Roma, 05/12/2023 Notizie e approfondimenti sui temi dell’Energia in Italia, in Europa e nel mondo.

Le grandi batterie del futuro. Le 5 tecnologie più ambiziose

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Immagazzinare energia in grandi sistemi di stoccaggio è l’esigenza del secolo. Le startup lavorano costantemente per trasformare il mondo che ci circonda in una immensa batteria, utilizzando tecnologie che sembrano prese dalle pagine della fantascienza. Di seguito alcune delle idee più folli per le grandi batterie del futuro.

Occorrono sistemi di accumulo sempre più grandi

Quando si tratta di batterie, siamo abituati a pensare in piccolo. Cellulari, laptop leggeri, veicoli elettrici compatti. Tuttavia, ciò di cui abbiamo più bisogno in questo momento storico sono i grandi sistemi di accumulo, le batterie più ingombranti che si possano immaginare. Il sistema di stoccaggio ideale per immagazzinare energia è, infatti, abbastanza grande sia per compensare l’ inevitabile discontinuità nell’approvvigionamento proveniente da parchi solari ed eolici, sia per consentire di chiudere definitivamente le centrali elettriche alimentate dai combustibili fossili

Nuovi modi per immagazzinare energia

Secondo i calcoli del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, per raggiungere i target di decarbonizzazione prefissati negli USA, si dovranno aggiungere centinaia di gigawatt di stoccaggio entro il 2050. Ma in che modo? Sono diversi i sistemi di accumulo sperimentati nel mondo fino ad ora che permettono di immagazzinare l’energia di riserva in modo affidabile e duraturo su larga scala, sfruttando elementi e processi naturali. Le startup lavorano costantemente per trasformare il mondo che ci circonda in una immensa batteria, utilizzando tecnologie che sembrano prese dalle pagine della fantascienza. Di seguito alcune delle idee più folli per le grandi batterie del futuro.

Immagazzinare energia comprimendo l’aria

Capacità: centinaia di megawatt

Durata: 8-10 ore

Durata della vita: oltre 60 anni

Pro: utilizza una frazione del terreno necessario per l’impianto idroelettrico con pompaggio e può essere posizionato quasi ovunque

Contro: non adatto a progetti di piccola capacità e di breve durata

La contea di Kern, in California, è nota soprattutto per i suoi allevamenti di bestiame e i giacimenti petroliferi. Ma potrebbe presto ospitare una pietra miliare per lo stoccaggio dell’energia: uno dei più grandi sistemi avanzati di stoccaggio dell’energia ad aria compressa, o A-CAES, al mondo.

A costruirlo sarà la società canadese Hydrostor , che nelle giornate soleggiate e ventose,  utilizzerà l’energia rinnovabile in eccesso per far funzionare i compressori d’aria posizionati in pozzi profondi circa 0,6 Km. Quando è necessario immettere energia, gli operatori rilasciano e riscaldano l’aria compressa (è possibile riscaldare l’aria grazie alla cattura del calore di scarto del processo di compressione). Quest’ultima, fuoriuscendo, farà girare le turbine che generano elettricità. L’impianto dovrebbe riuscire a fornire circa 500 megawatt di elettricità all’ora per otto ore, prima di doversi “ricaricare”.

Le strutture CAES non sono però una novità. Operano in Alabama e Germania già dagli anni ’70, ma i vecchi prototipi differiscono dalla tecnologia di Hydrostor. In primo luogo, gli impianti esistenti,  per immagazzinare l’aria utilizzavano caverne saline sotterranee  naturali. Inoltre, per riscaldare l’aria mentre fuoriusciva bruciavano gas naturale. Il sistema di Hydrostor, invece, non richiede caverne preesistenti ed evita l’uso di combustibili fossili. Un approccio analogo è quello della start-up italiana Energy Dome .

Immagazzinare energia sollevando pesi

Capacità: centinaia di megawatt

Durata: 4+ ore

Durata della vita: 45-50 anni

Pro: può utilizzare infrastrutture esistenti e materiali economici

Contro: non adatto a progetti di piccola capacità e di breve durata

Quando nel 2020 la società svizzera Energy Vault ha presentato per la prima volta il suo prototipo di “batteria a gravità”, molti erano increduli. Il concetto era troppo semplice: utilizzare gru alimentate dall’energia solare o eolica in eccesso, per sollevare e abbassare mattoni da 35 tonnellate impilati in un cilindro. 

Il sistema, per rallentare la discesa dei mattoni e convertire l’energia in elettricità, utilizza freni rigenerativi, come quelli utilizzati nei veicoli elettrici. I vantaggi, rispetto alle batterie tradizionali, consistono nel fatto che l’energia immagazzinata, sollevando oggetti pesanti, non si degrada nel tempo come fa l’energia chimica nelle batterie. È probabile, quindi, che un impianto di stoccaggio per gravità duri più a lungo: circa 50 anni.

Sebbene il progetto iniziale avesse riscosso un discreto successo, l’azienda ha riprogettato il proprio sistema trasformandolo in una gigantesca matrice d’acciaio chiusa, in cui i mattoni vengono spostati su e giù come le cabine di un ascensore. Il suo primo impianto commerciale, costruito di recente in Cina, eroga 25 megawatt di elettricità per quattro ore alla volta, circa la stessa durata delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia Energy Vault afferma che le strutture future forniranno centinaia di megawatt per circa 12 ore. Su questa scala, il costo potrebbe competere con quello degli impianti di batterie agli ioni di litio.

Secondo gli esperti, un impianto a gravità avrebbe bisogno di una durata di stoccaggio di 100 ore per ridurre della metà i costi di quelli di un impianto agli ioni di litio. Per raggiungere questo obiettivo, altre aziende stanno utilizzando grattacieli vuoti e pozzi minerari abbandonati per costruire sistemi concettualmente simili.

