da un opuscolo della Vestas ricopio:
L’utilizzo su larga scala dell’energia rinnovabile potrebbe dipendere dalla capacità di immagazzinare l’elettricità
di Charles Butcher
L’elettricità è sfuggente: è invisibile ed è quasi impossibile da accumulare, salvo che non venga convertita in un’altra forma di energia. Molti sono gli esperti convinti che il vento e le altre fonti rinnovabili potranno spiccare definitivamente il volo solo se si riuscirà a trovare un sistema efficace per immagazzinare l’elettricità. Le opportunità che si prospettano in questo senso e la necessità di sviluppare batterie in grado di soddisfare la fame di energia degli apparecchi elettronici, hanno contribuito a un vero e proprio boom delle attività di ricerca e sviluppo sugli accumulatori di energia.
“Il vento è imprevedibile. Le variazioni di energia possono verificarsi in una scala temporale che va da pochi secondi a giorni”, sottolinea Claus Nygaard Rasmussen, ricercatore che studia i sistemi di accumulazione di energia all’Institute of Energy Technology dell’Università di Aalborg, in Danimarca. Ciò significa che le società elettriche dovranno essere in grado di far fronte sia ai cali di tensione della durata di pochi secondi o minuti, sia alle variazioni che si protraggono per ore o giorni.
“È importante fissare un orizzonte temporale di un’ora”, continua Claus Nygaard Rasmussen. “Sessanta minuti sono infatti l’unità minima di tempo in base a cui viene commercializzata l’elettricità, ed è una misura compatibile con le batterie attualmente esistenti. I nostri studi dimostrano che con una capacità di stoccaggio del 30% si ottengono ottimi risultati”, afferma.
“Una turbina eolica da 2.0 MW, ad esempio, genera in media 800 kW di energia. Se aggiungiamo una batteria con una capacità di 240 kWh e una potenza nominale di 800/1.200 kW, le probabilità di riuscire a fornire 800 kW di energia nell’ora successiva sono molto alte”. Secondo Claus Nygaard Rasmussen, questo genere di garanzia è fondamentale per le società elettriche, che potrebbero passare alle rinnovabili e decidere di chiudere gli impianti a combustibili fossili.
Per quanto riguarda i vantaggi a breve termine, lo stoccaggio consente alle centrali eoliche di aumentare la produzione in tempo utile per fronteggiare i picchi di domanda energetica.
“Contrariamente alle installazioni eoliche e solari,le centrali elettriche convenzionali dispongono di riserve da impiegare per gestire questo tipo di situazioni”, afferma Henrik Vikelgaard, esperto in accumulatori di energia di Vestas.
“L’energia eolica diventerà più appetibile agli occhi delle società elettriche se sarà possibile garantire la stabilità della frequenza in rete mediante lo stoccaggio”.
I costi rimangono comunque un ostacolo, anche per lo stoccaggio a breve termine. Claus Nygaard Rasmussen ritiene che una batteria agli ioni di litio da 240 kWh pensata per una turbina eolica da 2.0 MW peserebbe all’incirca 1,5 tonnellate e costerebbe quasi quanto la stessa turbina. “Se il prezzo delle batterie non si riduce della metà o di un terzo rispetto al costo attuale, il valore dell’energia eolica dovrà raddoppiare”,
sostiene.
Aumentare la capacità di stoccaggio fino a sei o otto ore di autonomia e quindi gestire le variazioni della domanda tra giorno e notte, è anche più costoso. “Intervalli di autonomia più lunghi”, fa notare Claus Nygaard Rasmussen, “accrescerebbero, tuttavia, il valore dello stoccaggio, in quanto garantiscono maggiore flessibilità alle società e agli operatori della rete elettrica”.
