di Mark Patrick |
È necessario accumulare grandi quantità di energia nelle batterie per garantire una fornitura di energia continua e stabile, adatta quindi a soddisfare le esigenze della vita moderna e supportare una rete “green” capace di sostenere la transizione verso l’elettrificazione. Per questo motivo, i progressi nel campo della tecnologia delle batterie sono indispensabili.
Leggi l’articolo di Mark Patrick “Fare di più consumando di meno” sul numero 26 di Elettronica AV
Sistemi di accumulo di energia: una presenza indispensabile
Quando si pensa alle reti elettriche alimentate da fonti rinnovabili, le principali fonti di energia che vengono in mente sono i parchi eolici e fotovoltaici. A differenza di quello che accade nelle centrali elettriche tradizionali, la disponibilità della fornitura di energia non può essere controllata e neppure prevista. Da qui la necessità di avere sistemi di accumulo di energia collegati alla rete per gestire le incertezze relative a quando e quanta elettricità può essere generata, in modo da bilanciare l’offerta e la domanda in termini sia temporali sia quantitativi. Tali sistemi devono essere in grado di accumulare l’energia in eccesso quando le condizioni sono favorevoli per la generazione e di coprire il fabbisogno quando le condizioni sono meno favorevoli, in particolare durante le ore di buio, quando l’energia fotovoltaica non è ovviamente disponibile. Essi devono anche gestire i picchi della domanda sul breve periodo e alimentare carichi ad alta potenza come i caricatori veloci dei veicoli elettrici (EV). Per soddisfare le aspettative dei consumatori, è necessaria l’installazione su larga scala di sistemi di accumulo collegati alla rete nei siti di generazione e in altre postazioni lungo tutta l’infrastruttura. All’estremo opposto, una categoria emergente, quella dei prosumer (fusione dei termini producer/consumer) che gestiscono i propri generatori privati per alimentare i carichi locali e immettere in rete le eccedenze, ha bisogno di effettuare l’accumulo di energia “behind the meter” (ovvero mediante un sistema installato fisicamente “dietro il contatore”) per bilanciare l’offerta disponibile con la propria domanda.
Posizionamento, dimensionamento e tecnologia
Per essere efficace, l’accumulo connesso alla rete deve non solo garantire una capacità adeguata, ma anche affidabilità, lunga durata e convenienza economica. La pianificazione dell’accumulo di energia connesso alla rete è una disciplina relativamente nuova. Il dimensionamento e il posizionamento geografico, indispensabili per garantire che i sistemi di accumulo siano installati nei punti più idonei, dipendono da svariati fattori quali i modelli della domanda, la vicinanza dei carichi e le prestazioni delle batterie. La valutazione dell’ELCC (Effective Load Carrying Capacity) è stato considerato un metodo utile per stimare la quantità di accumulo necessaria per una rete.
Per quanto riguarda le prestazioni delle batterie, le ricerche più avanzate sono focalizzate sui possibili miglioramenti a livello di materiali, struttura e progettazione dei componenti interni come gli elettrodi. Un esempio è rappresentato dalle batterie al litio-zolfo (Li-S) di elevata capacità che sfruttano l’ampia disponibilità di zolfo per ridurre la domanda di litio (che non è un materiale raro, ma il suo utilizzo sempre più massiccio fa sorgere alcune incognite per il futuro) su scala globale. Queste batterie, inoltre, permetterebbero di accumulare più energia rispetto alle tradizionali batterie a ioni di litio (Li-Ion).
Anche le nanotecnologie possono contribuire a risolvere le problematiche legate all’accumulo. I ricercatori hanno dimostrato che i nanotubi al carbonio possono inibire la crescita di strutture ad albero chiamate dendriti, che si ramificano nel tempo all’interno della batteria e possono provocare cortocircuiti con il conseguente malfunzionamento della batteria, permettendo così di aumentarne l’affidabilità e la durata.
Le batterie allo stato solido possono garantire una maggiore densità di energia rispetto a quelle a ioni di litio, oltre ad aumentare la sicurezza grazie all’eliminazione degli elettroliti liquidi. Sebbene il problema della durata abbia finora rappresentato un ostacolo all’adozione di questa tecnologia, i dati di una ricerca pubblicata di recente ha dimostrato che gli elettrodi realizzati sfruttando una combinazione di titanato di litio e biossido di litio e vanadio possono rappresentare una soluzione in grado di promuovere l’utilizzo commerciale delle batterie a stato solido.
Per l’accumulo locale “dietro al contatore”, i prosumer potrebbero ricorrere a batteria a ioni di litio o al piombo acido. La tecnologia al piombo acido, benché consolidata e affidabile, non garantisce i vantaggi di quella a ioni di litio, ovvero compattezza dimensionale, peso contenuto e assenza di manutenzione. Nonostante ciò, le batterie al piombo acido continuano a essere l’opzione più diffusa per le installazioni residenziali dei prosumer grazie alla loro convenienza economica. Oltre al fattore prettamente economico, la semplicità d’uso è un altro aspetto determinante per stimolare i proprietari di case ad adottare scelte energetiche più compatibili dal punto di vista ambientale.
I prosumer, inoltre, devono avere la certezza di avere un ritorno dal loro investimento senza per questo dover diventare esperti di questioni energetiche o dedicare un tempo eccessivo alla gestione della loro centrale elettrica. Per questo motivo è necessario un software per la gestione del sistema che sia sofisticato ma al contempo semplice all’uso, per fare in modo che l’abitazione utilizzi sempre la fonte di energia ottimale per un funzionamento economico e per assicurare un’alimentazione stabile e affidabile (ad esempio, utilizzando il microgeneratore locale per caricare il gruppo di batterie, alimentare i carichi domestici o immettere energia nella rete, prelevando energia dalla rete solo quando è necessario). Il tutto, preferibilmente, alla tariffa più vantaggiosa.
Accumulo integrato
Se elettrificazione è sinonimo di sostenibilità, è necessario ottimizzare l’accumulo di energia a tutti i livelli, dai grandi impianti dei fornitori di servizi di pubblica utilità ai terminali e gateway IoT. Le batterie allo stato solido di piccole dimensioni realizzate mediante processi a film sottile possono assicurare una densità di energia più elevata e una maggiore affidabilità rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Senza dimenticare il riciclo, un altro aspetto che potrebbe contribuire a far diminuire la domanda dei minerali necessari per alimentare il futuro dell’umanità.
