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OrizzontEnergia

Sistemi d'accumulo: Storia e prospettive a cura del Prof. Giglioli (Univ. Pisa)

Abbiamo intervistato il Prof. Giglioli (Professore Ordinario di Sistemi Elettrici per l'Energia, DESTEC - Dipartimento di Ingegneria dell'Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni - Università di Pisa) che ha fatto un excursus sull'accumulo

Riportiamo di seguito l'intervista a Romano Giglioli, Professore Ordinario di Sistemi Elettrici per l'EnergiaEnergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
, DESTEC - Dipartimento di Ingegneria dell'Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni - Università di Pisa
, il quale ha illustrato un excursus sull'evoluzione dei sistemi di accumulo nei secoli,  ed ha, inoltre, espresso il suo punto di vista sui futuri ambiti di applicazione, con particolare riferimento alla mobilità elettrica e alle fonti rinnovabilifonti rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
- il sole
- il vento
- l'acqua
- la geotermia
- le biomasse
.

 

Prof. Giglioli, un percorso lungo quello dell'accumulo, di cui ancora non si intravvedono le modalità finali di una sua applicazione diffusa e sostenibile a sostegno delle FER e della mobilità elettrica. Potrebbe brevemente descrivercelo? Da dove è partito e quali sono le tecnologie attualmente disponibili? Con quali costi?

Accumulo: presso il grande pubblico e, spesso, anche presso i tecnici, oggi, è sinonimo di “batterie”, cioè accumulatori elettrochimici.

Batteria cellulari

In passato la batteria per antonomasia era quella a bordo dell’automobile, oggi, in particolare per le nuove generazioni, è quella a bordo dei dispositivi classificati “consumer”  (cellulari, tablet, utensili da cucina, per la cura della persona, da giardinaggio, ecc.). 

Più di recente, a fare notizia, è l’auto elettrica con relativa batteria (preceduta da quella ibrida in cui la batteria era meno evidenziata). Sta arrivando la batteria da casa (home storage) in abbinamento ai pannelli fotovoltaici.

In effetti la batteria (accumulatore elettrochimico) sta diventando un oggetto pervasivo nella vita quotidiana. Questo è dovuto alla diffusione storica del vettore elettrico che ha permesso di sviluppare tutti i dispositivi elettrici pervasivi della nostra vita quotidiana, con un inconveniente: tutti i dispositivi avevano “la coda”, il cavo di alimentazione per collegarli alla reta di distribuzionedistribuzione
Attività di trasporto (di elettricità o di gas) agli utilizzatori finali attraverso le reti di distribuzione.
dell’energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
Perdere “la coda” vuol dire avere l’energia a bordo e anche indubbi vantaggi per la manipolabilità e per la portabilità dei dispositivi.

Pila di VoltaA ben vedere, ripercorrendo la storia dell’elettricità, è nata prima la batteria (per correttezza prima la Pila, Volta, reattore primario, e poi gli accumulatori, reattori secondari, sviluppati dagli elettrochimici del ’800) e poi la rete di distribuzione ed il cavo (Edison con i primi impianti di illuminazione a fine ‘800), quindi viene spontanea la domanda: perché la situazione attuale non si è verificata prima?

La risposta sta nel dato che più caratterizza la tecnologia di questi oggetti: l’energia specifica, cioè l’energia per unità di peso. Nel ‘800 gli accumulatori avevano energie specifiche dell’ordine della decina di Wh/kg, con i miglioramenti sono diventate alcune decine di Wh/kg nella seconda metà del ‘900 e oggi, con le nuove coppie elettrolitiche e in modo particolare con l’uso del litio, si hanno prodotti con oltre 100 Wh/kg ed in alcuni laboratori già si sperimentano dimostratori da 400 Wh/kg.