“Per questi ultimi lo stoccaggio costituisce già di per sé un sistema conveniente per aumentare l’affidabilità della rete e rinviare gli investimenti per l’installazione di nuova capacità”, sottolinea Brad Roberts, presidente di Electricity Storage Association e consulente del Dipartimento dell’Energia statunitense. La sua azienda, S&C Electric Company, collabora alla sperimentazione di una batteria sodio-zolfo da 1MW con
una capacità di 7 MWh, che sta immagazzinando l’energia generata da un parco eolico da 12 MW.
La sperimentazione, condotta in Minnesota, rientra nell’ambito del progetto “Wind-to-Battery” di Xcel Energy e durerà un anno.
La figura 1 mostra come diverse tecnologie di stoccaggio siano combinate tra loro.
Per ciascuna è indicata l’energia che possono fornire (misurata in MW) e la capacità (misurata in MWh, in altre parole per quanto tempo sono in grado di sostenere un dato output energetico). Stando agli esperti, alcune di queste tecnologie, in particolare
quelle relative alla regolazione delle variazioni a breve termine, potrebbero essere pronte per la commercializzazione nei prossimi cinque anni.
Lo stoccaggio su larga scala è possibile…grazie alla Terra
Al momento, i problemi legati alla natura intermittente dell’energia eolica vengono spesso appianati dalle centrali elettriche alimentate a combustibili fossili oppure con energia importata ,che viene “pagata” non appena il vento ricomincia a soffiare.
Un’altra opzione consiste nel convertire l’energia eolica in eccesso in idrogeno da utilizzarecome combustibile per i veicoli e le centrali elettriche. Purtroppo anche l’idrogeno è difficile da immagazzinare e richiede una visione politica forte capace di incoraggiare le società elettriche ad abbracciare questa scelta.
La soluzione più immediata al problema dello stoccaggio dell’elettricità, tuttavia, ce la fornisce la geologia. In superficie, nelle zone montuose si può utilizzare un sistema di stoccaggio delle riserve idriche che sfrutta l’elettricità in eccesso o la fascia off-peak (ore notturne) per pompare l’acqua a un invaso situato più a monte. L’efficienza di round-trip (ovvero di andata e ritorno) dell’acqua pompata è pari al 70-85%; la capacità di questo sistema di produrre energia nel giro di pochi secondi lo rende una perfetta integrazione alle altre fonti rinnovabili. Gli Stati Uniti possiedono circa 20 GW di energia immagazzinata con il sistema di pompaggio, e l’Unione Europea circa 32 GW.
Nel sottosuolo, l’elettricità in eccesso può essere usata per pompare aria nelle caverne o nelle fenditure rocciose utilizzate come depositi per il gas naturale. Nei momenti di bisogno, l’aria compressa alimenta le turbine collegate ai generatori. Poiché la compressione sprigiona calore che deve essere rimosso e in seguito reimmesso durante la fase di
espansione, l’efficienza di un sistema di accumulo energetico ad aria compressa (CAES) è solitamente inferiore al 50%, ma è pur sempre una tecnologia comprovata. Esistono due impianti CAES, uno in Germania (Huntorf) e uno negli Stati
Uniti (McIntosh, Alabama). Alcune società, come l’americana Energy Storage and Power, stanno progettando di costruire nuovi impianti CAES più efficienti.
Le soluzioni di ricerca e sviluppo ideate nell’ambito dell’accumulo energetico su larga scala comprendono sistemi basati sul pompaggio di acque sotterranee (miniere e falde acquifere), enormi contenitori in plastica contenenti aria compressa ancorate al fondale marino e l’accumulo di calore per migliorare le prestazioni dei sistemi ad aria compressa. Negli Stati Uniti, General Compression e Mechanology stanno lavorando a dei compressori da montare direttamente nelle navicelle delle turbine eoliche.
La giusta chimica per le batterie
Per intervalli di tempo più limitati, le batterie forniscono una riserva di elettricità flessibile anche senza ricorrere alla geologia. A partire dal tradizionale accumulatore ricaricabile piombo-acido, i rapidi progressi ottenuti in questa area di ricerca hanno permesso lo sviluppo di oltre una decina di tipi diversi di batterie, comprese quelle agli ioni di litio, la pila zinco-aria e la batteria sodio-zolfo.
