FONTE: Solare B2B
COMBUSTIBILI FOSSILI, ENERGIA RINNOVABILE O TUTTI E DUE: QUALE DOVREBBE ESSERE IL MIX ENERGETICO FUTURO? ECCO L’IMPORTANZA DELLA PIANIFICAZIONE ENERGETICA (CHE IN ITALIA FATICA AD ARRIVARE)
di Tommaso Tiozzo Bastianello e Duccio Baldi *
Il concetto di energy planning, o pianificazione energetica, assume un significato diverso a seconda delle sue varie sfaccettature. In linea di massima può essere inteso come il processo di sviluppo di politiche a medio/lungo termine per aiutare a pianificare il futuro di un sistema energetico. Per fare ciò, spesso si usano approcci integrati che considerano sia la fornitura di energia che il ruolo dell’efficienza energetica nel ridurre la domanda. Se la pianificazione è condotta da enti governativi si ha la creazione di un quadro di regolamentazioni del settore energetico, con conseguente variazione dei prezzi dei combustibili o la costruzione di un certo tipo di centrali di produzione energetica. Negli ultimi due decenni molti Paesi hanno deregolamentato i loro sistemi energetici rendendo meno efficace il ruolo svolto dalla pianificazione energetica e lasciando prendere le decisioni principali dall’andamento dei mercati. Questo ha portato a una maggiore concorrenza nel settore energetico ma ha anche lasciato aperta la porta alle compagnie in cerca di mero profitto, incuranti dell’impatto mostruoso che i combustibili fossili hanno sul nostro pianeta. Come invertire dunque questa tendenza? Pianificando il sistema energetico futuro con anni di anticipo, tramite all’energy planning.
I DIVERSI APPROCCI
La pianificazione energetica viene principalmente condotta all’interno di organizzazioni governative, ma non sono da escludere alcuni esempi in cui il settore privato, con grandi compagnie energetiche specializzate in forniture elettriche o produzione di petrolio e gas, si avvalga di questi strumenti. La scala di utilizzo varia da progetti locali, regionali, nazionali, fino a studi globali e, se la pianificazione è condotta da enti governativi, la crescita demografica ricopre un ruolo fondamentale. Tuttavia, quando si parla di energy planning, si deve sempre specificare se la panoramica a cui ci riferiamo è di breve (short term) o lungo termine (long term). Nel primo caso, l’approccio è legato direttamente alla pianificazione delle operazioni. Per far si che un sistema energetico funzioni correttamente, si devono pianificare in anticipo tutti i sistemi e le operazioni di gestione a loro supporto che si nascondono dietro la generazione e la trasmissione dell’energia, conosciuti come servizi ausiliari (ancillary services). Mantenere la stabilità della rete (grid stability), la sicurezza del sistema e la qualità dell’energia fornita non è cosa da poco. Ciò richiede che una lunga lista di azioni, comprendenti la programmazione per evitare blackouts e disservizi, minimizzare le perdite del sistema e quelle monetarie nel mercato, passando per una graduale riduzione di CO2 nell’ambiente, vengano condotte in anticipo e con larga pianificazione. Il long term energy planning, invece, ha il fine di ottimizzare gli investimenti e raggiungere dei target prefissati minimizzando i costi e massimizzando il rendimento del sistema energetico come se fosse un’unica grande macchina in continuo movimento. Qui si analizzano quantitativamente gli scenari del settore energetico, costruiti con algoritmi matematici e modelli di sistemi energetici, per estrapolare target energetici (o di riduzione delle emissioni) a livello regionale o nazionale con le relative politiche e strategie di investimento. Tale pianificazione è ormai da anni una componente centrale dei processi di politica energetica in tutto il mondo. È lo strumento che setta la linea guida per le decisioni su quando, dove e come investire nel settore energetico. Il processo affrontato nel long term energy planning comprende appunto una serie di elementi, tra cui la stipulazione di accordi istituzionali, l’analisi di capacità e metodologie di modellazione, l’uso e la comunicazione degli scenari. Mentre molti paesi impiegano approcci consolidati in queste aree, la transizione energetica sta creando la necessità di rivalutare molti aspetti della metodologia di pianificazione e del ruolo che essa può avere.
