When the Grid Overflows: A Novel Probabilistic Framework to Assess the Success of Storing Excess Electricity as Heat under Historical Surplus Regimes in High-Temperature ATES (HT-ATES) Systems

Sintesi Tecnica: Quando la Rete Trabocca: Un Nuovo Quadro Probabilistico per Valutare il Successo dell'Immagazzinamento dell'Eccesso di Elettricità sotto Forma di Calore in Sistemi HT-ATES (High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage)

Definizione del Problema
La rapida espansione dell'elettricità da fonti rinnovabili variabili (VRE) nei sistemi elettrici europei, in particolare in Germania e Francia, ha portato a ricorrenti periodi di eccedenza elettrica in cui la generazione supera la domanda istantanea e la flessibilità di sistema. Sebbene la conversione di questo surplus in calore tramite tecnologie Power-to-Heat (PtH) offra una via per utilizzare l'energia altrimenti soggetta a curtailment (limitazione della produzione), esiste un disallineamento temporale fondamentale: i picchi di generazione rinnovabile (ad esempio, l'eolico in inverno, il solare in estate) spesso non coincidono con la domanda di riscaldamento stagionale. È necessario un sistema di stoccaggio termico stagionale (STES) per colmare questo divario. Tuttavia, le tradizionali valutazioni di fattibilità per l'Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) si basano su metriche statiche di Probabilità di Successo (PoS) geologiche (ad esempio, temperatura del serbatoio, trasmissività). Questi modelli statici non riescono a catturare la dinamica operativa della conversione dell'elettricità rinnovabile fluttuante in calore utilizzabile nel tempo, lasciando un vuoto nella comprensione se un acquifero geologicamente idoneo possa soddisfare in modo affidabile specifici obiettivi di calore stagionale sotto regimi di eccedenza realistici.

Metodologia
Lo studio propone una nuova definizione operativa di PoS: la probabilità che un sistema ATES fornisca un obiettivo di calore stagionale predefinito in condizioni operative realistiche, piuttosto che possedere meramente la capacità geologica di immagazzinare calore. La metodologia impiega un modello di inventario basato su Monte Carlo applicato al sistema HT-ATES di Neubrandenburg, in Germania, come caso di studio.

1. Base di Dati: Il modello utilizza dati empirici settimanali sull'elettricità in eccesso dalla Germania (2015–2022), un periodo caratterizzato dalla coesistenza di baseload nucleare ed espansione delle rinnovabili. Questi dati sono discretizzati in tredici bin di 4 settimane per preservare la variabilità stagionale.
2. Logica dell'Inventario: Il modello simula cicli di stoccaggio annuali utilizzando un approccio di "inventario commerciale" (business inventory). Monitora l'inventario termico dell'acquifero ($S_b$) attraverso sequenze di bin temporali, vincolato da:
   • Limiti di Iniezione: Il minimo tra l'elettricità in eccesso disponibile (convertita in calore), i limiti di portata idraulica (portata $\times$ differenza di temperatura) e la capacità residua dell'acquifero.
   • Limiti di Produzione: Il minimo tra la domanda di calore stagionale, i tassi massimi di produzione sostenibile e l'energia immagazzinata disponibile.
   • Fattore di Recupero: Viene applicata un'efficienza di recupero del 70% all'energia estratta.
3. Simulazione: Il modello esegue 20.000 realizzazioni Monte Carlo. In ogni iterazione, i valori dell'elettricità in eccesso vengono campionati casualmente dal dataset storico per specifiche finestre di ricarica (primavera e tarda estate), mentre la produzione è limitata alle stagioni di riscaldamento.
4. Criteri di Successo: Una simulazione è considerata "di successo" se il calore cumulativo fornito durante il ciclo di produzione invernale soddisfa o supera un obiettivo specifico (che varia da 1 GWh a scale di intere città).

