Negli ultimi 50 anni, si è registrato un aumento continuo del consumo globale di elettricità, con un utilizzo stimato di circa 25.300 terawattora nel 2021. Con la transizione verso l'Industria 4.0, si osserva un aumento della domanda di energia in tutto il mondo. Questi valori crescono di anno in anno, senza contare il fabbisogno energetico dei settori industriali e di altri settori economici. Questa trasformazione industriale e l'elevato consumo energetico sono accompagnati da effetti più tangibili sui cambiamenti climatici, dovuti alle eccessive emissioni di gas serra. Attualmente, la maggior parte degli impianti e delle centrali elettriche si basa in larga misura su fonti di combustibili fossili (petrolio e gas) per soddisfare tale domanda. Queste problematiche climatiche impediscono un'ulteriore produzione di energia con metodi convenzionali. Pertanto, lo sviluppo di sistemi di accumulo energetico efficienti e affidabili è diventato sempre più importante per garantire un approvvigionamento energetico continuo e affidabile da fonti rinnovabili.
Il settore energetico ha reagito orientandosi verso le energie rinnovabili o soluzioni "verdi". Questa transizione è stata agevolata dal miglioramento delle tecniche di produzione, che hanno portato, ad esempio, a una maggiore efficienza nella fabbricazione delle pale delle turbine eoliche. Inoltre, i ricercatori sono riusciti a migliorare l'efficienza delle celle fotovoltaiche, ottenendo una maggiore produzione di energia per unità di superficie utilizzata. Nel 2021, la produzione di elettricità da fonti solari fotovoltaiche (FV) è aumentata significativamente, raggiungendo il record di 179 TWh e registrando 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 più importante, dopo l'energia idroelettrica ed eolica.
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 a seconda della velocità del vento. Pertanto, queste soluzioni devono essere abbinate a sistemi di accumulo di energia per garantire la fornitura energetica durante i periodi di bassa produzione.
Che 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 conversione tra l'energia immagazzinata e l'energia erogata. L'esempio più comune è rappresentato dalle batterie elettriche, come quelle agli ioni di litio o al piombo-acido. Queste forniscono energia elettrica tramite reazioni chimiche tra gli elettrodi e l'elettrolita.
Le batterie, o BESS (sistema di accumulo di energia a batteria), rappresentano il metodo di accumulo di energia più comune utilizzato 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 fa girare il volano di una turbina che produce energia elettrica. Un altro esempio è il gas compresso: una volta rilasciato, il gas fa girare la ruota di una turbina producendo energia.
Ciò che distingue le batterie dagli altri metodi di accumulo è il loro potenziale ambito di applicazione. Dai piccoli dispositivi e sistemi di alimentazione per automobili alle applicazioni domestiche e ai grandi impianti solari, le batterie possono essere integrate senza problemi in qualsiasi sistema di accumulo off-grid. D'altro canto, l'energia idroelettrica e l'aria compressa richiedono infrastrutture di accumulo molto ampie e complesse. Questo comporta costi molto elevati, che si traducono in applicazioni di dimensioni altrettanto elevate per essere giustificate.
Casi d'uso per sistemi di accumulo off-grid.
Come accennato in precedenza, i sistemi di accumulo off-grid possono facilitare l'utilizzo e la dipendenza da fonti di energia rinnovabile come l'energia solare ed eolica. Tuttavia, esistono altre applicazioni che possono trarre grande vantaggio 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. Il fabbisogno energetico può variare nel corso della giornata. I sistemi di accumulo off-grid sono stati utilizzati per attenuare le fluttuazioni e garantire maggiore stabilità nei momenti di picco della domanda. Da un altro punto di vista, i sistemi di accumulo off-grid possono essere estremamente utili per compensare eventuali guasti tecnici imprevisti nella rete elettrica principale o durante i periodi di manutenzione programmata. Possono soddisfare il fabbisogno energetico senza dover ricorrere a fonti di energia alternative. Si può citare, ad esempio, la tempesta di ghiaccio che ha colpito il Texas all'inizio di febbraio 2023, lasciando circa 262.000 persone senza elettricità, mentre le riparazioni sono state ritardate a causa delle difficili condizioni meteorologiche.
I veicoli elettrici rappresentano un'altra applicazione. I ricercatori hanno profuso molti sforzi per ottimizzare la produzione delle batterie e le strategie di carica/scarica al fine di prolungarne la durata e aumentarne la densità energetica. Le batterie agli ioni di litio sono state all'avanguardia di questa piccola rivoluzione e sono ampiamente utilizzate nelle nuove auto elettriche, ma anche negli autobus elettrici. In questo caso, batterie migliori possono portare a una maggiore autonomia, ma anche a tempi di ricarica ridotti, se impiegate le tecnologie appropriate.