STORIA E STRUTTURA
Come anticipato, l’energy planning ha una lunga storia dietro di sé. I primi tentativi di sviluppare modelli di sistemi energetici su larga scala, mirati a sviluppare politiche energetiche, sono documentati già all’inizio degli anni ‘70. In quel periodo si raggiunse infatti un livello abbastanza alto di potenza computazionale per elaborare simulazioni estese, fornendo più scenari utilizzabili e affermando dunque la loro importanza. I primi Energy System Models (ESM – modelli di sistemi energetici) avevano come campo di studio le tecnologie che ai tempi erano le più avanzate e necessarie per accompagnare l’incremento di attività industriale che i paesi più sviluppati stavano registrando. Tali tecnologie erano ovviamente basate solamente sui combustibili fossili, sia per la maggior reperibilità di materiale sia per il costo. È infatti solo a partire dagli anni ‘90, e soprattutto con la firma del protocollo di Kyoto nel 1997, che gli ESM si sono concentrati sull’integrazione delle energie rinnovabili nel sistema energetico e sulla riduzione dei gas serra (GHG). Introducendo dunque parametri di impatto ambientale che non avevano la pura convenienza economica come unico obiettivo. Gli ESM sono basati su algoritmi che considerano sia input tecnici che economici, e hanno l’obiettivo di creare una rappresentazione quanto piú dettagliata dei sistemi reali, pur ammettendo delle semplificazioni talvolta necessarie. Per sistema reale si intende, per esempio, la rete elettrica di una nazione con i suoi impianti di produzione (fossili e rinnovabili) e la sua rete di distribuzione. In qualsiasi modello energetico, si parte da una semplificazione di un sistema passato o presente che fornisce una caratterizzazione delle strutture esistenti e quindi lo scheletro del modello. Successivamente, è necessaria l’aggiunta di una serie di assunzioni che permettono di proiettare le traiettorie future, a volte troppo complicate per essere rappresentate, nel modo più realistico possibile. È bene sottolineare come la soluzione che viene trovata dal modello sia regolata da quello che è il target da raggiungere. Semplificando la difficoltà dietro tale operazione, un esempio di questo processo potrebbe essere predisporre il modello affinché si raggiunga una frazione di elettricità su territorio nazionale prodotta da fonti rinnovabili che sia superiore al 70% ad un dato anno. Una volta settato questo obiettivo, la soluzione finale sarà tale al fine di raggiungere la quota. Questi modelli poi scelgono la soluzione più efficiente o meno costosa, utilizzando un insieme di dati disaggregati. L’obiettivo comune di un processo di ottimizzazione è quello di trovare le strutture (cioè, la dimensione del sistema energetico) e le relative operazioni in modo da minimizzare i costi totali del sistema. Ogni problema ha una diversa progettazione dei parametri strutturali e del quadro in cui opera il sistema. In particolare, le quattro principali sfide relative ai modelli del sistema energetico sono legate alla rappresentazione del tempo e dello spazio, alla complessità del sistema, alla trasparenza e all’incertezza dei risultati, agli aspetti comportamentali e sociali.
I diversi tipi di mercati energetici in Europa
I mercati dell’elettricità europei, come mostrato in figura, si dividono in: mercati a lungo termine, mercati all’ingrosso, mercati di bilanciamento e infine mercati di ri-dispacciamento.
I mercati dell’energia a lungo termine (box gialli in figura) iniziano da circa quattro anni fino a un mese prima della consegna. Una selezionata borsa finanziaria organizza il commercio dell’elettricità, dove si possono comprare e/o vendere le quote energetiche. I prezzi dell’energia negoziati sono denominati per zona di offerta, che in buona parte dei casi presenta valori differenti relativi alle diverse zone all’interno dei confini nazionali. Se un operatore desidera acquistare quote energetiche tra zone di offerta trans-nazionali, i diritti di trasmissione interzonale a lungo termine devono essere acquisiti separatamente. Inoltre, se ritenuto necessario e sotto determinate condizioni, gli Stati membri possono decidere di istituire un mercato della capacità. Tale misura permette l’acquisto di elettricità da selezionate centrali elettriche in qualsiasi momento per soddisfare domande energetiche non preventivate.
