Multi regional power system transmission storage collaborative planning based on distributed optimization framework

La moderna rete elettrica non è più una semplice strada a senso unico dove l'elettricità scorre costantemente da poche grandi centrali elettriche verso case e fabbriche. È diventata una complessa rete bidirezionale dove il meteo detta l'offerta. I parchi eolici e i campi solari generano energia solo quando soffia il vento o splende il sole, spesso in regioni remote lontane dalle città che ne hanno più bisogno. Ciò crea un disallineamento fondamentale: l'energia è disponibile in un luogo a un certo momento, ma la domanda esiste in un altro luogo in un momento diverso. Per mantenere accese le luci, gli ingegneri devono risolvere un doppio enigma. Devono costruire nuove linee elettriche per spostare l'elettricità attraverso vaste distanze e devono installare enormi batterie per immagazzinare quell'energia per un uso successivo. La sfida consiste nel capire quanto di ciascuna cosa costruire e dove posizionarle, senza sprecare denaro o lasciare la rete vulnerabile.

Un team di ricercatori della State Grid Shanxi Electric Power Company ha affrontato questo enigma sviluppando un nuovo modo per pianificare il futuro di questi sistemi elettrici interconnessi. Invece di trattare la costruzione di nuove linee elettriche e l'installazione di sistemi di accumulo energetico come decisioni separate, hanno creato un modello unificato che ottimizza entrambi simultaneamente. Il loro approccio riconosce che una nuova linea elettrica e una grande batteria possono spesso svolgere lo stesso compito: entrambi permettono al sistema di gestire le oscillazioni imprevedibili dell'energia rinnovabile. Utilizzando un sofisticato quadro matematico che consente alle diverse regioni di risolvere i propri problemi di pianificazione rimanendo al contempo in sincronia con i propri vicini, i ricercatori hanno trovato un modo per progettare una rete che sia più economica, più efficiente e più capace di assorbire l'energia pulita rispetto ai metodi precedenti.

I ricercatori hanno testato il loro metodo su un sistema elettrico simulato a quattro regioni, uno scenario progettato per imitare la complessezza del mondo reale di una grande rete nazionale. In questo sistema, alcune regioni sono ricche di energia eolica e solare ma hanno meno popolazione, mentre altre hanno un'industria pesante e un'alta domanda di elettricità ma meno generazione rinnovabile. Il team ha confrontato il loro nuovo approccio coordinato con tre strategie più vecchie: una che costruiva solo nuove linee elettriche, una che installava solo batterie e una in cui ogni regione pianificava il proprio futuro senza parlare con le altre. I risultati sono stati chiari. Il piano coordinato, che decideva sia sulle linee di trasmissione che sulle batterie di accumulo nello stesso momento, ha prodotto il risultato migliore. Ha ridotto il costo annuale totale del sistema di decine di milioni di dollari rispetto alle altre strategie. Nello specifico, il nuovo piano ha risparmiato 36,5 milioni di yuan all'anno rispetto a un piano che costruiva solo linee, 44,7 milioni di yuan rispetto a un piano che acquistava solo batterie e ben 82,8 milioni di yuan rispetto all'approccio non coordinato in cui le regioni agivano da sole.

Oltre a risparmiare denaro, il piano coordinato ha migliorato significativamente la capacità del sistema di utilizzare l'energia rinnovabile. Nelle simulazioni, il nuovo metodo ha permesso alla rete di accettare e utilizzare 4,6 punti percentuali in più di energia eolica e solare rispetto alla strategia "solo linee" e 3,55 punti percentuali in più rispetto alla strategia "solo batterie". Questa è una distinzione cruciale perché sprecare l'energia rinnovabile, nota come scarto di produzione (curtailment), è una perdita economica e ambientale significativa. I ricercatori hanno scoperto che posizionando le batterie nei posti giusti e costruendo solo le nuove linee elettriche necessarie per collegarle, il sistema poteva smorzare le fluttuazioni quotidiane del vento e del sole. Le batterie si sarebbero caricate quando c'era troppa potenza e si sarebbero scaricate quando la domanda era alta, mentre le linee elettriche avrebbero spostato l'energia in eccesso da una regione ventosa a una soleggiata, o da una regione con bassa domanda a una con alta domanda. Questa combinazione di spostamento dell'energia attraverso lo spazio e l'accumulo dell'energia attraverso il tempo ha creato una rete molto più stabile e flessibile.

L'innovazione tecnica dietro questo successo non risiedeva solo nella pianificazione stessa, ma nel modo in cui i ricercatori hanno risolto il massiccio problema matematico richiesto per trovare la soluzione ottimale. Pianificare una rete per un intero paese comporta milioni di variabili: ogni possibile posizione per una nuova linea, ogni potenziale sito per una batteria, ogni ora del giorno e ogni possibile scenario meteorologico. Risolvere tutto questo in un unico programma informatico è incredibilmente difficile e lento, e spesso richiede che ogni regione condivida i propri dati privati con un'autorità centrale, il che non è sempre praticabile. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata ottimizzazione distribuita. Immaginate un gruppo di persone che cerca di risolvere un enorme puzzle. Invece di una sola persona che cerca di incastrare ogni pezzo contemporaneamente, dividono il puzzle in sezioni. Ogni persona lavora sulla propria sezione, ma controllano costantemente i bordi dove la propria sezione incontra quella del vicino per assicurarsi che i pezzi si incastrino perfettamente.

