Sistemi di stoccaggio dell’energia a confronto: ecco ESOI nuovo indicatore prestazionale integrato

Ripetutamente, in queste pagine ho cercato di inquadrare il sempre più vasto fronte dei sistemi di accumulo elettrico, fondamentali, anche per un crescente numero di opzioni tecnologiche diverse, per rispondere alle diverse esigenze di un modello energetico distribuito, orientato oramai irreversibilmente verso la micro generazione spinta dalle rinnovabili, alcune delle quali, come solare ed eolico non programmabili (vedi post “Rinnovabili e nuovi sistemi di accumulo: connubio vincente). Proprio eolico e fotovoltaico, energie trainanti tra le rinnovabili, sullo sfondo delle “storiche”, idroelettrico e geotermico, necessitano di tecnologie differenti di accumulo da adottare nelle diverse taglie impiantistiche, permettendo di stoccare l’energia prodotta nei momenti di esubero della risorsa rinnovabile, per utilizzarla quando questa viene meno. Un problema che ha il suo apice nell’eolico ma che coinvolge pesantemente anche il solare fotovoltaico, soprattutto in giorni festivi e fortemente soleggiati, evitando sprechi e dissipazione e stabilizzando la rete elettrica. Riporto di seguito una mia schematizzazione già usata per inquadrare graficamente il sempre più grande perimetro dei sistemi di accumulo.

tecnologie di accumulo energia elettrica

Come evidente dalla schematizzazione, a quello che è stato l’accumulo storico del vecchio scenario elettrico senza le nuove rinnovabili, costituito dai pompaggi idroelettrici, si sono aggiunte strada facendo nuove famiglie tecnologiche di accumulo, suddivisibili nelle tre grandi famiglie, elettrochimiche, elettriche e meccaniche, molte fortemente attivate proprio dall’avanzata delle energie rinnovabili.
Il fronte immediato di approccio dei sistemi di accumulo di energia è costituito in questo momento dai piccoli sistemi residenziali, tipicamente abbinabili all’impianto fotovoltaico, dove si vanno affermando soluzioni semplici basate su accumuli a batterie, che stanno facendo registrare un rapido calo dei prezzi (-14% nel 2012), anche sulla spinta della crescente produzione di accumulatori per il mercato delle auto elettriche. Scenari diversi si vanno delineando invece relativamente agli accumuli per la rete, quando l’ordine di grandezza dell’energia da stoccare sale da pochi kWh di energia elettrica all’ordine superiore al MWh, mantenendo economicamente sostenibile l’energia accumulata.
L’universo degli accumulatori elettrochimici, che accumulano l’elettricità sfruttando la differenza di potenziale elettrochimico fra elettrodi diversi, è quello che ci riporta alla evoluzione delle batterie, giunto oggi ad un bouquet sempre più ricco e variegato, a cui, agli storici accumulatori al piombo, inquinanti e con caratteristiche non ottimali di carica e scarica, si sono aggiunte nuove famiglie tecnologiche, come nichel cambio prima e successivamente la tecnologie basate sul litio, e quelle che si rifanno a processi ad alata temperatura come sodio-zolfo e sodio-cloruro di nichel (le cosiddette ZEBRA-Sonick), di cui è co-detentrice del brevetto mondiale l’azienda italiana FIAMM. Salendo di taglia ci sono poi i sistemi di accumulo a circolazione di elettrolita come i sistemi Zinco-Bromo (ZnBr), e quelli a Sali di vanadio (Vn Redox). All’orizzonte infine, sul fronte elettrochimico, si intravedono le batterie metallo-aria, come le zinco-aria, alluminio-aria, etc, che già fanno intravedere densità di potenza anche doppie rispetto alla tecnologia oggi di riferimento litio-based.

Gli accumulatori di energia elettrica, meccanico-fisici, lavorano sotto forma di energia potenziale gravitazionale o di pressione, pompando acqua in bacini idroelettrici, come già accennato o comprimendo aria in strutture geologiche sotterranee (o CAES, compressed air energy storage). Si tratta di sistemi complessivamente economici, robusti e abbastanza efficienti, ma non realizzabili ovunque. A questi vanno aggiunti i cosiddetti volani, che sono dei dispositivi elettromeccanici in grado di accumulare energia, sfruttando l’energia cinetica posseduta da una massa posta in rotazione attorno ad un asse verticale.
Ci sono poi gli accumulatori puramente elettrici, nelle due grandi famiglie:

  • SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage): che immagazzinano l’energia elettrica sottoforma di campo magnetico utilizzando una bobina superconduttiva mantenuta a temperatura criogenica all’interno di un contenitore isolato termicamente I secondi, le batterie, 
  • Supercapacitori: che immagazzinano l’energia elettrica in forma sottoforma di campo elettrostatico, per le loro caratteristiche funzionali con tempi di scarica dell’ordine di minuti (comunque brevi), interessante anello di congiunzione tra batterie elettrochimiche (tempi di scarica dell’ordine di grandezza di ore) e condensatori di costruzione tradizionale (tempi di scarica dell’ordine di secondi).

