Energy Storage

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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.