LEDS: aiuteranno le rinnovabili a spiccare il volo?

Quasi tutti conosciamo la leggenda di Dedalo ed Icaro. Per scappare da Creta Dedalo costruì due paia ali, legando delle piume assieme con lo spago ed utilizzando la cera per fissarli alla loro base. Le ali funzionarono, e i due lasciarono l’isola in volo.  Dedalo avvertì il figlio di stare attento: troppo vicino alle onde e la schiuma del mare avrebbe bagnato le ali, rendendole troppo pesanti. Troppo vicino al sole, invece, la cera si sarebbe sciolta. Tutto andò bene fino a quando Icaro, preso dall’entusiasmo, volò verso l’alto. Il sole sciolse la cera sulle sue ali, ed egli cadde in mare. 

Quest’antica storia trova ad oggi un parallelo rilevante nel mondo dell’energia. 

L’obiettivo presente, ovvero “il volo verso la libertà”, è rappresentato dalla necessità di avere energia sicura, competitiva e sostenibile. Le piume delle nostre ali sono le fonti rinnovabili, collegate e tenute assieme da una infrastruttura elettrica (spago e cera).  Esattamente come raccomanda Dedalo, volando troppo vicino al sole queste si sciolgono. Esattamente come è accaduto ad Icaro, abbiamo volato troppo in alto e nostra (infra)struttura non ha retto. Sto parlando dell’episodio che si è verificato il 22 di gennaio 2023, in Spagna. 

Durante quella domenica, infatti, Red eléctrica (gestore del sistema elettrico spagnolo), ha dovuto far fronte per 8 – 9 ore alla problematica legata ad una domanda energetica molto bassa, mentre la produzione da fonte rinnovabile era in eccesso. Nonostante le tecnologie “baseload” come ciclo combinato e carbone fossero già al loro limite inferiore, ed altri 98GWh circa fossero stati esportati (vedi i grafici su Mtech in basso), il gestore ha purtroppo dovuto richiamare e spegnere diversi parchi eolici e fotovoltaici, evitando la produzione di un totale di 25 GWh di energia, ripartite rispettivamente in 14-15 GWh di eolica, e 9 GWh di fotovoltaica. 

 

Figura 1: source M•Tech.

 

Figura 2: source M•Tech.

 

Sistemi di pompaggio idraulici, ad aria compressa e similari

Tecnologia: Questa famiglia di applicazioni sfrutta un’altezza per trasformare energia potenziale in cinetica. Per quanto riguarda il pompaggio idrico, si tratta della classica tecnologia già largamente sfruttata e matura sul mercato che pompa acqua da un bacino di valle ad uno di monte, per poi farla ricadere a valle nei momenti di alta domanda. Delle alternative a questa tecnologia sono rappresentate dai sistemi che sfruttano l’aria compressa (CAES) o masse solide (Energy Vault) in sostituzione all’acqua. I ststemi che sfruttano l’acqua e aria compresa possiedono dei requisiti tecnologici (grandi spazi) e geografici ( montagne o caverne sotterranee) che ne limitano il potenziale, mentre le tecnologie a masse solide sono promettenti, ma ancora poco sviluppate.

Durata e costo energetico: oltre 10 h per circa 20 euro/kWh. 

 

Le “batterie di sabbia” Energy from the sand

Tecnologia: si tratta di un accumulatore letto fluido ad alta temperatura e a base di sabbia. È possibile immagazzinare sia energia elettrica che termica, per poi rilasciarla sotto forma di vapore a temperature elevate (a partire dai 150 – 400 gradi). Il sistema presenta: grandi capacità di accumulo termico (fino all’ordine dei GWh); elevata efficienza termica; tempi di risposta rapidi; è modulare e replicabile; ha un bassissimo impatto ambientale grazie all’impiego di materiali naturali. È necesario porre attenzione alla manutenzione ed alla rimozione di umidità dalla sabia.

