L’arte di conservare l’energia: gli accumuli elettrici

Benvenuti nel 2024! Proprio quest’anno, il 1° luglio, è stato aggiornato il Piano Nazionale Energia e Clima (PNIEC) che è un documento richiesto ai paesi dell’Unione Europea per definire tutte le politiche e strategie per il raggiungimento degli obiettivi energetici nell’ottica della crisi climatica. Nel documento sono indicati tutti gli obiettivi, come ad esempio il miglioramento dell’efficienza energetica e dello sviluppo delle interconnessioni elettriche, e le misure per raggiungerli.

Un dato importantissimo è raggiungere, entro il 2030, una copertura dei consumi elettrici con energia prodotta da fonti rinnovabili del 63,4%. Considerando che nel 2023 questa copertura è stata pari al 36,8%, per raggiungere l’obiettivo sarà necessario aumentare di molto il parco produttivo rinnovabile, che quindi andrebbe a coinvolgere campi fotovoltaici, parchi eolici (offshore e onshore) ma anche impianti idroelettrici e geotermici.

La produzione di energia da impianti alimentati da fonti rinnovabili (FER) ha numerosi vantaggi, primo tra tutti la disponibilità inesauribile di energia. L’irraggiamento solare, le correnti d’aria, lo scorrere delle acque, fanno parte di quel gruppo di fenomeni fisici definiti “naturali“, ossia non causati dall’essere umano. C’è un problema però, non essendo causati da noi non possono essere, conseguentemente, controllati da noi. Ed è qui che entra in campo lo stoccaggio di energia, ossia gli accumuli.

Ci potrebbero essere, infatti, momenti in cui la produzione da fonte FER non sia perfettamente allineata con i consumi elettrici del sistema. Per una maggiore integrazione e diffusione, quindi, si è stabilito l’obiettivo di puntare all’overgeneration (ossia momenti dove la produzione di energia supera la domanda) con l’aggiunta di numerosi sistemi di accumulo che potranno stoccare l’energia in eccesso per fornirla poi in momenti di necessità.

Ma quali, e quanti, tipi di accumulo elettrico esistono? Scopriamolo insieme!

Ma cos’è un accumulo di energia elettrica?

Un sistema di accumulo di energia elettrica (o accumulo elettrico), è un sistema o dispositivo che permette di conservare energia per un tempo più o meno lungo in una forma, per poi restituirla in un’altra forma. Avevamo parlato delle forme di energia in questo articolo, qualche dettaglio ci sarà utile.

Fondamentalmente quello che succede è questo: prendo dell’energia elettrica che non voglio usare nell’esatto momento in cui viene prodotta, la trasformo in un altro tipo di energia (chimica, meccanica, gravitazionale, termica, etc.) e la immagazzino nel mio “accumulatore” e poi, quando vorrò utilizzarla, la ritrasformo in energia elettrica pronta all’uso. Semplice no? Ma capiamo meglio.

L’atto di immagazzinare energia, ossia il suo stoccaggio, è composto da tutti i processi e le tecniche che permettono di concentrare su supporti diversi le differenti forme di energia. Anche i combustibili fossili sono, in un senso molto esteso, un accumulo elettrico. Il carbone accumula energia chimica che, nel processo di funzionamento delle centrali termoelettriche, può essere convertito in energia elettrica.

Tuttavia, è chiaro che oggi si parla di accumuli elettrici soprattutto come strumento di bilanciamento della domanda e dell’offerta energetica. Ci si può, quindi, soffermare su tre principali tipologie di sistemi di stoccaggio:

1. Accumuli Elettrochimici, che immagazzinano energia sotto forma di reazioni chimiche reversibili;
2. Accumuli Meccanici, che convertono energia in forme meccaniche;
3. Accumuli Termici, che convertono energia sotto forma di calore.

Chiaramente esistono molte altre tipologie, come gli accumuli gravitazionali, sistemi che immagazzinano energia sollevando grandi pesi, o gli accumuli elettrici, che accumulano l’energia direttamente in forma elettrica sfruttando superconduttori o supercondensatori.

Pile, batterie o celle: tanti nomi per gli accumuli elettrochimici

In elettrotecnica ed elettrochimica si parla di pila (o batteria o cella) quando si vuole descrivere un dispositivo in grado di convertire energia chimica in energia elettrica. Il principio di funzionamento alla base della batteria è l’ossidoriduzione, ossia la reazione chimica in cui si ha il passaggio di elettroni da una molecola all’altra. All’interno della batterie ci saranno sempre due sostanze, una che dovrà ossidarsi (ossia dovrà perdere elettroni) e una che dovrà ridursi (ossia dovrà guadagnare elettroni). Il flusso di elettroni che si genera tra queste due sostanze crea una corrente elettrica continua, quindi potenziale elettrico, quindi energia elettrica. Quando la reazione chimica raggiunge l’equilibrio, la pila si scarica.

Esistono varie tipologie di batterie elettriche:

1. Pile Alcaline, versione più moderna delle pile Zinco-Carbone, con ossidante e riducente basati su composti di manganese e zinco metallico. Sono utilizzate perlopiù per uso domestico e per strumenti elettronici;
2. Pile Zinco-Aria, dove la reazione di ossidoriduzione avviene grazie al passaggio di aria attraverso una lastra metallica contenente polvere di zinco. Sono utilizzate in applicazioni elettromedicali, come apparecchi acustici o misuratori cardiaci;
3. Pile al Litio, di cui avevamo già parlato in questo articolo, utilizzate per applicazioni elettroniche, ma anche per l’alimentazione dei veicoli elettrici.

Risulta chiaro che, per applicazioni di alta potenza, è necessario utilizzare numerose batterie collegate in serie che formano i pacchi batteria che possono essere utilizzati per stoccare grandi quantità di energia.

