Energy storage e tecnologie: l’importanza dei sistemi di accumulo di energia a lunga durata

Il comparto dei sistemi di energy storage e delle tecnologie relative è in rapida crescita. La necessità di gestire al meglio l’accumulo di energia prodotta da fonti rinnovabili, specie fotovoltaico ed eolico, spinge a cercare soluzioni in grado di rispondere alle necessità di garantire stabilità alla rete e nello stesso tempo sfruttare il potenziale offerto dalle rinnovabili.

Secondo un’analisi di McKinsey, nel 2022 sono stati investiti in sistemi di accumulo tramite batterie (BESS – Battery energy storage system) più di 5 miliardi di dollari: quasi tre volte in più rispetto all’anno precedente. Si prevede che il mercato globale BESS raggiunga i 120-150 miliardi di dollari entro il 2030, più del doppio delle sue dimensioni attuali.

Ancora più interessanti le prospettive dei sistemi di accumulo a lunga durata (LDES): entro il 2040, LDES ha il potenziale per distribuire da 1,5 a 2,5 terawatt di capacità energetica – ovvero da 8 a 15 volte la capacità totale di stoccaggio energetico oggi dispiegata – a livello globale. Allo stesso modo, potrebbe sviluppare da 85 a 140 TWh di capacità energetica entro il 2040 e immagazzinare fino al 10% di tutta l’elettricità consumata. Ciò corrisponde a un investimento cumulativo compreso tra 1500 e 3mila miliardi di dollari.

Sempre McKinsey stima che entro il 2040, l’adozione del sistema LDES potrebbe consentire di evitare da 1,5 a 2,3 gigatonnellate di CO₂ equivalente all’anno, ovvero circa il 10-15% delle emissioni odierne del settore energetico.

Lo stoccaggio dell’energia è una soluzione considerata cruciale dall’Unione Europea per fornire la necessaria flessibilità, stabilità e affidabilità al sistema energetico del futuro. La flessibilità del sistema è particolarmente necessaria nel sistema elettrico dell’UE, dove si stima che la quota di energia rinnovabile raggiungerà circa il 69% entro il 2030 e l’80% entro il 2050.

Long duration energy storage: i motivi per cui sono necessarie

I sistemi LDES (Long duration energy storage) offrono diversi vantaggi. Supportano e integrano l’espansione delle energie rinnovabili variabili, conferendo alla rete maggiore affidabilità e flessibilità. Inoltre, possono migliorare la resilienza della rete e ridurre la necessità di nuova capacità di gas naturale. Oggi la maggior parte dei servizi di affidabilità e resilienza della rete sono forniti da risorse idroelettriche e fossili. In futuro, le tecnologie LDES potrebbero avere un utilizzo e un’adattabilità più elevati alle mutevoli esigenze della rete.

Tali soluzioni assicurano un altro pregio: possono permettere di diversificare la catena di approvvigionamento nazionale di stoccaggio energetico. Un insieme diversificato di tecnologie di stoccaggio riduce il rischio che gli obiettivi net-zero dipendano dallo sviluppo della produzione di ioni di litio.

Tra le soluzioni di energy storage e tecnologie relative ci sono differenze sostanziali. Una prima differenza sta tra LDES e BESS. Questi ultimi definiscono sistemi di accumulo di energia mediante batterie elettrochimiche.

«In realtà si può accumulare energia in molti modi diversi: le batterie sono una delle possibilità. Quando si parla di Long Duration Energy Storage si intende una modalità di accumulo con orizzonti temporali più lunghi mediante tecnologie diverse», spiega Massimo Guarnieri, docente del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova e responsabile EESCoLab – Electrochemical Energy Storage and Conversion Laboratory, nonché presidente del Technological Committee of Flow Batteries Europe.

Sistemi LDES

Tra i sistemi LDES quello più consolidato è il pompaggio idroelettrico (PHS). Si tratta di una configurazione basata su due corpi idrici (generalmente, due serbatoi o un fiume come serbatoio inferiore) a diverse altezze – collegati da un sistema di turbine e pompe – che possono generare energia mentre l’acqua scende dall’uno all’altro (scarico), passando attraverso una turbina.

I sistemi PHS pompano acqua in un serbatoio superiore nei periodi di bassa domanda di energia e la utilizzano per produrre elettricità rilasciando acqua nel serbatoio inferiore attraverso le turbine. Il sistema di storage idroelettrico si basa sul principio di disaccoppiare il dimensionamento del sistema in potenza da quello d’energia.