Durata e costo: immagazzinamento di energia per un intervallo compreso tra le 4 ed oltre 10 ore fino a settimane, con costi di installazione inferiori a 10 euro per kWh.

Batterie a flusso 

Tecnologia: si tratta di un dispositivo in cui si fanno circolare elettroliti liquidi attraverso le celle della batteria per generare elettricità attraverso una reazione redox. Vengono utilizzate sostanze chimiche abbondanti (in genere Vanadio) e a basso costo per immagazzinare energia in grandi serbatoi. Nonostante gli sforzi, la tecnologia non è ancora pienamente competitiva. 

Durata e costo: le prestazioni sono intermedie. Ha un costo stimato di 100 euro/kWh. Per ridurre i costi si sta sviluppando una batteria a flusso di zolfo acquoso che potrebbe costare 10 euro/kWh.

Batterie al ferro

Tecnologia: si tratta di una batteria a scambio ferro-aria, che utilizza granuli di ferro che si ossidano in presenza di ossigeno e tornano a essere ferro quando l’ossigeno viene rimosso. La tecnologia non è ancora matura in quanto totalmente nuova.

Durata e costo: 100 ore di immagazzinamento a meno di 20 dollari/kWh

Altre tecnologie meno prestanti, ma sicuramente più diffuse sul mercato sono le batterie agli ioni di litio. Grazie alla loro maturità, sono ad ora quelle più utilizzate in abbinamento al fotovoltaico. Purtroppo però i costi sono alti e le performances non sono alte. L’obiettivo è di raggiungere i 150€/MWh, e possono infatti immagazzinare energia per solo sei ore. Esistono progetti pilota sull’idrogeno. L’elettricità in eccesso da rinnovabili può convertire l’acqua in idrogeno attraverso l’elettrolisi. I tempi sono però molto lunghi (10 anni) causa della complessità del sistema e dei costi. 

Ma qual’è il prezzo che rende quese tecnologie competitive? Uno studio del MIT, capeggiato dal prof. di scienza dei materiali e ingegneria Yet-Ming Chiang afferma che affinché la rete sia coperta al 100% da un mix di energia solare ed eolica, i costi dei sistema di stoccaggio dovrebbero avere i seguenti prezzi per competere con le teclnologie fossili di riferimento:

• tra i 10 e i 20 euro/kWh per competere con una centrale nucleare.
• 5 euro/kWh per competere con un ciclo combinato.

Ipotizzando anche solo un 5% fosse coperto da altre fonti, lo stoccaggio potrebbe funzionare ad un prezzo di 150 euro/kWh. 

Il riferimento dei 20€/kWh rappresenta un obiettivo parecchio sfidante per la maggior parte delle tecnologie attualmente disponibili. Ma nonostante i prezzi delle batterie siano cari, le rinnovabili stanno guadagnando competitività e terreno giorno dopo giorno. Questo fa si che ci sia una forte spinta sulla firma di progetti pilota. Lo stato della California, ad esempio, ha recentemente annunciato un pacchetto clima da 15 miliardi di dollari che include 350 milioni di dollari a sostegno di progetti LDES “pre-commerciali”. 

Per quanto riguarda l’Unione Europea, a partire dal 2017 sono stati mossi diversi passi in materia:

• è stata istituita l’alleanza europea delle batterie, che ha proposto un piano strategico per le batterie che copre l’intero processo
• è stata creata una piattaforma di investimento che coinvolge tutte le parti interessate per incentivare l’interazione tra le presenti e lo sviluppo e la commercializzazione di questa tecnologia.
• è stata lanciata Batteries Europe, che rappresenta il punto di riferimento per la ricerca e l’innovazione nel campo delle batterie. 
• sono stati avviati 2 importanti progetti di comune interesse europeo (IPCEI), con investimenti di diversi miliardi di euro, 12 paesi dell’UE coinvolti, oltre a decine di imprese e organizzazioni di ricerca.
• sono stati stanziati circa 500 milioni di euro nell’ambito del programma di ricerca Orizzonte 2020, con un’iniziativa dedicata alla prospettiva a lungo termine chiamata Battery 2030+.
• è stato lanciato il programma Orizzonte Europa dell’UE della durata di 7 anni (2021-2027) per il clima, l’energia e la mobilità, includendo tra le tematiche il settore delle batterie. 