Anche per i sistemi BESS (Battery Energy System Storage) collegati alla rete elettrica si parla principalmente di sistemi al litio, anche se nuovi sviluppi prevedono l’utilizzo delle batterie a flusso di ossidoriduzione, dove gli elettroliti  liquidi sono stoccati in serbatoi separati, per poi fluire (da qui il nome) nella cella centrale, nella quale sono messi a reagire nella fase di carica e scarica.

Pompaggi idroelettrici: la versatilità degli accumuli meccanici

Come gli accumuli elettrochimici immagazzinano energia sotto forma di energia chimica e la rilasciano sotto forma di reazioni, gli accumuli meccanici utilizzano sistemi e dispositivi per immagazzinare energia sotto forma di energia potenziale o cinetica, per rilasciarla quanto necessario. L’accumulo meccanico più utilizzato per lo stoccaggio di energia elettrica è il pompaggio idroelettrico.

Ne avevamo già parlato in questo articolo, il principio di funzionamento prevede il passaggio di acqua attraverso una turbina per generare energia elettrica.

Durante le ore di bassa richiesta di energia, l’acqua viene pompata nel serbatoio superiore preparando l’impianto a generare energia, mentre nei periodi di alta richiesta, l’acqua viene rilasciata nelle tubature per fluire nel bacino inferiore. Il pompaggio prevede, quindi, l’accumulo programmato di grandi quantità d’acqua in un bacino che consente di programmare il rilascio della stessa per generare elettricità.

Il più grande impianto idroelettrico in Italia è sito nel Comune di Entracque, in provincia di Cuneo. Questo impianto comprende due dighe, con due serbatoi che possono ospitare 42 milioni di metri cubi d’acqua.

Un altro accumulo meccanico molto utilizzato è il volano, ossia uno strumento meccanico che permette di accumulare energia sotto forma di movimento rotazionale.

In pratica, il volano aumenta il momento di inerzia del corpo su cui è installato, quindi aumenta la sua capacità di opporsi alle variazioni di velocità angolare. In breve, corpi con un elevato momento di inerzia subiranno variazioni molto graduali della loro velocità angolare al variare delle condizioni di esercizio.

Questo effetto di stabilizzazione è spesso applicato nei motori a pistoni, in caso di moto periodico, o nei magli meccanici, in caso di moto intermittente, ma esistono anche applicazioni come batteria elettromeccanica.

Le Flywheel Energy Storage (FES) prevedono l’accumulo di energia tramite la messa in rotazione di un volano che, grazie al suo alto momento di inerzia, rimane in rotazione. L’energia viene caricata e scaricata tramite un impianto che alimenta la velocità di rotazione o che estrae energia rallentando la rotazione.

Anche se la tecnologia è in linea di massima a livello prototìpico e sperimentale, esistono molte applicazioni in industria aerospaziale o automobilistica.

Accumuli Termici: la versatilità del calore

Anche se abbiamo già stabilito che in fisica non esiste il concetto di caldo e di freddo, dobbiamo suddividere gli accumuli termici in due macro categorie:

• i sistemi di accumulo di “caldo”, in grado di immagazzinare calore a temperature elevate;
• i sistemi di accumulo di “freddo”, in grado di mantenere condizioni di refrigerazione o climatizzazione.

Se la tecnologia per accumulo di “freddo” è utilizzata spesso in applicazioni di tipo alimentare o edilizio, l’accumulo di calore a temperature elevate è spesso utilizzato per applicazioni di tipo industriale.

Genericamente, tutti i sistemi di accumulo termico sono costituiti da serbatoi di accumulo isolati, in cui l’energia termica viene immagazzinata per il tramite di grandi masse d’acqua o vapore, o da matetriali a cambiamento di fase (Phase-Change Material, PCM). Più calore il vettore è in grado di immagazzinare, maggiore è l’efficacia del sistema di accumulo.

In ambito di ingegneria elettrica, gli accumuli termici sono sistemi fortemente interessanti per lo sviluppo di sistemi di accumulo a Lunga Durata (LDES), capaci di immagazzinare grandi quantità di energia per settimane, con perdite termiche molto basse.

Oltre all’acqua, che viene utilizzata perlopiù in applicazioni di tipo domestico, tra i materiali più utilizzati troviamo: sale fuso, sabbia, pietra lavica, calcestruzzi e paraffine.

Conclusioni e futuri sviluppi

Gli impianti di stoccaggio giocheranno un ruolo cruciale nel futuro sistema elettrico, supportando la crescente integrazione delle fonti rinnovabili.

Grazie alla loro capacità di ottimizzare l’uso dell’energia prodotta e di fornire servizi di dispacciamento, saranno fondamentali per garantire sicurezza e adeguatezza del sistema. Questo significa che vedremo tante applicazioni, oggi ancora sperimentali, perfettamente integrate al sistema per avere una gestione flessibile della risorsa elettrica.

Cercheremo modi sempre più creativi di accumulare energia, come ad esempio gli ascensori e sistemi di sollevamento degli accumuli gravitazionali (alternativa meccanica ai sistemi di pompaggio), ma anche lo stoccaggio e utilizzo della CO2 liquida per attivare turbine elettriche.

Insomma, tanti strade per arrivare alla stessa destinazione, un futuro più sostenibile e in linea con gli obiettivi di decarbonizzazione.

Fonti e approfondimenti

“PNIEC Italia: gli obiettivi 2030 su rinnovabili ed emissioni“_ Rinnovabili.it
“Crescita dei sistemi di accumulo a batteria in Italia“_ Enel Green Power
“Centrali idroelettriche di pompaggio“_ Enel Green Power
“Dettaglio consumi elettrici 2023“_ Terna
“CO2 Battery“_ Energy Dome