 

Tornando alla storia di questi dispositivi, pile ed accumulatori ebbero un impiego a partire dalla seconda metà del ‘800 per l’alimentazione dei sistemi per l’informazione quali il telegrafo ed il telefono (sistemi statici e che richiedevano piccole quantità di energia). Alla fine del secolo e dai primi del ‘900 ebbero, già in versione migliorata (al loro miglioramento si applicò molto anche Edison), un’importante applicazione nelle auto elettriche: mezzi da città che si potevano ricaricare a casa dove già era disponibile la rete elettricarete elettrica
Insieme delle linee elettriche, delle stazioni elettriche e delle cabine elettriche adibite alle operazioni di trasmissione e distribuzione dell'elettricità. La rete elettrica può essere ad alta tensione (da 40 a 380 kV), a media tensione (da 1 a 30 kV) o bassa tensione (380 V).
per l’illuminazione, in concorrenza con l’auto a combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
interna più difficile da controllare, più “sporca” e con l’inconveniente di dover acquistare il combustibile (di più facile accumulazione) in farmacia poiché, a differenza dell’elettricità, non esisteva una rete di distribuzione.

 

Entrando più nel merito della funzione accumulo dell’energia possiamo classificare il sistema di accumulo come segue:

  • Intrinseco: insito nei dispositivi di un processo. Tipicamente un sistema in movimento accumula energia sotto forma meccanica nella propria massa.
  • Gestionale: dispositivi addizionali inseriti per migliorare la gestione dei processi. L’esempio più immediato è il sistema di propulsione ibrido delle auto, dove l’aggiunta di una macchina elettrica per la conversione elettromeccanica e di un accumulatore elettrochimico permettono di effettuare il recupero energeticorecupero energetico
    Utilizzo dell'energia sviluppata durante un processo fisico o chimico (per esempio calore liberato da una combustione, energia di pressione, ecc.) per la produzione di altre forme utili di energia (elettricità, vapore, ecc...)
    in frenata ecc., migliorandone i consumi specifici (ma le auto funzionano anche senza).
  • Strategico: dispositivi che contengono il bene necessario al funzionamento del processo, se isolato, o al funzionamento in emergenza, se collegato ad una rete di alimentazione del bene. Sono gli accumuli di tutti i combustibili, banalmente il serbatoio dell’auto la cui capacità è in relazione all’obbiettivo di percorrenza in autonomia del mezzo, quindi anche le batterie dell’auto elettrica.

 

Quando parliamo di sistemi per l’energia con FER dobbiamo tener conto di alcune specificità di queste fonti. La prima è, per molte di esse come l’eolico, il solare, ecc., la non accumulabilità nella forma primaria, quindi la variabilità, l’aleatorietà e l’essere sito dipendente; tutte caratteristiche che le rendono difficilmente gestibili e che richiedono sistemi di compensazione: l’attenzione oggi è posta nel ricercare e utilizzare sistemi di accumulo gestionali stazionari, cioè fissi e collegati con le reti per l’energia.

L’auto elettrica, in generale la mobilità elettrica personale o collettiva senza rete di alimentazione, richiede sistemi di accumulo strategici di bordo. Occorre, quindi, una tecnologia del sistema di accumulo in grado di avere alte energie specifiche e alte densità di energia(devono occupare poco volume), e, oggi, è quella basata sul litio e sviluppata(si potrebbe dire declinata) con molte coppie elettrochimiche diverse. L’investimento economico a livello mondiale per la ricerca e per la produzione in questo settore è notevole e sta ottenendo buoni risultati sia in termini di performance che di riduzione di costo di produzione di questo tipo di accumulatori.

Gli accumulatori al litio, sviluppati in un primo momento con elementi aventi capacità di accumulo modesta (qualche Wh) per il settore “consumer”, stanno incrementando la domanda a causa delle applicazioni automobilistiche ma con accumulatori di alcune decine di kWhkWh
Unità di misura dell'energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un'ora.
di capacità e con uno sviluppo specifico di tecnologie di fabbricazione. Queste dimensioni, in termini di capacità, li rendono interessanti anche per l’impiego nei sistemi per l’energia: da qualche kWh per i sistemi domestici a decine di MWh per i sistemi di compensazione delle rinnovabili sulle reti. Se per l’uso nei sistemi domestici possono avere una giustificazione economica con gli attuali costi, nell’intervallo 600-1000 €/kWh e capacità di 4-8 kWh, per i sistemi di grandi dimensioni per la compensazione della variabilità della produzione da FER o per i servizi di rete lo sono molto meno. Questo porta a ricercare e sviluppare sistemi di accumulo basati su altre tecnologie in grado di avere costi per kWh accumulato minori rispetto a quelli al litio, come ad esempio gli accumulatori elettrochimici a “flusso” (tipo sistemi con vanadio pentavalente-vanadio trivalente), sistemi ad aria compressa come il CAES, e, naturalmente quelli storicamente più diffusi, gli accumuli idraulici (sistemi di pompaggio).