Per il momento gli accumulatori piombo-acido reggono la competizione con gli ultimi modelli, ma hanno una scarsa densità energetica e una breve durata. Secondo Lars Barkler della società danese Lithium Balance, produttrice di sistemi di gestione elettronica in grado di massimizzare le prestazioni degli accumulatori, le batterie agli ioni di litio possono essere ricaricate più volte e offrono una più alta densità energetica rispetto a qualsiasi altra batteria attualmente in commercio.
Ma le batterie agli ioni di litio non sono tutte uguali. L’elemento chimico più diffuso, utilizzato anche nei computer portatili o telefoni cellulari,è l’ossido di litio e cobalto. La batteria al fosfato di litio, ferro e magnesio (LiFeMgPO4), invece, ha una densità energetica inferiore ma una durata superiore, soprattutto nel caso di applicazioni stazionarie e, secondo quanto sostiene Colin Spence, responsabile applicazioni stazionarie per la compagnia americana Valence Technology, è anche sostanzialmente più sicura. Grazie alla batteria agli ioni di litio, Valence ha fornito una
capacità pari a oltre 70 MWh che ha poi trovato applicazione in diversi settori commerciali, soprattutto quello dei veicoli elettrici. Nel caso di applicazioni stazionarie, la società è in grado di fornire una vasta gamma di moduli e di trasportarli per mezzo di container standard.
“Un container da 12 metri può stoccare una capacità di circa 2 MWh”, afferma Spence, “e un’erogazione massima di 4 MW”. Il costo è di circa 1-1,2 milioni di dollari per MW, di cui due terzi coprono le batterie e un terzo i componenti elettronici.
James McDougall, CEO della rivale ReVolt, è convinto che la tecnologia zinco-aria sviluppata dalla sua società abbia una capacità molto più elevata e migliori caratteristiche di sicurezza e convenienza rispetto alle batterie agli ioni di litio.
ReVolt, nel mirino degli investimenti della società tedesca specializzata in rinnovabili RWE Innogy, ha annunciato di aver risolto i problemi legati alle precedenti versioni ricaricabili delle comuni batterie zinco-aria, molto utilizzate negli apparecchi di
supporto acustico. “Prevediamo di lanciare le unità pilota per l’alimentazione di grandi dispositivi entro tre o cinque anni”, afferma McDougall.
“Le batterie sodio-zolfo (NaS), se utilizzate a una temperatura di 300°C, offrono il triplo della densità energetica degli accumulatori piombo acido e una durata pari a 2.500 cicli”, sostiene NGK Insulators. La società ha recentemente fornito sistemi sodio-zolfo da 1 MW a un deposito di autobus di New York e ha avviato un impianto sperimentale da 34 MW nei pressi di una centrale eolica in Giappone (cfr. fig. 2). “Un’unità NaS da 1
MW con una capacità di 7 MWh è grande quanto tre container da 6 metri”, spiega Henrik Vikelgaard di Vestas.
Ampliare l’orizzonte delle batterie
Le batterie tradizionali, a prescindere dalla loro composizione chimica, sono delle unità autonome in cui energia e capacità sono strettamente correlate.
Le batterie a flusso, conosciute anche come batterie redox o celle a combustibile rigenerabili, spezzano questo legame raggiungendo l’obiettivo di capacità più elevate a prezzi più contenuti.
Queste batterie immagazzinano l’energia in un liquido elettrolita conservato in taniche di grandi dimensioni che viene pompato nella batteria secondo necessità.
Tra i principali produttori di batterie a flusso spiccano ZBB Energy Corporation (Stati Uniti), VRB Power Systems (Canada), Plurion (Regno Unito) e Cellstrom (Austria). VRB e Cellstrom utilizzano il vanadio, ZBB il bromuro di zinco, mentre Plurion si affida a un acido organico conosciuto con l’acronimo MSA, unitamente ad alcuni metalli come cerio, zinco e titanio.