Questa lunga premessa perché, anche in virtù del crescente interesse per questo sempre più ricco ambito di tecnologie disponibili, un ricercatore, ingegnere energetico presso la Stanford University, Charles Barnhart, ha elaborato una ricerca pubblicata sulla rivista Energy & Environmental Science (link articolo), nella quale ha messo a punto un parametro indicatore in grado di descrivere la convenienza economica e ambientale dei vari sistemi di accumulo.
Pompaggi_idro_italiaUn indicatore interessante per orientare l’assetto degli accumuli, soprattutto quelli di rete, nei diversi paesi. In Italia è storicamente presente un insieme consolidato di pompaggi idroelettrici (vedi figura a fianco con, in colore ciano i pompaggi puri ed in colore verde i pompaggi misti), integrato da uso di batterie per esempio per impianti eolici abbastanza isolati. Diversa per esempio la situazione tedesca, che, non avendo grandi potenzialità idroelettriche adatte per il pompaggio, sta studiando sia il CAES in caverne, ed accumuli chimici, sotto forma di metano sintetico. I pro e contro di questi metodi ben presto dovranno essere attentamente studiati, per decidere il mix di sistemi di accumulo da utilizzare.

BarhartMa cerchiamo di capire meglio le basi del nuovo indicatore messo a punto da Barnhart (foto a sinistra), denominato ESOI (energy stored on investment). L’indicatore, una specie di EROEI (l’Energy Returned On Energy Invested) o Ritorno energetico dell’investimento sull’investimento energetico, è elaborato attraverso l’energia accumulata nell’intera vita dell’impianto, moltiplicata per l’efficienza nel ciclo di accumulo/rilascio, diviso per l’energia impiegata per la costruzione e installazione dell’impianto. In questa prima elaborazione, Barnhart ha limitato l’analisi ai pompaggi idroelettrici, all’aria compressa (CAES) e a cinque tipi di batterie: al litio, al sodio-zolfo, allo zinco-bromo, al vanadio (flusso di elettrolita) e agli storici accumulatori al piombo.

Nel grafico riportato sotto i primi risultati delle elaborazioni, che evidenziano la bassa sostenibilità dei sistemi elettrochimici considerati, anche se con estremi molto diversi, con un ESOI massimo di 10 per gli accumulatori a litio ioni, che sprofondano al misero 2 delle batterie al piombo. Proprio le batterie al piombo riescono ad accumulare appena il doppio dell’energia spesa per costruirle nel corso della loro vita, precludendo assolutamente il loro impiego globale come sistema di accumulo.

Secondo l’autore dello studio “Anche riciclando i loro metalli a fine vita, per costruire nuove batterie si risolverebbe poco, dal momento che il riciclo dimezza più o meno l’energia utilizzata per la costruzione della batteria, non incrementando sufficientemente il loro ESOI. Inoltre, un loro uso globale a questo scopo, obbligherebbe a costruire milioni di nuove batterie, a partire da risorse minerarie, con ben poco contributo dal riciclo. Il risultato finale sarebbe un enorme aumento dei costi dell’energia e delle emissioni di CO2”.

