Generalità sui sistemi di accumulo

La spinta alla decarbonizzazione che sta avvenendo negli ultimi decenni ha portato a una forte compenetrazione dell’energia proveniente dalle RES (Renewable Energy Sources) nel- la rete elettrica. Nonostante siano stati fatti grandi progressi sulle tecnologie di regolazione del sistema elettrico, come la maggiore flessibilità degli impianti di generazione termoelet- trica tradizionali e lo sviluppo di sistemi di accumulo elettrochimici sempre più sofisticati, il problema dell’introduzione delle RES nel sistema rimane irrisolto, data l’aleatorietà intrin- seca di queste risorse. La produzione di energia proveniente da fonti rinnovabili ha subito infatti forti incrementi negli ultimi anni, passando dal 14% al 29% della produzione totale per quanto riguarda la comunità europea.

I sistemi di accumulo elettrochimici sono attualmente la soluzione più utilizzata, ma presentano ancora molti problemi di fattibilità tecnico-economica, aspetto che ha limitato lo sviluppo e la diffusione di questa tecnologia. Esistono invece numerosi sistemi di ac- cumulo alternativi alle batterie, alcuni tra i quali ormai assodati e ampiamente sfruttati: per applicazioni che richiedono piccole capacità si utilizzano volani (flywheels) e super- condensatori, mentre per usi stagionali si prediligono i sistemi che convertono la potenza elettrica in combustibile (tecnologie power to fuel e power to chemical); infine, per usi gior- nalieri (relativi a cicli di scarica di 4-8 ore) vengono utilizzati i sistemi esposti in seguito nei paragrafi 2.2.1 2.2.1, utili soprattutto per utilizzare di notte l’energia solare accumulata di giorno. Appartengono a questa categoria i sistemi PHES, CAES e le Carnot Batteries [13]. Di seguito si riporta una breve panoramica dei principali sistemi di accumulo utilizzati.

Sistemi PHES: Pumped Hydro Energy Storage

I sistemi PHES accumulano energia elettrica sotto forma di energia potenziale di un deter- minato volume d’acqua pronto a compiere un salto geodetico. Sono il sistema di accumulo con la più grande capacità installata a livello globale, ammontando a 159 GW di potenza totale installata (96% della potenza di storage totale nel mondo), e quello utilizzato da più tempo. Essendo una tecnologia strettamente legata alla posizione geografica, non ha grandi prospettive future di sviluppo, dato che gran parte dei siti presenti nei paesi sviluppati sono esauriti.

Sistemi CAES: Compressed Air Energy Storage

I sistemi CAES sfruttano cavità naturali o artificiali, come miniere dismesse, per accumu- lare aria compressa da compressori rotativi alimentati dall’energia elettrica in eccesso. Il ciclo di scarica viene effettuato successivamente utilizzando il flusso di aria in pressione per

far girare una turbina; talvolta si brucia gas naturale per avere un boost sulla produzione dell’impianto. Come nel caso dei PHES, i CAES dipendono fortemente dalla collocazione geografica, e, dato che gran parte dei giacimenti idonei sono già in uso come sistemi di accumulo, non hanno grandi prospettive future di sviluppo.

Carnot batteries

Alla categoria delle Carnot Batteries (verranno indicate successivamente con l’acronimo CBs) appartengono diverse tecnologie, ed è quindi difficile trovare una definizione univoca che le comprenda tutte quante; a questo proposito è stato pubblicato uno studio - a cura di Olivier Dumont [13] - che ha l’intento di stabilire quali tecnologie siano o non siano classificabili come CBs. Una Carnot battery è definita tale se è in grado di accumulare principalmente energia elettrica e possiede almeno un input e un output elettrici; succes- sivamente la performance della batteria può essere incrementata usando ulteriori input o output termici mantenendo però lo scopo principale, cioè quello di immagazzinare energia elettrica.

In generale, l’energia elettrica in ingresso viene usata per instaurare una differenza di temperatura tra le sorgenti calda e fredda (rispettivamente LT e HT). In questo modo l’accumulo viene caricato, e l’energia elettrica viene stoccata come exergia termica; è op- portuno precisare che in questa fase è richiesta una spesa energetica - soddisfatta da una pompa di calore o da un riscaldatore elettrico -, dato che il flusso termico ha direzione opposta al gradiente di temperatura. Durante la fase di scarica, invece, il flusso di calore si muove naturalmente dalla riserva ad alta temperatura verso quella a bassa temperatura, convertendo di nuovo l’exergia termica - grazie a un generico ciclo termodinamico diretto - in una frazione dell’input elettrico iniziale. Le operazioni di carica e scarica descritte possono essere realizzate in diversi modi e con diverse tecnologie: in particolare, le sorgenti LT e HT possono essere serbatoi pieni di gas, liquido, solido o materiali PCM. In alcuni casi l’ambiente stesso fa le veci di sorgente termica.

Fissata la quota di exergia termica di carica, il lavoro specifico richiesto da una batteria di Carnot aumenta all’aumentare della differenza di temperatura tra le due sorgenti HT e LT, mentre la quota di lavoro recuperato in fase di scarica diminuisce al diminuire del ∆T tra le due sorgenti. In virtù di ciò possono essere sfruttati degli input termici aggiuntivi per modificare la differenza tra le due temperature operative del sistema. Ulteriori ap- profondimenti sul funzionamento delle Carnot batteries verranno presentati nella sezione successiva. 2.2.2.

Nella definizione di Carnot battery esposta durante la sezione 2.2.1 rientrano anche i sistemi LAES (Liquefied Air Energy Storage). Nei sistemi LAES l’input elettrico è usato per portare l’aria a liquefazione tramite il processo Linde, che prevede di comprimere il gas e raffreddarlo con un pre-cooling e un espansione finché non arriva allo stato liquido.

L’aria liquida non viene immagazzinata in pressione, quindi non c’è accumulo di energia meccanica, mentre è presente exergia termica associata al calore latente di vaporizzazione. Durante la fase di scarica l’aria viene compressa, portata a evaporazione (il calore richiesto può venire dall’ambiente o da una generica fonte termica) e espansa in una turbina. Lo schema appena esposto è quindi del tutto coerente con il funzionamento generale di una batteria di Carnot.