 

 

Tesla ha annunciato importanti acquisizioni di mercato con il nuovo modello Tesla 3. Si parla di un milione di vetture da prodursi entro il 2020. La disponibilità di Litio per le batterie potrà essere un elemento frenante ?

LitioIn natura il litio è presente in quantità più che sufficienti agli attuali consumi e anche a quelli prevedibili nei prossimi decenni. Inoltre è disponibile in aree diverse non critiche politicamente (Australia, Cina, Nord America, Argentina, Cile, ecc).

Il litio in natura si trova in specifiche rocce sotto forma di ossidi e sono quelle attualmente più utilizzate per la produzione industriale di carbonati (il litio metallico non viene praticamente prodotto per l’utilizzato come tale stante la sua grande attività chimica), o in “salamoie” sotto forma di sali attualmente ancora, sostanzialmente, non utilizzati.

Si sta assistendo ad un notevole incremento del prezzo dei carbonati a seguito di una domanda a rapida e consistente crescita e ad una offerta limitata, legata alla capacità industriale di produrre i carbonati, poiché l’industria di produzione ancora non si è adeguata alla domanda; questo però sta avvenendo, per cui si può pensare in un prossimo futuro di avere una diminuzione dei prezzi (un po’ come è avvenuto per il silicio dei pannelli fotovoltaici).

E’ comunque da tener presente che la quantità di litio metallico necessario nella costruzione di un kWh di accumulatore è piccola (dell’ordine dei grammi) ed i perfezionamenti tecnologici in atto lo ridurranno ancora, mentre possono essere necessarie materie come il cobalto e il grafene in quantità maggiori e più costose.

 

 

Quali sono le maggiori criticità dei sistemi odierni e quali potrebbero essere quelle determinanti per una futura sostituzione delle fonti fossili, se lo ritiene possibile.

E’ bene chiarire subito che la sostituzione delle fonti fossili nel medio periodo non sarà possibile: anche le proiezioni al 2050 più ottimistiche, sviluppate dagli organismi internazionali del settore, non scendono sotto il 50%.

Le difficoltà tecnologiche per una sostituzione delle fonti fossili sono ancora elevate e risiedono in quelle caratteristiche  (scarsa accumulabilità, variabilità, aleatorietà, sito dipendenti e soprattutto bassa densità energetica) che in genere portano ad avere impianti di potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
non molto elevata, dimensioni costruttive più grandi rispetto agli impianti con fonte fossile di pari potenza, un basso numero di ore equivalenti di produzione alla potenza nominalepotenza nominale
Potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni, generalmente specificate dal costruttore.
ed efficienze di trasformazione della forma dell’energia non elevate. Tutto questo comporta costi di costruzione specifici (€/kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
) più elevati rispetto agli impianti per fonti fossili, ma con costi di O&M decisamente più bassi che tendenzialmente, nell’ipotesi di sviluppo tecnologico adeguato in grado di ridurre i costi di impianto delle FER, le renderebbero attraenti.

 

 

Quale settore ritiene sarà maggiormente rivoluzionato da una futura tecnologia di accumulo pienamente sostenibile: mobilità, generazione domestica o industriale, per autoconsumo o rivendita.

Come accennato prima, la disponibilità di accumulatori ad alta energia specificaalta densità energetica e costi ridotti rispetto agli attuali ( Tesla prospetta, al 2020, un prezzo di 100 $/kWh per batterie al litio migliorate rispetto alle attuali) porterà grandi cambiamenti nel settore della mobilità. La disponibilità di questo tipo di prodotto potrebbe portare ad una notevole diffusione di autoproduzione domestica e alla sostituzione del vettore gas naturalegas naturale
Idrocarburo che ha un'origine simile al petrolio, che si forma a partire dalla decomposizione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno (O2) di microorganismi, attraverso processi biologici avvenuti nel corso delle ere geologiche. La composizione del gas naturale varia notevolmente a seconda del sito di formazione, ma in genere presenta un'alta percentuale di metano (dal 70 al 95 %), anidride carbonica (CO2CO2
Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

), azoto (N2) e idrogeno solforato (H2S).
con il vettore elettrico per tutti gli usi domestici, semplificando molto l’impiantistica domestica e aumentandone la sicurezza.

