Energy Storage
Aree d'Intervento > Energie Alternative > E-Mobility > Focus
Nel corso dell'ultimo secolo, l'industria
dell'immagazzinamento dell'energia ha continuato ad evolversi, adattarsi e
innovarsi in risposta ai mutevoli requisiti energetici e ai progressi della
tecnologia.
Le fonti energetiche tradizionali - come le centrali
elettriche a carbone e a gas naturale - devono essere accese e spente a causa
delle fluttuazioni della domanda e non funzionano quasi mai alle massime
prestazioni.
Ciò significa che l'energia non solo costa di più, ma inquina
di più, di quanto sia necessario per soddisfare le nostre esigenze
energetiche.
Con l'adozione diffusa di risorse di energia
rinnovabile, lo stoccaggio di energia è divenuto ancora più utile.
Come è spesso noto, queste fonti di energia sono di
natura intermittente, producendo energia quando il sole splende e il vento
soffia.
E l’irregolarità di fornitura di queste strutture di
generazione non può rispondere ai picchi di domanda in tempo reale, portando
potenzialmente a cali di tensione e scarsa qualità dell'energia.
Conservando l'energia prodotta e distribuendola su
richiesta, queste tecnologie pulite possono continuare ad alimentare la nostra
rete anche quando il sole è tramontato e l'aria è ferma, per creare un flusso
di energia continuo e affidabile per tutto il giorno.
Ma immagazzinare energia da diverse risorse da
utilizzare in un momento diverso è solo una delle molte applicazioni di
accumulo di energia.
Le tecnologie di stoccaggio migliorano anche la
qualità dell'energia attraverso la regolazione della frequenza, consentono alle
aziende di produrre energia quando è più economica e più efficiente e
forniscono una fonte ininterrotta di energia per infrastrutture e servizi
critici.
Possono distinguersi diversi approcci a questo
settore.
Nel seguito una sintesi delle categorie di accumulo più
utilizzate:
A) Batterie: una gamma di soluzioni di
stoccaggio elettrochimico, tra cui batterie chimiche avanzate, batterie di
flusso e condensatori. Ad Alessandro Volta è attribuita l'invenzione della
prima batteria nel 1800. Da allora, i progressi nella tecnologia e nei
materiali hanno notevolmente aumentato l'affidabilità e i volumi di produzione (e
le economie di scala) hanno ridotto drasticamente i costi associati. Sono
tante le tipologie sviluppate. La tecnologia più diffusa è quella al Piombo (ampiamente utilizzata,
praticamente in tutti i veicoli a motore, ma anche in applicazioni industriali,
domestiche e commerciali per stoccaggio di energia). Esistono anche le Batterie
Redox Flow, che rappresentano una
classe di accumulo dell’energia elettrochimica. Le Batterie al nichel-cadmio (Ni-CD, che pur non
essendo poco costose, sono tipiche per applicazioni di energia rinnovabile e di
telecomunicazioni o off-grid che raggiungono un funzionamento quasi esente da
manutenzione rispetto all’elettrolita. Le Batterie allo zolfo di sodio (Nas), originariamente sviluppate dalla Ford Motor
Company negli anni ’60, sono state successivamente proposte all NGK giapponese.
La tecnologia della batteria NaS è stata dimostrata in Giappone ed utilizzata
ad Abu Dhabi. Per funzionare ha bisogno di temperature maggiori di 300
ºC, ma assicura efficienze dell’89%. Esistono anche le Batterie di Flusso ferro-cromo (ICB), che furono introdotte e
studiate ampiamente dalla NASA negli anni '70 e sono maggiormente utilizzate per
il backup delle telecomunicazioni. Mentre le Batterie allo zinco-bromo (ZNBR), sono state testate
su rimorchi trasportabili con potenze fino a 3 MWh, per applicazioni su vasta
scala. Più sistemi di queste dimensioni potrebbero essere collegati in
parallelo per l'uso in applicazioni molto più grandi (l’Australia è lo stato
che li sta testando da parecchi anni). In ultimo le Batterie agli ioni di litio (Li-ion), presentate negli anni ’70 e proposte dalla
Sony negli anni ’90 per l’elettronica di consumo. Molte aziende stanno
sviluppando celle di formato sempre più grande da utilizzare in applicazioni di
accumulo di energia per i veicoli elettrici (EV). Le celle agli ioni di litio
possono essere prodotte in formato cilindrico o prismatico (rettangolare). Queste
celle sono quindi tipicamente integrate in moduli multi-cella in serie e / o
array paralleli e i moduli sono collegati tra loro per formare una stringa di
batteria alla tensione richiesta, con ciascuna stringa controllata da un
sistema di gestione elettronico.
