Destini energetici – Parte 3: Accumulo di energia – Complicazioni scomode, di Satyajit Das
L’energia abbondante ed economica è uno dei fondamenti della civiltà e delle economie moderne. Gli attuali cambiamenti nei mercati dell’energia sono forse i più significativi da molto tempo. Ha implicazioni per la società nel senso più ampio. Destini energetici è una serie in più parti che esamina il ruolo dell’energia, le dinamiche della domanda e dell’offerta, il passaggio alle energie rinnovabili, la transizione, la sua relazione con le emissioni e i possibili percorsi. La prima e la seconda parte hanno esaminato i modelli di domanda e offerta nel tempo e le fonti energetiche rinnovabili. Questa parte esamina la necessità di accumulo di energia.
Dati i problemi di intermittenza, le fonti energetiche rinnovabili richiedono infrastrutture per lo stoccaggio. Per l’elettricità, in cui una parte significativa della domanda totale della rete è fornita da fonti rinnovabili, lo stoccaggio esterno diventa importante con maggiore necessità in quanto è necessario integrare un numero maggiore di fonti di questo tipo.
Lo stoccaggio di energia si riferisce alla cattura di energia prodotta in un impianto per un uso differito poi. Implica la conversione dell’energia tipicamente da stati istantanei non memorizzabili a forme memorizzabili per l’accesso futuro. L’energia immagazzinata consente all’offerta di soddisfare la domanda secondo necessità.
I requisiti di archiviazione possono essere di breve durata (che coprono poche ore o durante la notte) e di lunga durata (che coprono un periodo che va dalla giornata ai mesi). Le tecnologie differiscono per capacità e durata dell’energia disponibile. L’accumulo di energia si differenzia anche in base al fatto che sia generico o specifico. Le batterie sono utili per immagazzinare elettricità e dispositivi orientati all’utilizzo di determinati tipi di alimentazione. I serbatoi di ghiaccio, utilizzati per immagazzinare il ghiaccio utilizzando elettricità a basso costo durante la notte, possono soddisfare solo i picchi di domanda diurna per il raffreddamento.
Come spesso non si apprezza, i combustibili fossili, come il carbone e gli idrocarburi, sono in realtà depositi naturali di energia dalla luce solare. Esistono numerose potenziali tecnologie alternative ma, in pratica, le forme principali sono le batterie, l’energia idroelettrica pompata e l’idrogeno. Altre potenziali tecnologie di accumulo alternative, in vari stadi di sviluppo, includono quelle elettriche o elettromagnetiche (condensatori e accumulo magnetico superconduttore), meccaniche (accumulo di energia ad aria compressa o volano), biologiche (glicogeno o amido), termiche (accumulo di energia criogenica, energia ad aria liquida stoccaggio o stoccaggio di sali fusi) o materiale a cambiamento di fase (dissipatori di calore che utilizzano una sostanza che assorbe e rilascia energia sufficiente durante la transizione di fase per fornire calore o raffreddamento utili).
Sulla transizione energetica abbiamo pubblicato diversi articoli. Leggete questo:
Batterie
Le batterie, generalmente ricaricabili, accumulano elettricità utilizzando reazioni elettrochimiche basate su diverse sostanze chimiche tra cui piombo-acido, nichel-cadmio e ioni di litio.
Le questioni chiave includono:
- Efficienza: misura l’energia recuperata rispetto alla quantità di energia immagazzinata. Le migliori batterie agli ioni di litio hanno un’efficienza che si avvicina al 90 percento in condizioni ottimali. Le prestazioni si degradano nel tempo. Ad esempio, se la batteria viene caricata completamente per un (breve) periodo di tempo a una temperatura ambiente di 40°C, la sua capacità (la capacità di immagazzinare energia) diminuirà fino a un terzo in un anno.
- Dimensioni e peso: le batterie necessarie per un significativo accumulo di energia sono grandi. I veicoli elettrici sono molto più pesanti delle auto tradizionali a causa dei loro pacchi batteria grandi e pesanti: un Ford F-150 Lightning elettrico a batteria è di 900-1.350 chilogrammi (2.000-3.000 libbre) più pesante di un modello equivalente a benzina o diesel.