GA

Decisamente sul versante opposto i sistemi fisico-meccanici come il pompaggio idroelettrico che consegue un ESOI di 210, ed il CAES che raggiunge addirittura un ESOI di 240, corrispondente al fatto che, nel corso della sua vita, un impianto ad aria compressa sarebbe in grado di accumulare 240 volte l’energia utilizzata per la sua costruzione, aggiungendo davvero poco, in termini di costo capitale, al prezzo dell’energia accumulata.
Secondo Barnhart “Il problema principale delle batterie è la loro durata limitata. Oggi i costruttori, pensando alle auto elettriche, stanno migliorando le loro capacità di accumulo. Per la rete, invece, la caratteristica che conta è il numero di cicli carica/scarica che il sistema sopporta prima di dover essere sostituito. Bene, si scende dai 25.000 cicli di un impianto di pompaggio agli appena 700 di un accumulatore al piombo. Fino a che l’industria non creerà batterie di lunga vita pensate per l’accumulo di rete, questi dispositivi, pur con tutti i loro vantaggi di efficienza, facilità di uso e flessibilità, avranno poche chance in questo settore”. Svantaggio aggiuntivo delle batterie, evidenziato dallo studio, rispetto ai sistemi fisico-meccanici, secondo Barnhart, le materie prime utilizzate, evidenziando che “Non si è affatto certi che esistano al mondo riserve economiche di metalli, come il vanadio, il litio o il piombo, per costruire abbastanza batterie al fine di coprire le esigenze globali di accumulo, cioè fra 4 e 12 ore di tutta l’elettricità giornaliera mondiale, quindi fra 8 e 25 TWh. Pompaggio e CAES, invece non richiedono altro che banali pompe, cemento, tubi e compressori”.
Altrettanto evidenti però le fortissime limitazioni geografiche di pompaggi e CAES, dal momento che i primi richiedono bacini idrici posti a quote diverse, e i secondi richiedono particolari condizioni geomorfologiche costituite da caverne naturali, giacimenti di metano esauriti o acquiferi profondi, dove pompare l’aria di accumulo.
Nel ventaglio degli approcci risolutivi anche fantasiosi, per aggirare ostacoli e limitazioni figura, per esempio, il Belgio, che sta cercando di accumulare la sua energia eolica in eccesso, in una sorta di “lago nel mare”, cioè un bacino artificiale a livello inferiore al fondo marino, isolato con un terrapieno circolare dalle acque intorno, dal quale estrarre l’acqua nei momenti di eccesso di produzione eolica, per farla rientrare, nei momenti di eccesso di domanda, attraverso turbine.
Dall’Inghilterra, un’altra originale idea di un ingegnere della Nottingham University, Seamus Garvey, che sta invece sperimentando un sistema CAES sottomarino, che accumula aria compressa in palloni ancorati sul fondo, tenuti in pressione dal battente dell’acqua, rendendo ogni mare abbastanza profondo idoneo al CAES.
In conclusione Charles Barnhart sostiene che “Lasciando da parte i sistemi di accumulo chimico di cui non ho ancora avuto occasione di valutare l’ESOI, fra i sistemi considerati nella mia ricerca quelli con la maggiore possibilità di soddisfare una richiesta globale di accumulo sono il CAES, geograficamente meno limitato del pompaggio, e, fra le batterie, quelle al sodio-zolfo, che pur avendo un ESOI di appena 6, usano elementi estremamente comuni ed economici, e hanno ancora grandi margini di miglioramento verso una maggiore longevità”. Il dibattitto è aperto, e a quanto pare c’è ancora tanta ricerca da sviluppare.
Sicuramente indicazioni importanti, con gli accumuli elettrochimici che stanno comunque facendo grossi passi avanti, trascinati dall’automotive e con la famiglia delle batterie metallo-aria, ancora in una fase pre-commerciale, da seguire con grande interesse, sia per esempio per le alluminio-aria (vedi post precedente sull’alluminio), ma soprattutto lo zinco, metallo povero con giacimenti piuttosto ben distribuiti nel mondo, disponibile in Europa con le miniere più importanti in Belgio e in Svezia ed in’Australia, Canada, Cina, Perù e Stati Uniti, e dico questo anche per scongiurare corse assurde a più rari e meno distribuiti minerali come il tantalio, di cui ho parlato appena pochi giorni fa (post “Caro cellulare quanto costi”).

Sauro Secci

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4 risposte a Sistemi di stoccaggio dell’energia a confronto: ecco ESOI nuovo indicatore prestazionale integrato

  1. Pingback: Storage e rinnovabili: conviene sempre accumulare??? Alcune risposte della Stanford University | L'ippocampo

  2. Ga ha detto:

    Buongiorno,
    forse Vi potrebbe interessare.

    Entra nel sito.
    Siamo a Vostra disposizione anche per una dimostrazione di funzionamento del prototipo nel nostro laboratorio a Bellinzona.
    Cordiali saluti.
    Direttore tecnico SGS
    Gianfranco Gallino
    http://www.swissgreensystems.ch/cms/
    gianfranco.gallino@sunrise.ch
    076 693 48 85

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