La disponibilità di sistemi di accumulo a prezzi molto inferiori di quelli attuali, abbinata ad una disponibilità di sistemi di produzione dell’energia elettrica da FER a basso costo di impianto, permetteranno di proporre piccoli sistemi isolati in grado di sfruttare la disponibilità di fonti energetiche locali. Ciò sarà un potente motore di sviluppo dell’elettrificazione delle aree più povere del pianeta che oggi non usufruiscono di questo vettore energetico indispensabile per raggiungere un adeguato sviluppo sociale ed economico delle popolazioni.

 

 

Le tecnologie di generazione elettrica da fonti rinnovabili intermittenti (fv ed eolico) potranno avvalersi di un importante alleato quando l'accumulo elettrico sarà disponibile a costi sostenibili. Quando pensa potrà avvenire e a quali condizioni ?

La produzione da fonti rinnovabili intermittenti non è, praticamente sempre, sincronizzabile con l’utilizzazione. Questo comporta la necessità di avere sistemi di compensazione per superare la discrasia temporale tra produzione ed utilizzo dell’energia. La compensazione può essere effettuata da sistemi di accumulo, in grado di scambiare energia nella forma richiesta, o sistemi di produzione della stessa forma di energia perfettamente modulabili (che, comunque, devono disporre di una fonte primaria accumulabile), o di sistemi ibridi, accumulo più generazione, molto flessibili in grado di sviluppare un’azione di compensazione in tempo reale.

Oggi sono già disponibili molti sistemi di accumulo dell’energia il cui ulteriore sviluppo tecnologico permetterà di avere nel prossimo decennio dispositivi a prezzi competitivi per una efficace azione di integrazione nei sistemi energetici delle FER anche senza incentivi economici o di regolamentazione (priorità di dispacciamentodispacciamento
Energia elettrica:
Attività di gestione, istante per istante, dei flussi di energia elettrica consumata e dei flussi di energia elettrica prodotta in modo da garantire un costante equilibrio tra domanda e offerta. L'energia elettrica, infatti, è un bene che non si può immagazzinare, quindi a fronte di una richiesta deve esserci necessariamente un punto di produzione in tempo reale. Queste operazioni, molto complesse, sono svolte da Terna.
Gas naturale:
Attività di gestione del sistema di trasporto e distribuzione del gas per rendere disponibile, in qualsiasi momento e in ogni punto della rete, la quantità di gas richiesta.
).

 

 

Il nostro sistema di trasporto e distribuzione è pronto ad un'espansione della generazione distribuita e diffusione di stazioni di ricarica elettrica ? Quali le sfide da superare ?

In Italia disponiamo di un sistema di distribuzione dell’energia tra i migliori e più avanzati tecnologicamente del mondo. Pertanto non vedo difficoltà tecniche nel pianificare un’espansione della generazione distribuita e nella diffusione di stazioni di ricarica di veicoli elettrici.

Le sfide mi sembrano più di tipo giuridico-regolamentatorio.

 

 

Il 27 Maggio il Governo presenterà una proposta d'intenti per incentivare il passaggio alla mobilità elettrica. Ad oggi il contesto normativo italiano è conforme ai trend europei (Germania, Svezia, Olanda) che stanno spingendo per un crescente utilizzo dei veicoli elettrici. Quali misure sarebbero auspicabili ?

In primo luogo una pianificazione delle infrastrutture di ricarica nazionale e non la somma di mille iniziative locali, inevitabilmente disomogenee e certamente non interoperabili.

Una chiara definizione dell’interoperabilità delle stazioni di ricarica rispetto a qualunque veicolo utenteutente
Soggetto che consuma elettricità o gas.
, in termini di accesso all’energia e di mezzo di pagamento.

 

 

Intervista a cura di Orizzontenergia

Data: 01/06/2016

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