È certo che le batterie svolgono un ruolo fondamentale all’interno degli obiettivi climatici per il 2030, che prevedono:

• obiettivi ambiziosi in materia di energie rinnovabili per il 2030
• norme più severe in materia di CO2 per i trasporti
• la revisione della legislazione sull’infrastruttura per i combustibili alternativi
• norme comuni sulla tassazione dell’energia.

Anche Magnus si sta muovendo in questa direzione: è stato infatti lanciato uno studio per ampliare un impianto fotovoltaico da 300kWp a 1200kWp con il supporto delle tecnologie LEDs. Questo perchè crediamo che nei prossimi anni i sistemi di stoccaggio diventeranno un complemento alle ronnovabili. È importante raggiungere questo stadio perchè solo attraverso l’accumulo prolungato di energía è possibile iniziare seriamente a pensare come sostituire le centrali a gas e carbone. Il fine sarebbe triplice: ottenere un mix enetgetico più pulito rendersi indipendenti alcune dinamiche geopolitiche legate ai combustibili fossili, e combattere la cannibalizzazione dei prezzi durante le ore di picco della giornata. 

Quest’ultimo tema è sempre più importante in quanto durante alcune ore della giornata i prezzi raggiungono cifre altissime poichè stabiliti dai combustibili fossili, che si portano oltretutto appresso un peso ambientale legato alle emissioni di CO2. Le batterie fornirebbero un ulteriore supporto nella trasformazione delle dinamiche a cui le rinnovabili hanno dato impulso. Basti pensare al cambio che è in atto nella concezione dello sfrutamento dei sistema di pompaggio. In passato accumulavano energía durante la notte e le prime ore del mattino momento in cui l’energia elettrica utilizzata per pompare aveva un basso costo, e cedevano energia durante le ore centrali della giornata. Da un paio di anni questo sta cambiando. I sistemi di pompaggio vengono azionati durante le ore centrali della giornata, per sfruttare gli eccessi di produzione fotovoltaica ed eolica, per poi ricedere energia nel momento in cui queste vengono meno. L’inversione dei questo profilo si sta riflettendo anche sui prezzi, riducendo i costi delle fasce centrali del giorno, una volta storicamente superiori a causa dell’extra sforzo richiesto al ciclo combinato nella gestione dei picchi giornalieri della domanda.  (vedi grafico in basso)

Figura 3: source Aleasoft – El Periódico de la Energía.

 

Le LEDS giocano chiaramente un ruolo chiave nel rafforzamento delle nostre ali, ma c’è di più. A garantire un mix totalmente rinnovabile, superando le tematiche stagionali e di ciclaggio giornaliero, entreranno infatti in gioco strategie di stoccaggio stagionale ed algoritmi di intelligenza artificiale che combineranno le tecnologie di accumulo sia di lungo che di breve termine, ma anche l’integrazione con l’idrogeno verde ed il potenziamento di fonti rinnovabili più “stabili” come ad esempio l’eolico offshore (tecnologia meno intermittente). 

Senza partire però dalla base, ovvero dalla la disponibilità a breve termine di tecnologie LEDS a basso costo non sarà possibile “volare” verso la completa decarbonizzazione della generazione elettrica. È necessario accelerare lo sviluppo e la commercializzazione di queste tecnologie, che al giorno d’oggi risultano ancora difficilemnte sostenibili a lungo termine, soprattutto dal punto di vista ecomonico.

 

Guenda Hehmann | Energy Consultant