Immagazzinare energia con gli impianti a concentrazione

Capacità: centinaia di megawatt

Durata: fino a una settimana

Durata della vita: 30-35 anni

Pro: ottimo per decarbonizzare i processi industriali

Contro: potenziale formazione di sottoprodotti tossici e inquinamento da calore

Secondo la leggenda, gli antichi greci usavano scudi di bronzo per concentrare i raggi del sole sulle navi romane nemiche ed incendiarle. Oggi, gli ingegneri utilizzano un principio analogo per immagazzinare l’energia termica proveniente dal sole.

Un sistema diffuso è, ad esempio, quello che utilizza cerchi di specchi concentrici  (eliostati) per riflettere la luce solare verso una torre centrale, sormontata da un serbatoio di sale fuso. Le travi riscaldano il liquido a più di 500 gradi Celsius, che viene poi conservato in un serbatoio isolato, in genere per diverse ore, anche se alcuni sistemi durano giorni o più. Di notte, il sale fuso può essere utilizzato per far bollire l’acqua e far girare le turbine a vapore per generare elettricità. Tale tecnologia, chiamata energia solare a concentrazione, è già stata implementata in dozzine di località in tutto il mondo. L’impianto più grande finora è in costruzione nel deserto vicino a Dubai e si prevede che sarà in grado di generare 700 megawatt di elettricità per un massimo di 15 ore.

Gli ingenti costi iniziali di costruzione e l’impronta ambientale non indifferente hanno, però, portato alcune aziende a esplorare soluzioni su scala più piccola.

Antora , una start-up della Bay Area sta utilizzando l’energia rinnovabile in eccesso per riscaldare blocchi di grafite che vengono poi immagazzinati in scatole isolanti. 

Uno dei vantaggi dell’accumulo termico consiste, infatti, nella possibilità di utilizzare materiali comuni per immagazzinare calore, inclusi metalli, rocce e acqua

Immagazzinare energia sciogliendo il ghiaccio

Capacità: circa 2,5 megawatt

Durata: 4 ore

Durata della vita: 20 anni

Pro: riduce i costi di condizionamento e refrigerazione riducendo il consumo di elettricità

Contro: non è una vera “batteria” perché non raccoglie elettroni dalla rete né li restituisce quando necessario

Il calore non è l’unico modo per immagazzinare energia: anche il congelamento può funzionare. A Gerusalemme, una società chiamata Nostromo Energy  sta installando quelli che chiama “IceBricks” sui tetti dei centri commerciali e di altri grandi edifici. Gli ingombranti contenitori rettangolari vengono riempiti con acqua mista a una sostanza chimica che ne abbassa il punto di congelamento. Quando le temperature aumentano, il sistema fa circolare l’aria calda dall’interno dell’edificio attraverso il ghiaccio che si scioglie, raffreddandola e riducendo, così, l’energia necessaria per mantenere gli edifici a una temperatura confortevole.

IceBrick e altre tecnologie di stoccaggio del ghiaccio non possono immettere elettricità nella rete durante una carenza, ma potrebbero svolgere un ruolo chiave nel ridurre i picchi di consumo energetico durante le ondate di caldo ed evitare pericolosi blackout

Immagazzinare energia al volo

Capacità: 8 kilowatt (0,008 megawatt) per ruota

Durata: 4 ore

Durata della vita: 30 anni

Pro: durevole, robusto, portatile

Contro: capacità ridotta.

Giorno dopo giorno, una gru da carico sull’isola di Kodiak, in Alaska, solleva e abbassa container di metallo. Tale sistema potrebbe consumare due megawatt di elettricità in un momento, poi nulla un minuto dopo. Una fluttuazione così estrema nel consumo energetico normalmente metterebbe a dura prova la rete elettrica dell’isola, che funziona quasi interamente con fonti rinnovabili. Ma questa gru non ne ha bisogno, perché ottiene tutta la potenza di cui ha bisogno da due volani rotanti.

Sebbene siano molto antichi, i volani sono stati recentemente rivalorizzati per immagazzinare energia rinnovabile in applicazioni che vanno dalla cattura di energia nei freni dei treni pendolari, alla fornitura di rapide esplosioni di potenza per il lancio degli aerei. I volani di  Amber Kinetics sono dischi d’acciaio lisci da quasi 1000 kg, conservati in camere sottovuoto. Un magnete li fa levitare leggermente per evitare che l’attrito li rallenti mentre girano. L’energia in eccesso proveniente dall’energia eolica o solare, alimenta un motore elettrico che li fa girare, raggiungendo fino a 9000 giri al minuto mentre convertono l’elettricità in energia cinetica. Secondo l’azienda, una volta in movimento, è necessaria solo una piccola quantità di energia per far funzionare le ruote, più o meno la stessa quantità di una lampadina. Quando c’è bisogno di energia, il sistema cambia configurazione: il motore funge da generatore, trasformando l’energia meccanica in elettricità da utilizzare sulla rete. Ogni singolo volano può scaricare 32 kWh – 8 kilowatt di energia all’ora per 4 ore prima di doversi ricaricare. Si tratta di una quantità di energia relativamente piccola, ma a differenza di una batteria, i volani non perdono mai la loro capacità di carica. Inoltre, il design robusto li rende ideali per trasferire l’energia rinnovabile in luoghi remoti, anche con condizioni meteorologiche avverse. Finora, i volani di Amber sono stati installati per stabilizzare le reti elettriche nelle Hawaii, in Giappone, a Taiwan, nelle Filippine, nell’Australia rurale e in Tibet.

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