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COP25 – speranza o capolinea?

 

29 Novembre, 2019 Commenti (0) Ingegneria Energetica, Ingegneria Meccanica, Uncategorized Tempo di Lettura: 8'

Conservare energia: energy storage systems

Ci sono diversi modi per accumulare l’energia che produciamo. In questo articolo scopriremo perché è così importante poter conservare energia e quali sono i metodi più efficienti per farlo.

Troppa energia, poca energia

Tutte le reti elettriche sparse per il mondo hanno un problema comune: quello di riuscire a gestire l’alternanza tra momenti in cui c’è troppa energia e momenti in cui non ce n’è a sufficienza per soddisfare le richieste. Queste oscillazioni, che si manifestano diverse volte nell’arco di una giornata, hanno due cause principali:

  1. Incostanza nella produzione di energia. Quando si utilizzano fonti rinnovabili non si riesce a produrre energia elettrica in modo continuo: per esempio, i pannelli solari producono energia solo nelle ore e nei giorni in cui c’è luce; le turbine eoliche producono energia solo quando soffia non troppo né troppo poco vento, e così via. Questo fenomeno, a causa della transizione energetica e del graduale abbandono delle fonti fossili, diventerà presto una problematica sempre più importante.
  2. Incostanza della richiesta di energia. Ovviamente, nell’arco della giornata e nell’arco dell’anno la richiesta di energia elettrica da parte dei consumatori (grandi edifici, abitazioni, industrie, trasporti) non è costante. Durante la giornata, per esempio, si hanno importanti picchi di richiesta nelle prime ore della mattina e nel tardo pomeriggio; tra una giornata e l’altra, invece, l’energia usata per riscaldare o raffreddare gli edifici varia molto a seconda delle stagioni.

I due effetti non si compensano a vicenda, ma anzi spesso si sommano, generando sbalzi di carico nella rete elettrica. Con una produzione basata interamente sulle energie pulite si sarebbe costretti in qualche occasione a limitare l’uso di corrente elettrica, o nel caso opposto a spegnere le centrali per non immettere troppa corrente elettrica in rete.

Grafico che illustra le variazioni di produzione di energia pulita negli anni 2009-2015.

La soluzione più immediata

Per risolvere il problema, l’idea di base è quella di frapporre tra la produzione e il consumo un accumulatore di energia. Un accumulatore di energia (in inglese ESS, Energy Storage System) è un dispositivo in grado di conservare energia quando la rete rischia di sovraccaricarsi e di rilasciarla quando c’è molta domanda. Sembra tutto molto semplice, ma esistono nella realtà dispositivi del genere? Se ci pensate un attimo sono ovunque, anche se in piccola scala. Per esempio, il dispositivo dal quale state leggendo in questo momento ha al suo interno una batteria, che è appunto in grado di caricarsi e scaricarsi per conservare e rilasciare energia. La soluzione migliore sembra questa: se per accumulare piccole quantità di energia usiamo le batterie, perché non fare lo stesso con quantità di energia molto grandi usando… grandi batterie?

Energia elettrochimica

Queste “grandi batterie” esistono di già. Non sono lunghe qualche centimetro, ma diverse decine di metri, e hanno una grandissima capacità di accumulo. Recentemente, Tesla ha installato in Australia un’impianto di energy storage da 120 MWh; per dare un’idea dei numeri di cui stiamo parlando, la batteria di uno smartphone medio ha un valore di circa 10 milioni di volte più basso. La ricerca ha permesso di compiere passi da gigante nello sviluppo di questi dispositivi, e ulteriori miglioramenti aspettano solo di essere commercializzati nei prossimi; per ora si fa affidamento a diversi tipi di batteria a seconda dei bisogni dell’utilizzatore. La batteria a polimeri di litio per esempio è molto comoda per cicli di ricarica incostanti; la nichel-cadmio è utile per lunghi cicli di ricarica; la batteria nichel-metallo idruro ha capacità migliori rispetto alle altre.

Il Tesla Powerpack installato a Hornsdale, Australia. L’impianto è composto da molti moduli collegati a un software centrale che gestisce i flussi di corrente.