I volumi scambiati nei mercati all’ingrosso (box rossi in figura) sono solo una frazione del volume finale di energia elettrica prodotta. Il mercato del giorno prima consiste in un’asta paneuropea che apre alle 8 del mattino e chiude a mezzogiorno, dove si scambiano i blocchi orari di energia per le 24 ore del giorno successivo. Anche in questo caso gli scambi sono organizzati da una o più borse per Stato membro. Dopo che il mercato del giorno prima è stato chiuso, si apre il mercato infragiornaliero che prevede per alcuni paesi transazioni effettuate tramite negoziazione continua (come in una borsa valori) e tramite aste in altri. Inoltre, i prezzi all’ingrosso fungono da riferimento di prezzo nei contratti a lungo termine.
Dopo la chiusura delle negoziazioni nel mercato infragiornaliero, il meccanismo di bilanciamento (box verdi in figura) si attiva per garantire che offerta e domanda corrispondano sempre in tempo reale. Ciascuno stato ha un ente responsabile delle attività di trasmissione di energia elettrica sulla rete ad alta e altissima tensione, chiamati TSO (Transmission System Operator). In Italia tale ruolo è ricoperto da Terna, che si occupa del saldo in tempo reale nella propria area di controllo. I vari TSO stipulano contratti con almeno un anno di anticipo fino a un giorno prima della consegna per garantire che ci sia sempre energia sufficiente.
Il ri-dispacciamento (box azzurro in figura) viene utilizzato principalmente nelle regioni con un’elevata percentuale di produzione di energia rinnovabile, e si intende la redistribuzione della produzione di energia elettrica. Non appena vengono ricevuti i programmi, i TSO eseguono il cosiddetto calcolo del flusso di carico o del carico di rete per preparare una panoramica dell’immissione in rete e del consumo previsti per il giorno successivo. Analizzano il dispacciamento per determinare se alcune parti della rete elettrica potrebbero essere influenzate negativamente e in quale misura. Per ridurre al minimo il numero degli interventi di stabilizzazione della rete a breve termine del giorno successivo, il gestore del sistema di trasmissione può incaricare i gestori dell’impianto di posticipare la produzione di energia programmata in base al calcolo del flusso di carico del giorno successivo per evitare colli di bottiglia della rete. Alcuni Stati membri hanno fuso i mercati dell’energia di bilanciamento e del dispacciamento per semplificare le operazioni.
Cosa sta succedendo nei mercati
Tenendo a mente quanto spiegato sui mercati in Europa, proviamo ad analizzare l’andamento degli ultimi mesi. Da una parte, nel secondo trimestre di quest’anno (n.d.r. 2021) il consumo di elettricità in Europa è tornato molto vicino ai livelli pre-pandemia, grazie anche all’aumento dell’attività economica in risposta all’allentarsi delle misure di blocco del Covid19, pur rimanendo leggermente al di sotto dei livelli del 2019 (- 0,5%). Dall’altra, i prezzi dell’energia sono saliti ai massimi storici. Si è creata infatti la tempesta perfetta da un incrocio sfavorevole di fattori: un forte aumento dei prezzi delle materie prime (principalmente gas) in combinazione con un aumento della domanda di energia legata alla ripresa economica e alle fluttuazioni di temperatura in Europa che hanno portato ad un inverno più rigido delle attese nella prima metà dell’anno, dimezzando le riserve di gas europee.
Inoltre, in misura minore, anche il rafforzamento dei prezzi del carbonio ha contribuito all’aumento dei prezzi. Nello specifico, il sistema europeo di tassazione all’emissione di CO2 (ETS – Emission Trading System) impone un pagamento agli impianti che producono elettricità da fonti fossili (e.g. gas e carbone), questo ha comportato un ulteriore aumento del prezzo. Quindi l’ETS non funziona? Tutt’altro, con i soldi raccolti da queste tasse si finanziano in maniera massiccia i progetti di energia da fonti rinnovabili. È stato l’insieme di fattori che ha fatto saltare il banco, portando i prezzi all’ingrosso dell’elettricità ad aumentare del 180% (su base annua ad agosto) e registrare un aumento di cinque volte superiore rispetto ai prezzi più bassi registrati durante la pandemia1.