“Al momento le batterie a flusso forniscono una quantità relativamente inferiore di energia e sono anche più costose”, dice Claus Nygaard Rasmussen. VRB, tra le pioniere delle batterie a flusso, è un esempio lampante del livello di competitività di questo nuovo mercato. Nonostante sia riuscita a conquistare una posizione di primo piano
in Giappone, dove sono già state installate alcune batterie sperimentali, lo scorso anno la compagnia si è vista costretta a licenziare gran parte dello staff ed è stata di recente acquisita dalla cinese Prudent Energy di Pechino.
Esistono altri tipi di accumulatori di energia apparentemente simili alle batterie ma in realtà del tutto diversi, come ad esempio gli ultracapacitori e i sistemi per l’accumulo di energia magnetica a superconduttori (SMES). Gli ultracapacitori utilizzano elettrodi in nano-carbone che immagazzinano direttamente l’elettricità anziché convertirla in energia chimica, così come farebbe una pila.
Sono ideali per fornire grandi quantità di corrente elettrica in breve tempo e, diversamente dalle batterie, possono essere ricaricate per milioni di cicli. Alcune aziende come la Honda utilizzano gli ultracapacitori nei veicoli elettrici per recuperare
l’energia dispersa in frenata.
I dispositivi SMES accumulano l’energia sotto forma di campi magnetici, sono resistenti e forniscono grandi quantità di elettricità per brevi periodi di tempo. Alcune società, come ACCEL in Germania e American Superconductor negli USA, producono SMES di scala MW impiegati nelle industrie sensibili – come quelle dei semiconduttori – per il condizionamento dell’energia, ma anche per facilitare l’avviamento di grandi motori elettrici.
I supervolani che accumulano energia cinetica
“I supervolani che accumulano energia cinetica sono resistenti, molto efficienti e offrono un’ottima operatività, nell’ordine di milioni di cicli”, afferma Damien Scott della società britannica Williams Hybrid Power (WHP). Realizzati in fibra di carbonio composita in cui sono conglobate particelle magnetiche, i supervolani di WHP sono in grado di operare sottovuoto fino a 40.000 rpm. Una versione di questa tecnologia verrà applicata alle vetture della scuderia Williams nel corso di questa stagione di Formula 1.
Le batterie montate all’interno del supervolano fungono al contempo da motore e generatore:l’energia elettrica viene rilasciata o accumulataa seconda che si voglia aumentare o diminuire lavelocità del supervolano. “L’efficienza elettrica di round-trip, escluse le perdite legate all’elettronica di potenza, è superiore al 90%”, afferma Scott.
WHP ha già testato un supervolano in grado di fornire 250 kW di energia e ha progettato una nuova versione da 500 kW.
Per aumentare l’erogazione di energia elettrica e i tempi di rotazione è possibile utilizzare più supervolani in parallelo. La società statunitense Beacon Power, ad esempio, ha in progetto la realizzazione di un “parco” da 200 supervolani in grado di produrre un totale di 20 MW in 15 minuti. In California e a New York, la società ha già
sperimentato impianti a supervolani multipli delle dimensioni di un container.
Fare incetta di vento
“Ci siamo interessati a tutte le tecnologie di accumulo dell’energia, ma per il momento non ci sono clamorosi passi avanti”, spiega Henrik Vikelgaard. “Stiamo collaborando con i ricercatori dell’università di Aalborg e di altri istituti, anche
statunitensi”.“In Vestas crediamo che trovare un sistema per accumulare l’energia è fondamentale per ottimizzare le prestazioni delle centrali eoliche e farle funzionare sempre più come le centrali elettriche tradizionali”, continua. “Ci permetterebbe,
inoltre, anche di rinviare ingenti investimenti per l’incremento della capacità della rete elettrica.