- Durata: la durata della batteria è un problema. In genere per l’archiviazione a livello di rete, sono progettati per fornire alcune ore di alimentazione. Dopo un’interruzione totale del sistema nel 2018, lo stato australiano del South Australia ha installato la prima “grande batteria” al mondo (Hornsdale Power Reserve), con una potenza nominale di oltre 150 Megawatt. Può alimentare circa 50.000 case per 3-4 ore. In tutta onestà, la riserva di carica fornisce ulteriore stabilità alla rete e sicurezza del sistema. Per mantenere l’Australia Meridionale (popolazione 2,5 milioni) rifornita per mezza giornata sarebbero necessari circa un centinaio di questi “più grandi parchi di batterie Tesla del mondo”. Inoltre, le prestazioni non sono garantite con il proprietario multato di A $ 900.000 nel 2022 dopo essere stato citato in giudizio dall’Australian Energy Regulator per non aver fornito la capacità promessa.
- Durata della batteria: la durata tipica della batteria agli ioni di litio è di 10-15 anni, mentre alcune altre tecnologie di batteria hanno una durata maggiore. In media, dopo 8-10 anni in ambienti industriali, la capacità della batteria scende a livelli “economicamente svantaggiosi”. Il degrado crea problemi di smaltimento delle batterie agli ioni di litio.
Idropompato
Il concetto di idroelettrico pompato è che l’energia in eccesso (di solito l’energia elettrica all’interno di una rete durante i periodi di bassa domanda) viene utilizzata per pompare l’acqua da un serbatoio inferiore a uno superiore. L’acqua può essere rilasciata in un serbatoio inferiore, uno specchio d’acqua o un corso d’acqua attraverso una turbina, generando elettricità. La tecnica utilizza è la differenza di altezza tra due corpi idrici e la forza gravitazionale. Tipicamente, i gruppi turbina-generatore reversibili vengono utilizzati sia come pompa che come turbina.
Esistono due tipi di accumulo idroelettrico pompato:
- Gli impianti di pompaggio puro creano due serbatoi personalizzati dedicati allo stoccaggio e alla generazione.
- Il pump-back utilizza gli impianti idroelettrici esistenti e i loro serbatoi, combinando lo stoccaggio con pompaggio e la generazione convenzionale utilizzando il flusso naturale.
In tutto il mondo, l’energia idroelettrica con pompaggio è la forma di accumulo di energia attiva della rete con la più grande capacità utilizzata a livello globale. La disponibilità è limitata dal terreno che richiede dislivelli e idealmente serbatoi naturali che possono essere valorizzati. Ha una bassa densità di potenza superficiale che richiede grandi quantità di terreno.
Ci sono questioni più sottili. A meno che non siano puri con due serbatoi separati su misura a diverse altezze utilizzati esclusivamente per l’accumulo di energia, questi schemi sono tipicamente dighe polivalenti che generano elettricità e forniscono acqua alle famiglie, all’agricoltura e all’industria. Se sono necessari grandi rilasci per coprire le carenze della rete, l’acqua non immagazzinata per il ritorno al serbatoio di stoccaggio superiore, tali rilasci nei corsi d’acqua, potrebbe non essere disponibile per soddisfare queste altre esigenze. Inoltre, una volta esaurita l’acqua immagazzinata, non è possibile generare ulteriore elettricità fino a quando l’energia in eccesso non diventa disponibile per riempire il relativo serbatoio.
Idrogeno
L’energia in eccesso, in particolare l’elettricità, può essere convertita in un combustibile gassoso come l’idrogeno o, meno comunemente, il metano. Poiché non si trova naturalmente in quantità sufficienti, l’elettricità viene utilizzata per generare idrogeno attraverso processi chimici come l’elettrolisi dell’acqua.
Esistono diversi tipi di combustibile a idrogeno:
- Idrogeno bruno: utilizza carbone termico ed è economico ma altamente inquinante.
- Idrogeno grigio: utilizza il gas naturale tramite la riformazione del metano a vapore senza cattura delle emissioni ed è la forma di produzione attuale più comune.
- Idrogeno blu: simile al grigio ma le emissioni di carbonio vengono catturate e immagazzinate o riutilizzate. La mancanza di disponibilità di cattura significa che attualmente non è ampiamente utilizzato.
- Idrogeno verde: utilizza energia rinnovabile per elettrolizzare l’acqua separando l’atomo di idrogeno dall’ossigeno che è attualmente costoso.
Non provato su larga scala, l’idrogeno turchese utilizza un processo chiamato pirolisi del metano per produrre idrogeno e carbonio solido.
L’efficienza dipende dalle perdite di energia coinvolte nel ciclo di stoccaggio dell’idrogeno dall’elettrolisi dell’acqua, dalla liquefazione o dalla compressione dell’idrogeno e dalla conversione in elettricità.
L’interesse per l’idrogeno deriva dalla possibilità di convertire l’energia rinnovabile in un combustibile a zero emissioni di carbonio, ovvero l’idrogeno verde.
