricarica rapida per i veicoli elettrici. Se questi nuovi elementi vengono aggiunti senza una pianificazione attenta, possono peggiorare i problemi esistenti, portando a blackout o a danni costosi. La sfida per gli ingegneri è capire esattamente dove posizionare queste nuove risorse e quanto debbano essere grandi, in modo che riparino le debolezze della rete invece di crearne di nuove.

Questa è la domanda precisa a cui un team di ricercatori del Ghana e degli Stati Uniti si è posto. Si sono concentrati sulla Regione di Ashanti in Ghana, una rete elettrica reale che è attualmente sotto significativo stress. La rete lì soffre di alte perdite di energia e di una diffusa bassa tensione, una condizione in cui la pressione elettrica scende troppo per far funzionare correttamente i dispositivi. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato uno strumento di pianificazione basato su computer che tratta tre diverse tecnologie come un unico team interconnesso: generatori di energia solare, banchi di condensatori (dispositivi che aiutano a stabilizzare la pressione elettrica) e stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici. Invece di guardare queste tecnologie isolatamente, lo studio ha chiesto come potessero lavorare insieme per riparare la rete. Il team ha eseguito migliaia di simulazioni su un gemello digitale della reale rete di Ashanti, testando milioni di diverse combinazioni di posizioni e dimensioni per questi dispositivi per trovare il perfetto equilibrio tra prestazioni tecniche e costi.

I risultati di questa simulazione sono stati sorprendenti. I ricercatori hanno scoperto che, coordinando attentamente il posizionamento di pannelli solari, condensatori e stazioni di ricarica, potevano trasformare le prestazioni della rete. Nello scenario di maggior successo, il sistema ha ridotto la quantità di energia sprecata dell'81 percento. Ciò significa che per ogni unità di elettricità generata, molta più di essa raggiunge effettivamente il cliente invece di essere persa come calore nei cavi. Allo stesso tempo, il piano ha eliminato ogni singolo caso di bassa tensione esistente nella rete originale. Prima dei cambiamenti, quasi trenta località sulla rete avevano livelli di tensione troppo bassi per essere sicuri o affidabili; dopo l'ottimizzazione, ogni singolo bus, o punto di connessione, è stato riportato a un livello sano e stabile. Lo studio ha anche dimostrato che questa riparazione tecnica portava con sé un forte vantaggio finanziario. Su un periodo di quindici anni, il risparmio derivante dalla riduzione dello spreco di energia e i ricavi dalla vendita di energia solare e servizi di ricarica avrebbero generato un profitto netto di circa 36,69 milioni di dollari statunitensi, anche dopo aver considerato i 26,60 milioni di dollari necessari per costruire il sistema.

Per raggiungere queste conclusioni, i ricercatori hanno utilizzato due algoritmi avanzati, che sono essenzialmente insiemi di regole che aiutano un computer a cercare la soluzione migliore tra miliardi di possibilità. Un algoritmo, su cui il team ha lavorato per migliorarlo, si è dimostrato significativamente più efficace dell'altro. Ha trovato una soluzione che non solo ha risolto i problemi tecnici, ma ha anche garantito un ritorno finanziario più elevato. Lo studio ha confrontato questo metodo migliorato con un approccio standard e ha scoperto che la versione migliorata poteva ridurre le perdite di energia di quasi l'89 percento su una rete di test standard, rispetto al solo 62 percento del metodo standard. Sulla reale rete di Ashanti, la differenza era ancora più critica: il metodo migliorato ha ridotto le perdite dell'81 percento, mentre il metodo standard è riuscito solo a una riduzione del 61,5 percento. Ciò suggerisce che il modo specifico in cui i ricercatori hanno programmato il loro algoritmo di ricerca conta profondamente quando si trattano reti reali complesse.

Lo studio ha anche sottolineato l'importanza di guardare al quadro finanziario a lungo termine, non solo al costo iniziale. Sebbene il piano più efficace richiedesse un investimento iniziale maggiore di 26,60 milioni di dollari, i ritorni su quindici anni sarebbero stati sostanziali. I ricercatori hanno calcolato che i soldi risparmiati non sprecando elettricità, uniti ai soldi guadagnati vendendo energia solare e commissioni di ricarica, avrebbero ripagato il costo iniziale in soli due o tre anni. Dopo di allora, il sistema avrebbe continuato a generare profitti per il resto del periodo di quindici anni. Questa scoperta sfida l'idea che riparare una rete guasta sia puramente una spesa; mostra invece che, con il giusto mix di tecnologie, una società di servizi pubblici può trasformare una rete in difficoltà in un asset redditizio. La ricerca non si è fermata ai numeri, tuttavia. Ha anche mappato esattamente dove dovrebbero andare questi dispositivi. Ad esempio, ha identificato specifici bus, o punti di connessione, nella regione di Ashanti dove posizionare un grande generatore solare avrebbe il massimo impettimento nel ridurre lo spreco, e altri punti specifici dove un banco di condensatori sarebbe migliore per stabilizzare la tensione.