In questo studio, ogni regione del sistema elettrico ha risolto il proprio problema di pianificazione in modo indipendente, decidendo localmente dove costruire linee e batterie. Tuttavia, non lavoravano in isolamento. Scambiavano solo le informazioni relative alle linee elettriche che le collegavano ai vicini, garantendo che il totale della potenza che entrava e usciva corrispondesse perfettamente. Questo metodo ha permesso al team di eseguire i calcoli molto più velocemente. Mentre un modello informatico tradizionale e centralizzato impiegava oltre 82 secondi per trovare una soluzione, il nuovo metodo distribuito, eseguendo i calcoli regionali in parallelo, ha terminato in circa 21,5 secondi. Questo aumento di velocità è significativo perché significa che i pianificatori della rete possono eseguire molti più test di simulazione per testare diversi scenari, portando a decisioni più robuste e affidabili. Il metodo ha anche rispettato la privacy di ogni regione, poiché non era necessario rivelare i propri costi interni o i dettagli della rete a un'autorità centrale, ma solo le informazioni di confine necessarie per mantenere il sistema in equilibrio.

Lo studio ha confermato che fare affidamento su un solo strumento è insufficiente per il futuro dell'energia. Un piano che si concentra esclusivamente sulla costruzione di più linee elettriche tende a costruire eccessivamente, spendendo troppo in infrastrutture che potrebbero non essere pienamente utilizzate. Al contrario, un piano che si affida solo alle batterie può diventare troppo costoso perché tenta di immagazzinare ogni bit di energia in eccesso localmente, perdendo l'opportunità di spostare quell'energia dove è necessaria. L'approccio di pianificazione indipendente, in cui le regioni non si coordinano, porta ai risultati peggiori, con costi elevati ed energia sprecata perché le regioni costruiscono asset ridondanti o non riescono a sostenersi a vicenda quando necessario. Le scoperte dei ricercatori suggeriscono che la strada più efficiente è un mix bilanciato. Nel loro sistema simulato a quattro regioni, il piano ottimale prevedeva l'espansione di cinque specifici corridoi di trasmissione con quantità variabili tra 130 e 260 megawatt, installando contemporaneamente una capacità totale di 800 megawatt e 3.200 megawattora di accumulo energetico nelle quattro aree.

La configurazione specifica di queste risorse ha rivelato un modello chiaro. Le regioni con la più alta produzione di energia rinnovabile, che spesso affrontavano il rischio di sprecare tale potenza, sono state quelle che hanno beneficiato maggiormente dell'aggiunta di accumulo locale. Le batterie hanno agito come un cuscinetto, assorbendo l'energia in eccesso durante i periodi di massima produzione e rilasciandola durante il picco serale quando il sole è tramontato. Nel frattempo, le nuove linee di trasmissione hanno agito come una valvola di sicurezza, permettendo alle regioni di esportare il loro surplus ai vicini che stavano vivendo una carenza. Questa coordinazione ha significato che il sistema non aveva bisogno di costruire così tante linee massicce come il piano "solo linee", né di installare così tante batterie come il piano "solo batterie". Il risultato è stato un sistema in cui il costo totale è stato minimizzato e l'affidabilità è stata massimizzata.

I ricercatori hanno anche osservato come si comportava il sistema in una tipica giornata. Hanno scoperto che i flussi di potenza tra le regioni non erano statici; cambiavano direzione e intensità durante il giorno a seconda del meteo e della domanda. Al mattino, una regione potrebbe importare energia per soddisfare la domanda crescente, mentre nel pomeriggio, man mano che la produzione solare raggiunge il picto, quella stessa regione potrebbe passare all'esportazione di energia verso i suoi vicini. Le batterie hanno giocato un ruolo critico in questa danza, caricandosi quando la rete era piena di energia rinnovabile a basso costo e scaricandosi quando la rete aveva bisogno di energia. Lo stato di carica di queste batterie, che rappresenta quanto esse siano piene, è stato gestito attentamente per rimanere entro limiti sicuri, garantendo che fossero pronte per il ciclo successivo. Questa interazione dinamica tra accumulo e linee di trasmissione ha permesso alla rete di gestire la variabilità dell'energia rinnovabile con un livello di fluidità che nessuna delle due tecnologie potrebbe raggiungere da sola.

Lo studio conclude che questo approccio coordinato non è solo un esercizio teorico, ma una soluzione pratica per le sfide che la moderna rete elettrica deve affrontare. Utilizzando un quadro di ottimizzazione distribuita, i pianificatori della rete possono ottenere risultati quasi identici a quelli di un piano centralizzato perfetto, ma con i vantaggi aggiuntivi di velocità, privacy e scalabilità. Il metodo permette alle diverse regioni di mantenere la propria autonomia pur lavorando insieme per creare un insieme più efficiente e resiliente. Mentre il mondo si muove verso un futuro dominato da energia eolica e solare, la capacità di pianificare sia il movimento dell'energia attraverso lo spazio che il suo accumulo attraverso il tempo sarà essenziale. Questa ricerca fornisce una tabella di marcia chiara su come farlo, dimostrando che la chiave per una rete più economica, pulita e affidabile risiede nell'intelligenza della coordinazione dei suoi componenti fisici. Le scoperte suggeriscono che il futuro della pianificazione energetica non consiste nello scegliere tra linee o batterie, ma nel comprendere come esse lavorino insieme per risolvere il complesso puzzle dell'integrazione delle energie rinnovabili.