Il combustibile a idrogeno può teoricamente essere utilizzato per alimentare impianti di generazione o riscaldamento. Può essere utilizzato nelle celle a combustibile o nei motori a combustione interna. L’idrogeno può essere utilizzato nelle celle a combustibile che sono efficienti, hanno bassa rumorosità e bassi requisiti di manutenzione a causa del minor numero di parti mobili. Esiste anche la possibilità di convertire i motori a combustione nei veicoli commerciali in modo che funzionino con una miscela idrogeno-diesel. I motori a combustione che utilizzano l’idrogeno comporteranno un cambiamento meno radicale per l’industria automobilistica e un costo iniziale del veicolo potenzialmente inferiore rispetto alle alternative completamente elettriche o a celle a combustibile.
L’uso dell’idrogeno come carburante per i trasporti è di particolare interesse laddove l’energia elettrica potrebbe non essere ottimale, come i trasporti pesanti, l’aviazione e le industrie pesanti dove c’è bisogno di maggiore potenza, autonomia più lunga e tempi di rifornimento più rapidi. L’idrogeno pulito è spesso presentato come il “proiettile magico” nella decarbonizzazione dell’aviazione, dei fertilizzanti, dei trasporti a lungo raggio, delle spedizioni marittime, della raffinazione e dell’industria siderurgica.
La produzione di idrogeno attualmente utilizza combustibili fossili. Aumentare la produzione di idrogeno verde richiederà grandi investimenti per ridurre i costi di produzione per renderlo competitivo con altri combustibili e costruire infrastrutture per il trasporto, lo stoccaggio e la distribuzione. Anche se fosse disponibile sufficiente idrogeno verde a costi competitivi, ci sono diversi problemi che dovrebbero essere superati:
- L’idrogeno ha un alto contenuto energetico per unità di massa. Ma a temperatura ambiente e pressione atmosferica, ha un contenuto energetico per unità di volume molto basso rispetto ai combustibili liquidi o al gas naturale. Di solito deve essere compresso o liquefatto abbassando la sua temperatura a meno di 33 Kelvin (meno 240 gradi Celsius). Ciò richiede serbatoi ad alta pressione o criogenici che pesano molto più dell’idrogeno che possono contenere, complicandone l’uso in automobili, camion e aeroplani.
- Il combustibile a idrogeno ha una bassa energia di accensione, un’elevata energia di combustione e si perde facilmente dai serbatoi rendendolo pericoloso. Ciò richiederebbe un attento controllo della catena di approvvigionamento e dello stoccaggio.
Sono necessari miglioramenti tecnologici significativi prima che il combustibile a idrogeno diventi un mezzo di stoccaggio sicuro, praticabile ed economico. L’idrogeno verde continua a scarseggiare. Le opzioni di trasporto come i gasdotti sono limitate. Anche la fornitura di elettrolizzatori è limitata con la produzione di massa che inizia solo ad aumentare. La tanto promossa economia dell’idrogeno non è ancora con noi.
Economia dell’immagazzinamento dell’energia
L’economia dello stoccaggio dell’energia è difficile da quantificare in quanto dipende dal contesto e dal tipo richiesto. Metodi diversi non sono tecnicamente adatti a tutte le esigenze. Gli aspetti economici sono sensibili al mercato e alla posizione. Il costo autonomo è meno rilevante del costo complessivo nel contesto di un sistema energetico.
Lo stoccaggio di energia è difficile da valutare utilizzando metriche di valutazione tradizionali come il flusso di cassa scontato. Alcuni hanno suggerito di utilizzare l’analisi delle opzioni reali, che può incorporare varie incertezze ed esternalità (incontro intermittenza, evitare la riduzione, evitare la congestione della rete, l’arbitraggio dei prezzi e la fornitura di energia senza emissioni di carbonio). Tuttavia, tali modelli sono altamente soggettivi e sensibili a piccoli cambiamenti nei parametri.
Indipendentemente dall’economia, è improbabile che le opzioni di stoccaggio dell’energia attualmente disponibili consentano il passaggio alle energie rinnovabili nella scala proposta. Le batterie sono flessibili, in grado di rispondere rapidamente ai cambiamenti della domanda di energia, rendendole adatte per la messa a punto delle forniture. Se devono fornire accumulo di energia per più di diverse ore, il loro costo di capitale è molto elevato. Sebbene la crescita della domanda di batterie per i veicoli elettrici abbia ridotto significativamente il costo, rimangono costose soprattutto se si considera la durata, la capacità e la durata limitate. Attualmente, le batterie rimangono una fonte discutibile di energia dispacciabile in quanto non sono in grado di coprire le lacune variabili di energia rinnovabile che durano più di poche ore. L’unica opzione praticabile è l’idropompa che può immagazzinare energia per diverse ore o mesi, a seconda della capacità di accumulo e della struttura.