Uno degli approfondimenti chiave del lavoro è che queste tre tecnologie — energia solare, condensatori e stazioni di ricarica — devono essere pianificate insieme, non separatamente. Se una società di servizi pubblici installasse pannelli solari in una località e stazioni di ricarica in un'altra senza considerare come si influenzano a vicenda, il risultato potrebbe essere una rete che è ancora inefficiente o instabile. Lo studio ha dimostrato che quando questi asset sono trattati come un sistema coordinato e unico, i generatori solari e i banchi di condensatori possono lavorare in tandem per compensare l'impatto delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici. I pannelli solari forniscono potenza attiva per soddisfare la domanda, mentre i banchi di condensatori forniscono potenza reattiva per stabilizzare la tensione, contrastando efficacementmente lo stress che le stazioni di ricarica per veicoli elettrici pongono sulla rete come carichi aggiuntivi. Questo approccio coordinato ha permesso ai ricercatori di eliminare tutte le violazioni di tensione nella rete, un traguardo che nessuna delle due tecnologie potrebbe raggiungere da sola in questo specifico contesto. Lo studio ha anche notato che le stazioni di ricarica per veicoli elettrici, modellate come carichi aggiuntivi che aumentano la domanda, hanno in realtà contribuito alla salute finanziaria del progetto fornendo un flusso costante di entrate attraverso le commissioni di ricarica.

I ricercatori sono stati attenti a fondare le loro conclusioni sulla realtà del contesto ghanese. Hanno utilizzato dati reali dalla rete della Regione di Ashanti, inclusa la disposizione reale dei cavi, il carico reale di elettricità utilizzata e i costi specifici delle apparecchiature in quella regione. Non si sono affidati a condizioni idealizzate o assunzioni teoriche che potrebbero non reggere nella pratica. Ad esempio, hanno tenuto conto del fatto che i pannelli solari non producono energia di notte e che la ricarica dei veicoli elettrici avviene in momenti specifici della giornata. Hanno anche considerato il costo di sostituzione delle apparecchiature, come gli inverter, che sono i dispositivi che convertono l'energia solare in una forma che la rete può utilizzare. Includendo questi costi e vincoli del mondo reale, lo studio fornisce una tabella di marcia che le società di servizi pubblici in Ghana e in regioni simili potrebbero effettivamente seguire. I risultati suggeriscono che anche nelle reti che sono attualmente in difficoltà con alte perdite e bassa tensione, esiste una via verso un futuro stabile e redditizio, a patto che la pianificazione sia fatta con precisione e coordinazione.

Lo studio ha anche confrontato i suoi risultati con ricerche precedenti su reti simili per garantire che i suoi metodi fossero solidi. Quando testato su una rete elettrica standard e ben nota utilizzata dai ricercatori in tutto il mondo, l'algoritmo migliorato ha performato meglio di molti metodi esistenti, riducendo le perdite di energia in modo più efficace e trovando soluzioni più vicine all'ideale. Ciò ha dato ai ricercatori la fiducia che il loro approccio fosse robusto. Tuttavia, hanno anche riconosciuto i limiti del loro lavoro. I risultati si basano su simulazioni al computer, che sono strumenti potenti per testare le idee prima di costruirle, ma non sono una garanzia di ciò che accadrà nel mondo reale. Le prestazioni effettive dipenderanno da fattori come i modelli meteorologici, i cambiamenti nella domanda di elettricità e il comportamento preciso delle apparecchiature. Nonostante queste limitazioni, lo studio offre un caso chiaro e convincente per un nuovo modo di pensare alla pianificazione della rete. Si allontana dalla vecchia idea di aggiungere semplicemente più potenza o di risolvere un problema alla volta, e propone invece un approccio olistico in cui diverse tecnologie sono intrecciate per creare un insieme più forte ed efficiente.

In definitiva, il lavoro serve come dimostrazione di come gli strumenti di pianificazione moderni possano aiutare le nazioni in via di sviluppo a saltare le fasi più vecchie e inefficienti dello sviluppo della rete. Utilizzando algoritmi avanzati per trovare il miglior mix di energia solare, condensatori e stazioni di ricarica, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile trasformare una rete debole e ad alte perdite in un sistema affidabile e redditizio. Le scoperte sono particolarmente rilevanti per regioni come l'Ashanti, dove la rete è sotto pressione sia a causa delle infrastrutture invecchianti che della rapida crescita nelle nuove richieste energetiche. Lo studio suggerisce che la soluzione non risiede nello scegliere tra diverse tecnologie, ma nel comprendere come esse possano lavorare insieme. Con la giusta pianificazione, la rete può essere riabilitata, lo spreco di energia può essere drasticamente ridotto e il sistema può generare abbastanza profitto per sostenersi per gli anni a venire. La strada da seguire, secondo questa ricerca, è una di coordinazione, precisione e visione a lungo termine.