COME SI USANO
Nell’ambito della pianificazione energetica esistono vari ESMs, con diverse strutture e finalità. Tra quelli più comunemente usati c’è Times, che integra un’analisi olistica di tutto il sistema energetico, dalla provvigione e raffinazione delle materie prime, fino alla generazione elettrica, ai trasporti e l’efficienza energetica. Balmorel invece, rappresenta dettagliatamente il sistema elettrico partendo dalla pianificazione degli investimenti necessari fino al dispacciamento di energia elettrica. Un altro modello comunemente usato è anche PowerFactory, che si occupa di rappresentare nel dettaglio la rete elettrica e di garantirne la sicurezza necessaria in termini di provvigione e bilanciamento. Altri modelli che presentano caratteristiche simili ai sopra citati e che vengono utilizzati frequentemente sono Message, Leap, Pss/E, Homer, e la lista continua. Tutti questi ESMs si possono combinare tra loro per ottenere l’analisi desiderata, fornendo a chi fa politiche energetiche un ampio spettro di analisi. Come accennato in precedenza, l’energy planning può guidare il processo di stesura di politiche energetiche illustrando le diverse strategie per raggiungere e soddisfare la domanda energetica del futuro, tenendo conto dei target climatici, indicando il giusto momento in cui investire in certe tecnologie. Ma chi sono quindi gli enti che ne fanno utilizzo? A livello internazionale, IEA (Agenzia internazionale dell’energia) e Irena (Agenzia internazionale di energia rinnovabile) supportano con la loro esperienza sul campo energetico i Paesi del mondo, rispettivamente dal 1974 e dal 1981. Entrambe le agenzie producono annualmente dei report sullo status dei sistemi energetici globali e sulle traiettorie da seguire per rispettare i target climatici. Sono entrambe famose per il loro rispettivo World Energy Outlook (WEO) e World Energy Transition Outlook (WETO), che analizzano i dati provenienti da tutti i paesi del mondo e forniscono una panoramica dettagliata sul presente e futuro. Queste agenzie offrono anche i loro servizi di consulenza a governi e compagnie private su come utilizzare e integrare nelle loro operazioni un certo tipo di ESM. I governi utilizzano questi sistemi per programmare gli investimenti sull’infrastruttura energetica su lungo termine e strutturare un approccio intelligente su come distribuire i relativi incentivi sul territorio. Senza l’utilizzo di ESMs diventa molto difficile stabilire un processo di transizione energetica che non vada a discapito del cittadino, sia dal punto dei disservizi che dal lato economico (aumento dei costi in bolletta). Nel settore privato, come la grande industria, questi modelli vengono utilizzati in supporto alle strategie di programmazione degli investimenti in relazione ai piani di sviluppo delle nazioni. Bisogna immaginare che quando uno stato, come l’Italia per esempio, decide di investire in una certa tecnologia, ciò comporterà un massiccio movimento di capitale per i servizi e infrastruttura. Entrambi elementi che interessano al settore privato.
UN ESEMPIO DAL VIETNAM
Uno degli strumenti più utili per la pianificazione energetica, sia da parte di enti pubblici che privati, è l’energy outlook. Un documento contenente un’analisi dello stato attuale e passato di un sistema energetico e di come esso si potrebbe sviluppare in futuro considerando diversi scenari, sempre e comunque ai fini di soddisfare gli obbiettivi regionali, nazionali ed internazionali preposti. L’esempio proposto in questo articolo è il “Vietnam Energy Outlook Report 2019”, prodotto da Erea (agenzia nazionale dell’energia vietnamita), e da Depp (agenzia nazionale dell’energia danese), nell’ambito dell’accordo Danish Energy Partnership Program tra i rispettivi governi. Il report inizialmente descrive lo status e le tendenze del momento in Vietnam, discutendo le politiche e gli obbiettivi del governo a livello ambientale ed energetico, con i relativi ostacoli da superare nel lungo periodo. Queste politiche trattano varie tematiche e i target descritti nella Table 1 si traducono in percentuali di energie rinnovabili rispetto alla produzione di elettricità o all’approvvigionamento di energia primaria, in miglioramenti nell’efficienza energetica rispetto allo stato attuale e nelle emissioni di gas serra rispetto alle tendenze attuali. Come descritto precedentemente, una componente essenziale ai fini dell’energy planning è la scelta degli scenari da analizzare ai fini di ricreare le condizioni desiderate per lo sviluppo del sistema energetico. Per esempio, nel caso del Vietnam Energy Outlook, si considerano