B) Termico: la cattura di calore e freddo per
creare energia su richiesta o compensare il fabbisogno energetico. Le
tecnologie di accumulo dell'energia termica ci consentono di riservare
temporaneamente l'energia prodotta sotto forma di calore o freddo per l'uso in
un altro momento. Prendiamo ad esempio le moderne centrali solari
termiche, che producono tutta la loro energia quando il sole splende durante il
giorno. L'energia in eccesso prodotta durante il picco della luce solare
viene spesso immagazzinata in queste strutture - sotto forma di sale fuso o
altri materiali - e può essere utilizzata la sera per generare vapore per guidare
una turbina per produrre elettricità. In alternativa, una struttura può
utilizzare tariffe elettriche "non di punta" che sono più basse di
notte per produrre ghiaccio, che possono essere incorporate nel sistema di
raffreddamento di un edificio per ridurre la domanda di energia durante il
giorno. Un altro esempio è rappresentato dallo stoccaggio elettrico a calore pompato. l'elettricità viene
utilizzata per guidare un motore di accumulo collegato a due grandi magazzini
termici. Per immagazzinare elettricità, l'energia elettrica guida una
pompa di calore, che pompa il calore dalla "cella frigorifera" alla
"cella calda" (simile al funzionamento di un frigorifero). Per
recuperare l'energia, la pompa di calore viene invertita per diventare un
motore termico. Il motore prende calore dal magazzino caldo, fornisce
calore residuo al magazzino frigorifero e produce lavori meccanici. Durante
il recupero di elettricità il motore termico aziona un generatore.
C) Stoccaggio meccanico: altra tecnologia
innovativa per sfruttare l'energia cinetica o gravitazionale per immagazzinare
elettricità. I sistemi di accumulo di energia meccanica sfruttano le forze
cinetiche o gravitazionali per immagazzinare energia immessa. Prendiamo
ad esempio il Volano. Un volano è un dispositivo
meccanico rotante che viene utilizzato per immagazzinare energia di rotazione
che può essere richiamata istantaneamente. Al livello più elementare, un
volano contiene al suo centro una massa rotante azionata da un motore - e
quando è necessaria energia, la forza rotante aziona un dispositivo simile a
una turbina per produrre elettricità, rallentando la velocità di rotazione. Un
volano viene ricaricato utilizzando il motore per aumentare nuovamente la sua
velocità di rotazione. Il sistema è in grado di catturare energia da fonti
energetiche intermittenti nel tempo e fornire alla rete una fornitura continua
di energia ininterrotta. I volani sono anche in grado di rispondere
istantaneamente ai segnali di rete, offrendo regolazione della frequenza e
miglioramenti della qualità dell'elettricità. Alcuni dei principali vantaggi della conservazione dell'energia del volano
sono la bassa manutenzione e la lunga durata (alcuni volani sono in grado di
eseguire oltre 100.000 cicli di scarico a profondità totale). Attualmente,
i volani ad alta potenza sono utilizzati in molte applicazioni aerospaziali e
UPS. E’ particolarmente adatto a diverse applicazioni, tra cui la
qualità e l'affidabilità dell'alimentazione del servizio elettrico, il
passaggio attraverso l'avvio di gruppi elettrogeni per backup a lungo termine,
regolazione dell'area, regolazione rapida dell'area e risposta in frequenza. Questa
soluzione può anche essere preziosa come sottosistema nei veicoli ibridi che si
fermano e si avviano frequentemente come componente dei sistemi di frenata
rigenerativa di bordo.
D) Idrogeno: con questa tecnologia la
generazione di elettricità in eccesso (ad esempio delle rinnovabili) può essere
convertita in idrogeno tramite elettrolisi e immagazzinata (ed eventualmente
ri-convertita in elettricità successivamente). Oggi l'efficienza di conversione
è inferiore rispetto ad altre tecnologie di accumulo. L'idrogeno può
essere ri-elettrificato in celle a combustibile con efficienze fino al 50% o in
alternativa bruciato in centrali a gas a ciclo combinato (efficienze fino al
60%). Nonostante questa bassa efficienza, l'interesse per l'accumulo di
energia all'idrogeno sta crescendo a causa della capacità di immagazzinamento
molto più elevata rispetto alle batterie tradizionali. Piccole quantità di
idrogeno (fino a pochi MWh) possono essere immagazzinate in recipienti sotto
pressione, oppure idruri di metallo solido o nanotubi con una densità molto
elevata. Grandi quantità di idrogeno possono essere immagazzinate in
caverne di sale sotterranee costruite fino a 500.000 metri cubi (il che
significa fino a circa 100 GWh di elettricità immagazzinata). In questo
modo è possibile livellare periodi più lunghi di difetti o di eccesso di
produzione di energia eolica / fotovoltaica. Anche il bilanciamento delle
variazioni stagionali potrebbe essere possibile.
E) Energia idroelettrica pompata: consiste nella creazione di serbatoi di energia su larga scala con acqua.
La gravità è una forza potente e inevitabile che ci circonda in ogni momento, e
sostiene anche una delle tecnologie di accumulo dell'energia più consolidate, l'energia
idroelettrica pompata. Attualmente è il tipo più comune di accumulo di
energia. Una diga idroelettrica si basa sull'acqua che scorre
attraverso una turbina per creare elettricità da utilizzare sulla rete. Le
strutture di stoccaggio idroelettrico pompate immagazzinano energia sotto forma
di acqua in un serbatoio superiore. Durante i periodi di forte domanda di
elettricità, l'energia viene generata rilasciando l'acqua immagazzinata e pompandola
ad un altro serbatoio a una quota inferiore. Facendola passare attraverso turbine
idroelettriche.