Altri progressi tecnologici, come i droni e i robot mobili, hanno tratto grande vantaggio dallo sviluppo delle batterie. Le loro strategie di movimento e di controllo dipendono fortemente dalla capacità e dalla potenza della batteria.
Cos'è un BESS?
Un BESS, o sistema di accumulo di energia a batteria, è un sistema di stoccaggio energetico utilizzato per immagazzinare energia. Questa energia può provenire dalla rete elettrica principale o da fonti rinnovabili come l'energia eolica e solare. È composto da più batterie disposte in diverse configurazioni (serie/parallelo) e dimensionate in base alle esigenze. Le batterie sono collegate a un inverter che converte la corrente continua (CC) in corrente alternata (CA) per l'utilizzo. Un sistema di gestione della batteria (BMS) monitora le condizioni delle batterie e le operazioni di carica e scarica.
Rispetto ad altri sistemi di accumulo energetico, sono particolarmente flessibili in termini di installazione e connessione e non richiedono infrastrutture costose, ma comportano comunque un costo considerevole e necessitano di una manutenzione più frequente in base all'utilizzo.
Dimensionamento e abitudini di utilizzo di BESS
Un aspetto cruciale da affrontare 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 svolgere un ruolo determinante a lungo termine in termini di risparmio sui costi ed efficienza.
Ciò viene fatto caso per caso, poiché le applicazioni possono variare dalle piccole abitazioni ai grandi impianti industriali.
La fonte di energia rinnovabile più comune per le piccole abitazioni, soprattutto nelle aree urbane, è l'energia solare tramite pannelli fotovoltaici. L'ingegnere, in genere, considera il consumo energetico medio dell'abitazione e valuta l'irraggiamento solare annuo per la specifica località. Il numero di batterie e la loro configurazione in rete vengono scelti in modo da soddisfare il fabbisogno energetico dell'abitazione durante i periodi di minore irraggiamento solare, evitando al contempo di scaricare completamente le batterie. Questo presuppone una soluzione che garantisca la completa indipendenza energetica dalla rete elettrica nazionale.
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 di accumulo di energia a batteria (BESS) è il costo relativamente elevato delle batterie. Pertanto, è fondamentale scegliere un modello di utilizzo 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 di vita. Possono anche essere scaricate con intervalli più ampi, ma questo comporta un costo maggiore. Esiste una notevole varianza di costo tra le diverse tecnologie chimiche: le batterie al piombo possono costare da centinaia a migliaia di dollari in meno rispetto a una batteria agli ioni di litio di pari dimensioni. Questo è il motivo per cui le batterie al piombo sono le più utilizzate nelle applicazioni solari nei paesi in via di sviluppo e nelle comunità povere.
Le prestazioni di una batteria sono fortemente influenzate dal degrado durante il suo ciclo di vita; non presentano un andamento costante che termina con un guasto improvviso. Al contrario, la capacità e l'energia erogata possono diminuire progressivamente. In pratica, si considera che la durata di una batteria sia terminata quando la sua capacità raggiunge l'80% della capacità originale. In altre parole, quando si verifica un calo di capacità del 20%. In termini pratici, ciò significa che è possibile erogare una minore quantità di energia. Questo può influire sui tempi di utilizzo dei sistemi completamente autonomi e sul chilometraggio che un veicolo elettrico può percorrere.
Un altro aspetto 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 di un utilizzo improprio, le celle possono andare incontro a un'instabilità termica incontrollata, che può portare a conseguenze catastrofiche e, in alcuni casi, mettere a rischio la vita dei consumatori.
Per questo motivo le aziende hanno sviluppato software di monitoraggio delle batterie (BMS) più efficienti, in grado di controllare non solo l'utilizzo della batteria, ma anche il suo stato di salute, al fine di garantire una manutenzione tempestiva ed evitare conseguenze più gravi.
Conclusione
I sistemi di accumulo di energia elettrica, integrati nella rete, offrono una grande opportunità per raggiungere l'indipendenza energetica dalla rete principale, fornendo al contempo una fonte di energia di riserva durante i periodi di inattività e di picco di domanda. Il loro sviluppo faciliterebbe la transizione verso fonti energetiche più pulite, limitando così l'impatto della produzione di energia sui cambiamenti climatici e al contempo soddisfacendo il fabbisogno energetico in un contesto di costante crescita dei consumi.
I sistemi di accumulo di energia a batteria sono i più diffusi e i più facili da configurare per diverse applicazioni quotidiane. La loro elevata flessibilità è controbilanciata da un costo relativamente alto, il che ha portato 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.