cinque scenari (Figura 1). Il caso di riferimento (C0 – Unrestricted) serve come termine di paragone rispetto agli altri scenari e illustra lo sviluppo del sistema energetico nel caso in cui le condizioni attuali non variassero e nessuna politica venisse applicata. Gli altri scenari analizzano come il sistema si modifica secondo determinate condizioni scelte a priori, come per esempio soddisfare i targets nazionali sul clima o vietare gli investimenti in nuovi impianti di produzione elettrica da carbone dal 2025. La parte più significativa del report comprende l’analisi dei risultati, la comparazione di essi tra i vari scenari e le raccomandazioni finali per chi prende le decisioni a livello governativo, con un focus speciale sulla metodologia di approccio su come affrontare gli ostacoli presenti nel sistema. Tra gli indicatori analizzati ci sono due valori energetici agglomerati, il Total primary energy supply (Tpes) e il Total final energy consumption (Tfec), ovvero la provvigione e il consumo di energia primaria che permettono di quantificare le risorse necessarie e in che settori esse verrebbero utilizzate da oggi al 2050. Altre variabili importanti da analizzare sono lo sviluppo della capacità elettrica e della generazione di elettricità. In particolare, la Figure 2 mostra, per ognuno dei cinque scenari, quali tecnologie e la frazione necessaria ai fini del raggiungimento degli obiettivi predeterminati al 2050. Tra gli altri output del modello ci sono indicatori come i costi di sistema, che considerano ogni costo di investimento e operazionale come il mantenimento del sistema e l’approvvigionamento dei combustibili (fuels) per far funzionare le centrali, le emissioni di CO2, e la percentuale di rinnovabili nel mix energetico di capacità installata ed elettricità generata. Il report poi si sviluppa in analisi dettagliate delle risorse che caratterizzeranno l’energy mix del futuro in Vietnam, della dipendenza nazionale dall’import dei combustibili, degli effetti dei diversi livelli di efficienza energetica nei settori residenziale, commerciale, industriale e dei trasporti, dello sviluppo delle diverse fonti di energie rinnovabili nel territorio, del bilanciamento della rete elettrica, dell’impatto climatico e delle emissioni. Tutti queste tematiche vengono analizzate e vengono fatte una serie di raccomandazioni sulle politiche da attuare per supportare lo sviluppo di un sistema energetico quanto più sostenibile e in linea con gli obbiettivi.
E IN ITALIA?
Negli ultimi due decenni molti Paesi hanno deregolamentato i loro sistemi energetici rendendo meno efficace il ruolo svolto dalla pianificazione energetica e lasciando prendere le decisioni principali dall’andamento dei mercati. Questo ha portato a una maggiore concorrenza nel settore energetico provocando però poche agevolazioni al consumatore finale in termini economici, con la creazione di monopoli energetici con grandi poteri decisionali nel fissare i prezzi dell’energia. Questa tendenza sembra ora invertirsi con la crescita delle preoccupazioni per l’impatto ambientale del consumo e della produzione di energia, in particolare alla luce della minaccia del cambiamento climatico globale, che è causato in gran parte dalle emissioni di gas serra dai sistemi energetici del mondo. È cristallino come pianificare per tempo la propria strategia energetica favorisca non solo il cittadino ma anche l’ambiente. Anche per l’Italia è arrivato il momento di creare un pool governativo mirato alla creazione di un’unica agenzia energetica italiana che renda trasparenti i progetti di transizione energetica e che in parallelo costruisca, per la prima volta, un Italian Energy Outlook. I benefici sarebbero plurimi: da una maggiore considerazione a livello internazionale, a una chiara strategia di approccio del problema che potrebbe attirare investimenti esteri, passando per un senso unitario di comunione tra i propri cittadini. Se il Vietnam è in possesso di questi strumenti ormai da qualche anno, c’è speranza anche per l’Italia.
* Duccio Baldi e Tommaso Tiozzo Bastianello sono due ingegneri energetici specializzati in energia rinnovabile e modellazione di sistemi energetici. Dopo aver conseguito entrambi il master all’estero (Duccio in Olanda e Tommaso in Danimarca) e successivamente accumulato esperienze internazionali in enti come GIZ (governo tedesco), IRENA (agenzia internazionale delle energie rinnovabili) e in Commissione Europea, hanno deciso di tornare in Italia per contribuire attivamente alla transizione energetica, fondando una startup sulle comunità energetiche: EnCo – Energia Collettiva.
