Gestire energia rinnovabile con efficaci sistemi di accumulo elettrochimici

Massimo Gozzi - Ordine degli Ingegneri della Provincia di Milano

L'impiego di energia rinnovabile ha comportato l'esigenza di sviluppare sistemi di accumulo sempre più efficienti. Lo stato dell'arte della tecnologia. Normativa e costi.

La gestione innovativa dell'energia e della sostenibilità rappresentano ormai le principali leve strategiche per la crescita e il benessere delle imprese, considerando il fatto che i 5,7 GW di impianti per la produzione di energia rinnovabile installata nel 2023 rappresentano il valore di nuove installazioni più alto dal 2012.

Tale valore non è ancora in linea però con la "tabella di marcia" per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione al 2030, ma rappresenta comunque un passo in avanti rispetto al trend rilevato negli anni scorsi: infatti nel 2021 e nel 2022 le nuove installazioni rinnovabili sono state pari rispettivamente a 1,3 e 3,0 GW.

Tuttavia, parlare di rinnovabili, e ne sa qualcosa chi deve utilizzare sistemi di questo tipo, vuol dire imbattersi nel grosso problema dell'accumulo di energia, quello che in gergo tecnico si chiama anche "storage stazionario", ovvero dedicato a impianti fissi escludendo l'ambito della mobilità.

Gestire gli impianti

Alcuni dati, forniti da quell'osservatorio privilegiato costituito da Energy Strategy Group del Politecnico di Milano, rendono meglio
l'dea delle quantità in gioco.
La perdita di produzione energetica degli impianti fotovoltaici in Italia, tra il 2016 e il 2020, è stata dell'8% circa, che si traduce approssimativamente di 2 TWh annui di elettricità.

Perdita che è pari a circa il doppio di quella che sarebbe dovuta alla degradazione "fisiologica" degli impianti, stimata attorno allo 0,7% all'anno.

In tal senso, gli interventi di gestione dell'installato risultano quindi di significativa importanza anche per contrastare la perdita di generazione del parco di centrali esistente e così contribuire agli obiettivi di decarbonizzazione.

E una buona gestione di una fonte energetica legata alle discontinuità dell'irraggiamento solare passa necessariamente attraverso l'accumulo energetico, con la sua peculiarità di correggere le asincronie tra produzione ed assorbimento da parte dell'utilizzatore.

Questo assume ancor più rilevanza, considerando che al 2030 circa un terzo della capacità fotovoltaica attualmente installata sarà vicina alla fine della vita utile.

Le tecnologie dei sistemi di storage

I sistemi di accumulo elettrochimici, in riferimento proprio allo storage stazionario, possono essere divisi in <> (batterie agli ioni di litio), "a flusso" e "ad alta temperatura" (Figura 1 nel PDF).

Ognuna di queste categorie prevede ulteriori differenziazioni sulla base della diversa composizione chimica. Di seguito vengonodescritte le principali tecnologie, inclusa l'indicazione del cosiddettoTRL (Technology Readiness Level - Livello di Maturità Tecnologica) che è un indice metodologico per la valutazione del grado di maturità di una tecnologia.

Dapprima consideriamo le batterie classiche agli "ioni di litio", articolabili nei sottogruppi LFP (Lithium Ferrum Phosphate, Figura 2), NMC (Nickel Manganese Cobalt) e LTO (Lithium-Titanium-Oxide).

Posseggono performance differenti aseconda dei materiali che costituiscono gli elettroliti, in generale offrono però una buona densità energetica e tempi di risposta veloci.

I principali punti deboli delle batterie tradizionali sono la sostenibilità, in quanto per la loro produzione è richiesto un ampio utilizzo delle sempre più spesso citate materie prime critiche, CRM (Critical Raw Material), ma anche la vita utile risulta ridotta se comparata ad altre soluzioni.

Nella citata classificazione TRL risultano a livello 9, ovvero "Sistema reale provato in ambiente operativo (valido per produzione competitiva e commercializzazione)".

Pure inquadrabili nel livello TRL 9 sono le batterie "a flusso" (Figura 3), ed in particolare le batterie al vanadio che sono caratterizzate da una particolare architettura in cui gli elettroliti sono stoccati esternamente, in appositi serbatoi, disaccoppiando di fatto potenza ed energia.

Gli elettroliti vengono pompati attraverso lo stack (pila) di celle durante il processo di carica e scarica della batteria. Queste batterie presentano densità energetiche basse ma sono caratterizzate da una longevità ben superiore alle batterie tradizionali.

A discapito della maggior durata e dell'ottima gamma di potenze disponibile le batterie a flusso possiedono tempi di risposta più lenti rispetto al caso delle batterie tradizionali.

Infine le batterie ad "alta temperatura", caratterizzate appunto da temperature di utilizzo elevate (circa 300°C) sono dotate di elettrodi allo stato fuso.

Per questa ragione pur essendo contrassegnate da buone performance in termini di durata devono essere mantenute
in temperatura, anche se non in funzione, con relativo dispendio energetico.