Come immagazzinare l'elettricità fuori dalla rete?

Negli ultimi 50 anni, il consumo globale di elettricità è aumentato costantemente, con un consumo stimato di circa 25.300 terawattora nel 2021. Con la transizione verso l'industria 4.0, la domanda di energia in tutto il mondo è in aumento. Questi numeri aumentano ogni anno, senza includere il fabbisogno energetico dei settori industriali e di altri settori economici. Questa trasformazione industriale e l'elevato consumo di energia si accompagnano a effetti più tangibili sui cambiamenti climatici dovuti alle eccessive emissioni di gas serra. Attualmente, la maggior parte degli impianti e delle centrali elettriche fa ampio affidamento su fonti di combustibili fossili (petrolio e gas) per soddisfare tale domanda. Queste preoccupazioni climatiche impediscono la produzione di energia aggiuntiva con metodi convenzionali. Pertanto, lo sviluppo di sistemi di accumulo di energia efficienti e affidabili è diventato sempre più importante per garantire un approvvigionamento continuo e affidabile di energia da fonti rinnovabili.

Il settore energetico ha risposto orientandosi verso le energie rinnovabili o soluzioni "green". La transizione è stata favorita dal miglioramento delle tecniche di produzione, che ha portato ad esempio a una produzione più efficiente delle pale delle turbine eoliche. Inoltre, i ricercatori sono riusciti a migliorare l'efficienza delle celle fotovoltaiche, con conseguente miglioramento della produzione di energia per area di utilizzo. Nel 2021, la produzione di elettricità da fonti solari fotovoltaiche (FV) è aumentata significativamente, raggiungendo il record di 179 TWh e rappresentando una crescita del 22% rispetto al 2020. La tecnologia solare fotovoltaica rappresenta ora il 3,6% della produzione globale di elettricità ed è attualmente la terza fonte di energia rinnovabile dopo l'idroelettrico e l'eolico.

Tuttavia, queste innovazioni non risolvono alcuni degli svantaggi intrinseci dei sistemi di energia rinnovabile, principalmente la disponibilità. La maggior parte di questi metodi non produce energia su richiesta come le centrali a carbone e a petrolio. L'energia solare, ad esempio, è disponibile durante tutto il giorno, con variazioni a seconda dell'angolo di irraggiamento solare e del posizionamento dei pannelli fotovoltaici. Non può produrre energia durante la notte, mentre la sua produzione si riduce significativamente durante la stagione invernale e nelle giornate molto nuvolose. Anche l'energia eolica risente delle fluttuazioni dovute alla velocità del vento. Pertanto, queste soluzioni devono essere abbinate a sistemi di accumulo di energia per sostenere l'approvvigionamento energetico durante i periodi di bassa produzione.

Cosa sono i sistemi di accumulo di energia?

I sistemi di accumulo di energia possono immagazzinare energia per utilizzarla in un secondo momento. In alcuni casi, si verifica una sorta di conversione di energia tra l'energia immagazzinata e quella fornita. L'esempio più comune sono le batterie elettriche, come quelle agli ioni di litio o al piombo-acido. Queste batterie forniscono energia elettrica attraverso reazioni chimiche tra gli elettrodi e l'elettrolita.

Le batterie, o BESS (Battery Energy Storage System), rappresentano il metodo di accumulo energetico più comune nelle applicazioni quotidiane. Esistono altri sistemi di accumulo, come le centrali idroelettriche, che convertono l'energia potenziale dell'acqua immagazzinata in una diga in energia elettrica. L'acqua che cade aziona il volano di una turbina che produce energia elettrica. Un altro esempio è il gas compresso: una volta rilasciato, il gas aziona la ruota della turbina producendo energia.