Nei modelli con alti livelli di energia rinnovabile, il costo dello stoccaggio può dominare i costi dell’intera rete. In California , l’80% della quota rinnovabile richiederebbe 9,6 terawatt di stoccaggio, ma il 100% richiederebbe 36,3 terawatt. A partire dal 2023 , lo stato disponeva di 5.000 megawatt di stoccaggio. Mentre questo è aumentato di 20 volte dal 2019 e si prevede che aumenterà di altre 10 volte fino a 52.000 megawatt, è al di sotto dei requisiti tenendo presente che anche un terawattora è pari a 1.000.000 di megawattora. Soddisfare l’80% della domanda degli Stati Uniti da fonti rinnovabili potrebbe richiedere una rete intelligente che copra l’intero paese o un accumulo di batterie in grado di alimentare l’intero sistema per 12 ore a un costo stimato in 2,5 trilioni di dollari . Altri stimano i costi a livelli molto più alti.
Costruire l’immagazzinamento dell’energia della batteria richiesto influirebbe negativamente sul costo dell’energia. Supponendo che i costi delle batterie al litio diminuiscano di due terzi, la costruzione del livello di generazione e stoccaggio rinnovabili necessari per raggiungere l’obiettivo della California di derivare la maggior parte della sua energia da fonti rinnovabili farebbe aumentare i costi, sulla base di una stima, da $ 49 per megawattora a tanto come $ 1.612 al 100 percento rinnovabili.
Affidarsi solo alle energie rinnovabili e allo stoccaggio di energia può costare almeno circa il 30-50% in più rispetto a un sistema comparabile che combina le rinnovabili con impianti nucleari o impianti a combustibili fossili con cattura e stoccaggio del carbonio.
L’efficienza dell’immagazzinamento dell’energia non è attualmente ottimale. Simile a Energy Return on Energy Invested (EROEI), l’energia immagazzinata sull’energia investita (ESOEI) misura la quantità di energia che può essere immagazzinata da una tecnologia, divisa per la quantità di energia necessaria per costruire quella tecnologia. Maggiore è l’ESOEI, più efficiente è la tecnologia di archiviazione.
La tabella seguente riassume l’ESOEI di alcuni comuni meccanismi di accumulo di energia :
Le batterie hanno un ESOEI molto inferiore rispetto all’accumulo idroelettrico pompato. Mentre l’opinione scientifica varia, senza un ampio stoccaggio di pompaggio, la combinazione di energie rinnovabili abbinata alla tecnologia delle batterie esistente potrebbe non essere praticabile .
Le caratteristiche dei vari sistemi di accumulo di energia sono riassunte di seguito:
Le esigenze di stoccaggio dell’energia abbassano l’EROEI delle rinnovabili forse al di sotto della soglia economicamente sostenibile .
Teoria e Pratica
La necessità di stoccaggio di energia su larga scala complica enormemente un sistema energetico basato sulle fonti rinnovabili. Richiede massicci investimenti ma deve anche superare le inefficienze intrinseche. Per la tecnologia delle batterie, che mette a nudo le scoperte scientifiche che introducono cambiamenti rivoluzionari nella sua fisica e chimica, è difficile vedere almeno presto i necessari miglioramenti in termini di costi e efficienza di accumulo. Lo stoccaggio idrico pompato mentre è semplice è soggetto ad altri vincoli.
Oltre alla necessità di potenziare la rete e le capacità di trasmissione, i vincoli di stoccaggio pongono dei limiti alla capacità delle energie rinnovabili di sostituire i combustibili tradizionali nei moderni sistemi energetici.
In un celebre scambio tra tecnologi, Trygve Reenskaug afferma: “In teoria, la pratica è semplice “. La risposta di Alexandre Boily è eloquente: “Ma è semplice praticare la teoria?” Questa differenza deve ancora essere superata nel passaggio a un sistema energetico prevalentemente alimentato da fonti rinnovabili.
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Satyajit Das, è ex banchiere e autore di numerose opere sui derivati e diversi titoli generali: Traders, Guns & Money: Knowns and Unknowns in the Dazzling World of Derivatives (2006 e 2010), Extreme Money: The Masters of the Universe and the Cult of Risk (2011), A Banquet of Consequences RELOADED (2021) e Fortune’s Fool: Australia’s Choices (2022)
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