Agisce in modo simile a una batteria gigante, perché può immagazzinare energia e rilasciarla quando necessario. Attualmente rappresenta il 96% di tutto lo stoccaggio di energia su scala industriale negli Stati Uniti. L’UE ospita 44 GW di impianti idroelettrici mediante pompaggio per immagazzinare energia idrica, ovvero un quarto della capacità installata globale. I bacini idroelettrici europei forniscono una capacità di stoccaggio di 220 TWh.

Le batterie possono essere impiegate per accumulo stazionario per durate inferiori: le modalità di funzionamento sono tali da permettere di funzionare per tempi che tipicamente vanno da un’ora a 4 ore alla potenza nominale. «Il concetto di Long duration energy storage è un concetto di accumulo che invece punta a tempi molto più lunghi, ovvero dalle 8 ore fino a parecchie settimane», specifica Guarnieri.

Sempre a proposito di energy storage e tecnologie per la lunga durata ci sono le batterie a flusso. Sono un tipo di accumulo elettrochimico, costituito da due componenti chimici disciolti in un liquido separati da una membrana. Gli elettroliti sono stoccati esternamente, generalmente in vasche e vengono pompati attraverso la cella (o celle) del reattore. Carica e scarica delle batterie avvengono tramite il trasferimento di ioni da un componente all’altro attraverso la membrana.

Il più grande vantaggio delle batterie a flusso è la capacità di imballare grandi volumi. Le batterie a flusso ad alta capacità, che hanno enormi serbatoi di elettroliti, sono in grado di immagazzinare una grande quantità di elettricità.

Esistono varie classi di batterie di flusso tra cui la redox (ossidoriduzione), in cui tutti i componenti elettroattivi vengono disciolti nell’elettrolito.

L’interesse per le batterie a flusso è aumentato considerevolmente con l’aumento delle esigenze di stoccaggio delle fonti energetiche rinnovabili. Le batterie a flusso redox costituiranno una tecnologia chiave di accumulo dell’energia per supportare la crescente penetrazione delle fonti rinnovabili: secondo IDTechEx si prevede che il mercato delle batterie flusso redox sarà valutato a 2,8 miliardi di dollari nel 2034.

Tuttavia, il problema più grande nell’utilizzo delle batterie a flusso è l’alto costo dei materiali utilizzati al loro interno, come il vanadio.

Un altro sistema di accumulo LDES è quello che sfrutta l’idrogeno. «Si tratta di un’opzione interessante sia per gli impieghi stazionari che per quelli mobili», evidenzia Guarnieri.

Energy storage e tecnologie utili per gli obiettivi 2050

Per puntare alla decarbonizzazione e agli obiettivi net zero al 2050 serviranno sistemi di energy storage e tecnologie capaci di fornire le giuste risposte.

L’accumulo con idrogeno verde sarà uno dei modi. Dalla generazione dell’idrogeno mediante elettrolisi, si passerà alla compressione in sistemi di accumulo e all’utilizzo finale nelle celle a combustibile per rigenerare energia elettrica quando è necessario.

Il limite principale dell’idrogeno è però la bassa efficienza. «Personalmente, prevedo che l’idrogeno farà parte di un mix di tecnologie diverse che andranno calibrate a secondo dei singoli utilizzi. Di certo ne farà parte l’idroelettrico, insieme alle batterie a flusso», afferma il professore dell’Università di Padova ed esperto in materia.

Energy storage: l’Italia stanzia 17,7 miliardi

Per quanto riguarda lo sviluppo di sistemi di energy storage e tecnologie c’è da segnalare lo sforzo dell’Italia per sostenerle. Di recente la Commissione Europea ha approvato, ai sensi delle norme UE sugli aiuti di Stato, un piano italiano da 17,7 miliardi di euro per sostenere la costruzione e il funzionamento di un sistema centralizzato di stoccaggio dell’energia elettrica.

Secondo la Commissione UE:

“La misura contribuisce al raggiungimento degli obiettivi del Green Deal europeo e del pacchetto ‘Fit for 55’, consentendo l’integrazione delle fonti energetiche rinnovabili nel sistema elettrico italiano.”

Il regime notificato dall’Italia sosterrà la costruzione di impianti di stoccaggio dell’energia elettrica con una capacità congiunta di oltre 9 GW/71 GWh.

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