Energy storage: quali sono le cinque principali soluzioni tecnologiche di stoccaggio dell’energia

Le fonti di energia rinnovabili sono caratterizzate dalla loro natura intermittente, quindi per potervisi affidare pienamente in futuro abbisognano di sistemi di accumulo efficienti e dai costi contenuti.

Per sfruttare appieno i vantaggi per l’ambiente dovuti all’utilizzo sempre più efficiente e quantitativamente rilevante dell’energia rinnovabile e imprescindibile sapere come conservarla. Infatti, se da un lato è chiaro ed evidente che l’energia rinnovabile ricopre un ruolo fondamentale per mitigare e contrastare il cambiamento climatico progredendo nella transizione energetica; dall’altro è altrettanto palese come l’impego capillare ed efficiente delle fonti rinnovabili passi inesorabilmente dai sistemi di energy storage, ovvero sistemi di accumulo che immagazzinano l’energia ‘pulita’ in eccesso per distribuirla quando necessario.

In questa fase storica i costi per la produzione di energia rinnovabile stanno diminuendo costantemente, contrariamente ai sistemi di stoccaggio che hanno prezzi ancora elevati e devono affrontare diverse sfide significative tra le quali, in particolare, contenere le perdite energetiche durante i processi di conversione.

Quali sono i principali sistemi di stoccaggio dell’energia rinnovabile e quali funzioni svolgono

I sistemi di stoccaggio, infatti, svolgono diverse funzioni per la gestione dell’energia come la regolazione della frequenza, e il trasferimento del carico dalla disponibilità ambientale nelle ore di punta della domanda energetica. Le soluzioni di energy storage in corso di esplorazione sono molteplici, e per capirne i meccanismi e le opportunità possono essere raggruppate seguendo il rispettivo principio fisico.

Soluzioni meccaniche e relative caratteristiche: dall’accumulo gravitazionale allo stoccaggio a volano

Le soluzioni meccaniche garantiscono rendimenti di conversione energetica, ma comportano costi elevati e una bassa densità energetica. Nel dettaglio, le fonti a bassa densità energetica possono richiedere più risorse e spazio per immagazzinare la stessa quantità di energia. Un esempio di questo tipo di soluzione è l’accumulo gravitazionale, che utilizza l’energia potenziale sollevando pesi o sfruttando l’energia gravitazionale dell’acqua. Durante i periodi di surplus energetico, come nelle ore di sole o di vento, i pesi vengono sollevati e mantenuti ad altezze superiori a quella del suolo. Quando si presenta la necessità di energia, invece, i pesi vengono rilasciati producendo elettricità attraverso un generatore. Un’altra tecnologia interessante è lo stoccaggio a volano, che sfrutta l’energia cinetica di un volano in rotazione per accumulare e rilasciare energia in modo efficiente.

Soluzioni elettriche: come funzionano le tecnologie dei condensatori e degli induttori

Passando alle soluzioni elettriche, nei circuiti elettronici la tecnologia dei condensatori funziona quando viene applicata una tensione e, attraverso le due piastre di cui sono composti, si verifica come fenomeno l’accumulazione di cariche elettriche opposte. Pertanto si mantiene l’energia, una piastra accumula cariche positive mentre l’altra accumula cariche negative, e si crea così il campo elettrico

 Un’altra soluzione elettrica già presente sul mercato è rappresentata dagli induttori, che essenzialmente sono bobine di filo conduttore. Quando una corrente scorre attraverso la bobina, si genera un campo magnetico che trattiene l’energia. Queste tecnologie richiedono una bassa manutenzione ma un costo elevato e la loro capacità di immagazzinamento è limitata rispetto ad altre soluzioni tecnologiche già presenti sul mercato.

Soluzioni chimiche: dall’idrogeno verde all’ammoniaca passando per biometano, biodiesel ed etanolo

Alcuni composti chimici possono essere utilizzati come vettori energetici avendo tra le caratteristiche principali l’alta densità e la flessibilità, ma nella maggior parte dei casi possono avere un impatto ambientale negativo. L’idrogeno, invece, sta emergendo per il suo potenziale nella decarbonizzazione di vari settori industriali perché può essere prodotto da fonti rinnovabili, con quello “verde” che riveste un ruolo sempre più centrale nella transizione energetica in quanto “più pulito” delle altre tipologie esistenti.

Un altro esempio è l’ammoniaca (NH3): di facile liquefazione, può essere convertita in idrogeno o bruciata direttamente come combustibile. Inoltre, tra le alternative al gas naturale figura il biometano, mentre per quanto concerne i carburanti biodiesel ed etanolo sono ottenuti da biomasse attraverso processi di digestione anaerobica o gassificazione termochimica e, pertanto, si propongono come possibile alternativa ai carburanti di origine fossile.

Soluzioni termiche: vantaggi e sfide da affrontare

Le soluzioni termiche hanno costi contenuti, ma sono particolarmente soggette al rischio di perdite termiche. A seconda dell’applicazione possono essere distribuite o centralizzate, condividendo ad ogni modo lo scopo: immagazzinare energia sotto forma di calore all’interno di un materiale. In questo senso, ci sono diverse modalità per farlo.

Ad esempio, attraverso l’accumulo sensibile si sfrutta l’aumento della temperatura di un materiale (acqua, roccia, sabbia, metalli) che quando si riscalda assorbe calore, rilasciandolo successivamente quando si raffredda. Mediante l’accumulo latente, infine, si sfrutta il cambiamento di fase di fusione o vaporizzazione di un materiale (paraffine, sali idrati e alcuni metalli). Queste soluzioni utilizzano dunque materiali di facile reperibilità: un vantaggio non indifferente.

Soluzioni elettrochimiche: batterie al litio e batterie a flusso

Le soluzioni elettrochimiche sono modulari ma complesse e richiedono l’impiego di materie prime critiche.

Le batterie agli ioni di litio sono un esempio di questa categoria. Sono ideali per applicazioni residenziali e commerciali, dove è richiesta una fonte di energia affidabile e ricaricabile. La loro modularità consente di adattare le dimensioni e la capacità in base alle esigenze specifiche degli utenti, rendendole versatili per vari utilizzi, dall’elettronica portatile ai veicoli elettrici, anche se attualmente la capacità di accumulo energetico ridotta e la longevità delle stesse rappresentano sfide da affrontare non solo per l’efficienza energetica, ma anche per la bassa compatibilità ambientale nell’estrazione del litio e nel relativo smaltimento (anche se esistono già tecnologie che ne limitano l’impatto attraverso il riciclo).

Le batterie a flusso, infine, utilizzano elettroliti liquidi per immagazzinare energia, e risultano particolarmente adatte per applicazioni su larga scala come, ad esempio, l’accumulo di energia per le reti elettriche.

Energy Storage, il report di Intesa Sanpaolo Innovation Center

Con la crescente integrazione delle fonti di energia rinnovabile, variabili ed intermittenti, alle reti di trasmissione e distribuzione dell'elettricità, i gestori devono affrontare una serie di sfide per bilanciare la produzione con la domanda di energia. L'Industry Trends Report - Energy Storage, realizzato da Intesa Sanpaolo Innovation Center, analizza le differenti tecnologie che possono essere usate per affrontare queste sfide.