Ciò che distingue le batterie dagli altri metodi di accumulo sono i loro potenziali ambiti di applicazione. Dai piccoli dispositivi all'alimentazione di automobili, dalle applicazioni domestiche ai grandi parchi solari, le batterie possono essere integrate perfettamente in qualsiasi applicazione di accumulo off-grid. D'altro canto, i metodi basati sull'energia idroelettrica e sull'aria compressa richiedono infrastrutture di accumulo molto grandi e complesse. Ciò comporta costi molto elevati che, per essere giustificati, richiedono applicazioni molto estese.

Casi d'uso per sistemi di accumulo fuori dalla rete.

Come accennato in precedenza, i sistemi di accumulo off-grid possono facilitare l'utilizzo e la dipendenza da fonti energetiche rinnovabili come l'energia solare ed eolica. Tuttavia, esistono altre applicazioni che possono trarre grandi benefici da tali sistemi.

Le reti elettriche cittadine mirano a fornire la giusta quantità di energia in base alla domanda e all'offerta di ciascuna città. La potenza richiesta può variare nel corso della giornata. I sistemi di accumulo fuori rete sono stati utilizzati per attenuare le fluttuazioni e garantire maggiore stabilità in caso di picchi di domanda. Da un altro punto di vista, i sistemi di accumulo fuori rete possono essere estremamente utili per compensare qualsiasi guasto tecnico imprevisto nella rete elettrica principale o durante i periodi di manutenzione programmata. Possono soddisfare il fabbisogno energetico senza dover cercare fonti di energia alternative. Si può citare, ad esempio, la tempesta di ghiaccio in Texas all'inizio di febbraio 2023, che ha lasciato circa 262.000 persone senza elettricità, mentre le riparazioni sono state ritardate a causa delle difficili condizioni meteorologiche.

Un'altra applicazione riguarda i veicoli elettrici. I ricercatori hanno dedicato notevoli sforzi all'ottimizzazione della produzione delle batterie e delle strategie di carica/scarica, al fine di prolungarne la durata e la densità di potenza. Le batterie agli ioni di litio sono state in prima linea in questa piccola rivoluzione e sono state ampiamente utilizzate nelle nuove auto elettriche, ma anche negli autobus elettrici. Batterie migliori, in questo caso, possono portare a una maggiore autonomia, ma anche a tempi di ricarica ridotti con le giuste tecnologie.

Altri progressi tecnologici, come i droni e i robot mobili, hanno tratto grande beneficio dallo sviluppo delle batterie. Le loro strategie di movimento e di controllo dipendono in larga misura dalla capacità della batteria e dalla potenza erogata.

Che cosa è un BESS

Un BESS, o sistema di accumulo di energia a batteria, è un sistema di accumulo di energia che può essere utilizzato per immagazzinare energia. Questa energia può provenire dalla rete elettrica principale o da fonti rinnovabili come l'energia eolica e quella solare. È composto da più batterie disposte in diverse configurazioni (serie/parallelo) e dimensionate in base alle esigenze. Sono collegate a un inverter che converte la corrente continua in corrente alternata per l'utilizzo.sistema di gestione della batteria (BMS)serve a monitorare le condizioni della batteria e le operazioni di carica/scarica.

Rispetto ad altri sistemi di accumulo di energia, sono particolarmente flessibili da posizionare/collegare e non richiedono infrastrutture particolarmente costose, ma hanno comunque un costo considerevole e richiedono una manutenzione più regolare in base all'utilizzo.

Dimensionamento e abitudini di utilizzo del BESS

Un punto cruciale da considerare quando si installa un sistema di accumulo di energia a batteria è il dimensionamento. Quante batterie sono necessarie? In quale configurazione? In alcuni casi, il tipo di batteria può giocare un ruolo cruciale nel lungo termine in termini di risparmio sui costi ed efficienza.

Ciò avviene caso per caso, poiché le applicazioni possono spaziare da piccole abitazioni a grandi impianti industriali.