Il problema nella realizzazione degli ESS sta nel fatto che tutte le caratteristiche elencate sopra sono ugualmente importanti e non trascurabili. Un impianto deve infatti essere in grado di perdere pochissima energia nel processo, di agire con rapidità appena richiesto, di non creare problemi di affidabilità e di non perdere capacità col tempo; qualunque tipo di batteria si andrà a scegliere, si avranno sempre pregi e difetti per ogni parametro. A ciò si aggiunge anche il fatto che per il momento la manutenzione e lo smaltimento di impianti del genere sono abbastanza costosi e molto dannosi per l’ambiente. Esiste anche una soluzione, sempre basata sulle batterie, che potrebbe risolvere gli ultimi due problemi e che riguarda le auto elettriche: per saperne di più, consultate questo articolo.

Energia meccanica

L’energia può essere conservata con processi chimici, ma anche con processi meccanici che generano energia potenziale. I sistemi di accumulo che si sono rivelati più promettenti sono stati progettati dalle aziende Gravitricity e Energy Vault. Entrambi gli ESS nella fase di carico trasformano l’energia elettrica fornita in energia meccanica, per poi trasformare quest’ultima in energia potenziale.  Ma, teoria a parte, come si attuano queste trasformazioni? Vediamo come sono fatti i due sistemi.

Come funziona Gravitricity

Gravitricity è un’azienda che è stata selezionata come finalista della new energy challenge nell’ottobre 2019. L’ESS progettato è composto da una fune che collega un motore a un peso libero di cadere. Quando il sistema accumula energia, il motore viene azionato dall’energia elettrica per avvolgere la fune e sollevare il peso fino alla massima altezza possibile. Quando il sistema deve rilasciare energia, il peso viene lasciato cadere in modo da trasferire la sua energia cinetica nuovamente al motore. Infine, il motore converte nuovamente l’energia meccanica in energia elettrica. Il peso viene fatto scorrere in alto e in basso dentro un buco scavato nel terreno lungo circa 500 metri.

Sebbene questo sistema sia leggermente meno efficiente delle batterie, presenta diversi vantaggi: richiede pochissima manutenzione e grazie all’occupazione di suolo molto contenuta può essere installato quasi ovunque; inoltre, le sue prestazioni restano quasi invariate anche dopo 30 o 40 anni e il materiale a fine ciclo non ha impatti importanti sull’ambiente. A questo si aggiunge una velocità di risposta pressoché istantanea, molto utile per compensare gli effetti di improvvisi sbalzi di tensione che possono verificarsi occasionalmente.

Come funziona Energy Vault

Energy Vault ha pensato a una soluzione molto simile: l’ESS si basa sempre su pesi, motori e funi. A differenza di Gravitricity, è una gru sopraelevata a sollevare pesi dal terreno; inoltre non si ha un unico grande peso, ma si hanno decine di pesi più piccoli che, quando issati uno sopra l’altro, vanno a formare una torre. I due vantaggi rispetto al sistema Gravitricity sono dati da costi di installazione più contenuti e da una maggiore capacità massima (dovuta alla grande quantità di blocchi impilabile in ogni torre); tuttavia questa soluzione ha un’efficienza leggermente minore rispetto al primo sistema. La prima torre Energy Vault del mondo verrà installata nel nord Italia.

Il futuro dell’energy storage

Esistono molti altri tipi di ESS che conservano l’energia in altri modi. Per esempio, esistono già da diversi anni sistemi che lavorano in modo complementare alle dighe, portando in quota nei bacini grandi volumi di acqua quando si ha energia in eccesso. Un altro sistema prevede invece di conservare energia termica tramite compressione di volumi di aria. Tuttavia, per ora nessuna di queste soluzioni si è rivelata abbastanza efficiente da competere con le grandi batterie. Nel prossimo futuro scopriremo se i promettenti progetti di Gravitricity ed Energy Vault saranno in grado di affermarsi su un mercato che ha già un valore di 100 miliardi di dollari e che punta a raggiungere i 250 miliardi entro il 2040.

 

Fonti

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