Contributi Chiave

• Quadro Operativo di PoS: Il documento sposta la definizione di successo del progetto dalle proxy geologiche statiche a una metrica dinamica orientata alla domanda, che integra i vincoli del sottosuolo con le condizioni stocastiche del sistema elettrico.
• Ricampionamento Empirico: A differenza degli approcci che si affidano a distribuzioni di probabilità adattate, lo studio utilizza il bootstrap non parametrico del campionamento dei dati storici dell'eccesso, preservando l'asimmetria (skewness), la variabilità e i pattern stagionali osservati nel sistema elettrico tedesco.
• Analisi Throughput vs. Capacità: Il quadro distingue esplicitamente tra il volume totale di stoccaggio di un acquifero e l'effettiva capacità termica di transito (capacità di potenza) determinata dalle portate e dalle differenze di temperatura, identificando quest'ultima come il collo di bottiglia primario per lo stoccaggio stagionale.

Risultati
Applicato a un sistema rappresentativo di un acquifero di arenaria profonda a Neubrandenburg (capacità di 12 GWh, portata di 80 m³/h, differenza di temperatura di 20 K, fattore di recupero di 0,7), lo studio produce i seguenti risultati:

• Curva della Probabilità di Successo (PoS): Per obiettivi bassi (fino a circa 2,5 GWh), la PoS rimane vicina al 100%. La PoS scende a circa il 50% per un obiettivo di 3,5 GWh e si avvicina allo zero per obiettivi superiori a 4–5 GWh.
• Limitazioni del Sistema: Il rapido declino della PoS non è dovuto alla mancanza di volume totale di stoccaggio (l'acquifero contiene 12 GWh), ma è governato dai vincoli di throughput termico. Il sistema è "limitato dalla potenza" piuttosto che "limitato dallo stoccaggio"; la velocità con cui il calore può essere iniettato e recuperato limita l'energia stagionale totale che può essere effettivamente utilizzata.
• Limitazioni di Scala: Una singola configurazione a doppietto non può soddisfare gli obiettivi di domanda su scala distrettuale (50 GWh) o cittadina (128 GWh), risultando in una PoS pari a zero per queste scale.
• Analisi di Sensibilità: L'aumento delle portate o delle differenze di temperatura sposta la curva della PoS verso destra, permettendo obiettivi più elevati prima del fallimento. Tuttavia, la forma fondamentale della curva rimane invariata, confermando che il collo di bottiglia del throughput è un vincolo intrinseco del sistema che non può essere eliminato esclusivamente tramite la regolazione dei parametri.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene che il quadro proposto fornisce una metodologia trasferibile e basata su scenari per valutare la fattibilità dell'ATES, andando oltre le tradizionali valutazioni del rischio statiche. Ridefinendo il successo come la probabilità di raggiungere un benchmark di fornitura di calore, lo studio offre una valutazione più realistica di come i sistemi ATES possano funzionare all'interno di sistemi energetici accoppiati (sector-coupled).

Gli autori affermano che la sola idoneità geologica non garantisce il successo operativo; invece, il successo è congiuntamente vincolato dalla capacità di stoccaggio e dalla capacità di trasferimento. Lo studio evidenzia che, affinché l'ATES possa servire come soluzione valida per lo stoccaggio a lungo termine dell'elettricità in eccesso, i progetti devono dare priorità alla scalabilità idraulica (ad esempio, configurazioni multi-doppietto) per superare i limiti di throughput. Inoltre, il quadro suggerisce che, in un contesto europeo più ampio, i sistemi ATES in regioni geologicamente idonee (come il bacino del Nord della Germania) potrebbero funzionare come buffer stagionali per gli scambi elettrici transfrontalieri, convertendo l'elettricità in eccesso esportata in calore invernale programmabile, a condizione che il throughput operativo sia sufficientemente scalato. La metodologia è presentata come uno strumento di supporto alle decisioni per i pianificatori per valutare le prestazioni dello stoccaggio sotto condizioni di contorno realistiche e stocastiche.