La fonte di energia rinnovabile più comune per le piccole famiglie, soprattutto nelle aree urbane, è l'energia solare che utilizza pannelli fotovoltaici. In genere, l'ingegnere considererebbe il consumo energetico medio della famiglia e valuterebbe l'irradiazione solare durante l'anno per la specifica località. Il numero di batterie e la loro configurazione di rete vengono scelti in modo da soddisfare il fabbisogno familiare durante il periodo di minore fornitura di energia solare dell'anno, senza tuttavia scaricare completamente le batterie. Questo presuppone una soluzione che garantisca la completa indipendenza energetica dalla rete elettrica principale.

Mantenere uno stato di carica relativamente moderato o non scaricare completamente le batterie potrebbe sembrare controintuitivo a prima vista. Dopotutto, perché utilizzare un sistema di accumulo se non possiamo sfruttarne appieno il potenziale? In teoria è possibile, ma potrebbe non essere la strategia che massimizza il ritorno sull'investimento.

Uno dei principali svantaggi dei sistemi BESS è il costo relativamente elevato delle batterie. Pertanto, è essenziale scegliere un'abitudine d'uso o una strategia di carica/scarica che massimizzi la durata della batteria. Ad esempio, le batterie al piombo non possono essere scaricate al di sotto del 50% della capacità senza subire danni irreversibili. Le batterie agli ioni di litio hanno una maggiore densità energetica e una lunga durata del ciclo. Possono anche essere scaricate con intervalli più ampi, ma questo comporta un costo maggiore. Vi è un'elevata variabilità di costo tra le diverse composizioni chimiche; le batterie al piombo possono costare da centinaia a migliaia di dollari in meno rispetto a una batteria agli ioni di litio delle stesse dimensioni. Per questo motivo, le batterie al piombo sono le più utilizzate nelle applicazioni solari nei paesi del terzo mondo e nelle comunità povere.

Le prestazioni della batteria sono fortemente influenzate dal degrado durante il suo ciclo di vita; non offre prestazioni costanti che terminano con un guasto improvviso. Al contrario, la capacità erogata può ridursi progressivamente. In pratica, la durata di una batteria si considera esaurita quando la sua capacità raggiunge l'80% della capacità originale. In altre parole, quando subisce una riduzione del 20% della capacità. In pratica, ciò significa che può essere fornita una quantità inferiore di energia. Ciò può influire sulla durata di utilizzo dei sistemi completamente indipendenti e sulla percorrenza di un veicolo elettrico.

Un altro punto da considerare è la sicurezza. Grazie ai progressi nella produzione e nella tecnologia, le batterie più recenti sono generalmente più stabili dal punto di vista chimico. Tuttavia, a causa del degrado e dell'abuso, le celle possono andare incontro a runaway termici, con conseguenti conseguenze catastrofiche e, in alcuni casi, la vita dei consumatori.

Ecco perché le aziende hanno sviluppato software di monitoraggio delle batterie (BMS) più performanti, per controllare non solo l'utilizzo delle stesse ma anche il loro stato di salute, in modo da fornire una manutenzione tempestiva ed evitare conseguenze gravi.

Conclusione

I sistemi di accumulo di energia dalla rete offrono un'ottima opportunità per raggiungere l'indipendenza energetica dalla rete principale, ma anche per fornire una fonte di energia di riserva durante i periodi di inattività e i picchi di carico. Il loro sviluppo faciliterebbe la transizione verso fonti energetiche più ecologiche, limitando così l'impatto della produzione di energia sui cambiamenti climatici e continuando a soddisfare il fabbisogno energetico in un contesto di consumi in costante crescita.

I sistemi di accumulo di energia a batteria sono i più comunemente utilizzati e i più facili da configurare per diverse applicazioni quotidiane. La loro elevata flessibilità è controbilanciata da un costo relativamente elevato, che porta allo sviluppo di strategie di monitoraggio per prolungarne il più possibile la durata. Attualmente, l'industria e il mondo accademico stanno dedicando notevoli sforzi allo studio e alla comprensione del degrado delle batterie in diverse condizioni.