Capitolo 2 -‐ Sistemi e tecnologie di accumulo per
l’energia elettrica
2.1. -‐ Il sistema elettrico e l’accumulo
L’incremento sempre maggiore delle sorgenti riconducibili a fonti
rinnovabili, se da un lato migliora il problema dell’inquinamento relativo alle tecniche utilizzate per produrre energia, dall’altro impone alla rete e a tutto l’indotto una massiccia opera di revisione e adeguamento per far convivere alla massima efficienza diversi sistemi tra loro interconnessi. Questi cambiamenti stanno introducendo un modello completamente nuovo dei sistemi elettrici che richiedono l’utilizzo di tecnologie innovative sempre più efficienti e differenziate di generazione distribuita e di
controllo intelligente dei flussi di energia e potenza.
La natura stessa delle fonti rinnovabili, intermittenti e non programmabili, richiede, infatti, una sostanziale modifica della rete elettrica che deve adeguarsi ai luoghi e ai tempi di disponibilità di tali fonti e, nel contempo, garantire la fornitura della potenza e dell’energia richiesta dagli utenti, operando con nuove modalità di gestione e controllo in cui l’utente finale diventa un attore attivo, quindi produttore e non più solo consumatore, creando così la figura del “prosumer”.
Il processo di cambiamento in atto sta portando non soltanto a una
modifica infrastrutturale delle reti elettriche, con l’aggiunta di nuove linee e stazioni verso una generazione distribuita, ma si sta trasformando con la sovrapposizione di una forma di intelligenza attiva, in grado di gestire in tempo reale i flussi di energia e potenza tra i sistemi di generazione e i carichi, in una logica di smart-‐grid, cioè una nuova rete elettrica
controllo e protezione con una crescente quota di generazione non programmabile.
La liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica ha aggiunto un maggior valore economico alla capacità di produrre e gestire con efficienza e flessibilità gli impianti di generazione, trasmissione, distribuzione e uso finale dell’energia elettrica.
Nello sviluppo delle reti elettriche, i sistemi di accumulo di energia sono uno strumento di crescente interesse, per migliorare l’efficienza
energetica, favorire l’introduzione delle fonti rinnovabili, e consentire un uso più differenziato dell’energia elettrica.
Queste qualità dell’accumulo di energia sono particolarmente utili e favorevoli per dare flessibilità alle reti elettriche, garantendo una molteplicità di funzioni al modello evolutivo del sistema elettrico.
Sistema elettrico tradizionale
Si può pensare al modello tradizionale del sistema elettrico come una rete passiva con un flusso unidirezionale di energia regolato in maniera
integrata.
Figura 2.1. Sistema elettrico tradizionale
Le cinque componenti tradizionali di un sistema elettrico sono:
1) la fonte di energia, in grado di essere trasformata in energia elettrica e comprende quindi sia fonti convenzionali che rinnovabili;
2) la generazione dell’energia, che, almeno nei Paesi industrializzati, viene generalmente effettuata in grandi impianti concentrati, con grandi
vantaggi di efficienza, ma con significative perdite nelle trasmissioni a lunga distanza, con impatti sull’ambiente e sulla qualità della fornitura. In alternativa, c’è la generazione distribuita che si avvicina sempre più al punto d’uso finale con una più favorevole efficienza di trasmissione e maggiore utilizzazione di fonti rinnovabili;
3) la trasmissione, il sistema della rete che consente il trasporto massivo dell’energia elettrica fino alle sottostazioni, dove viene abbassata la tensione a livelli più adatti alla successiva distribuzione agli utenti finali. La trasmissione attuale segue principi di economicità, nella scelta del percorso e del sistema di generazione di partenza, con una molteplicità, ridondante, di linee elettriche in grado di garantire il servizio e la sicurezza fino ai punti di scambio con la rete di distribuzione;
4) la distribuzione, è il sistema che unisce le sottostazioni primarie con le utenze finali;
5) utenza finale – carico, interazione tra fornitore locale dell’energia elettrica e utente finale, basata sulla tariffazione dei costi della
rete e dei costi del servizio e dell’energia elettrica fornita all’utente finale per alimentare il carico.
Accumulo
Potremmo pensare l’accumulo, componente essenziale delle future reti elettriche, come la “sesta dimensione”.
L’accumulo di energia e di potenza presenta numerose opportunità che ben si associano al processo evolutivo del modello di sistema elettrico.
Con tale miglioramento tecnico, il sistema elettrico diverrebbe più
flessibile e intelligente con un flusso bidirezionale di energia e importante scambio d’informazioni necessario, oltre agli sviluppi che un sistema di accumulo porta in quanto tale.
Figura 2.2. Sistema elettrici a sei dimensioni
Le possibili applicazioni dei sistemi di accumulo sono molteplici, e spesso non sono facilmente e univocamente identificabili, in quanto una stessa funzione svolta da un sistema di accumulo può essere vista e catalogata sotto differenti aspetti, relativi ai servizi, vantaggi, benefici apportati dal sistema di accumulo in esame.
In sostanza, l’accumulo di energia consente di separare -‐ nel tempo, nello spazio e anche nella forma – la generazione dell’energia dal suo uso, senza peraltro doverne sacrificare eccessivamente la qualità (collegata alla
forma e all’efficienza di accumulo).
Riferendoci al singolo operatore di produzione e/o consumo, da un punto di vista prettamente economico i sistemi di accumulo possono permettere di immagazzinare energia prodotta a basso costo (o acquistabile a basso prezzo) al momento non necessaria, per recuperarla in seguito evitando forme più onerose di acquisto o di produzione.
Per esempio, a livello domestico, una famiglia potrebbe, tramite un
impianto fotovoltaico e accumulo energeticamente dimensionati, per fare fronte ai consumi domestici annui, accumulare in alcune ore l’energia
momentaneamente prodotta in esubero, anziché doverla poi comprare in seguito al momento del bisogno.
In generale la decisione di fattibilità può dipendere da fattori economici o da fattori quali i miglioramenti di prestazioni del sistema, la sostenibilità ambientale.
I servizi che un sistema di accumulo è in grado di fornire si dividono in “Servizi di potenza” e in “Servizi di energia”.
Tabella 2.1.Classificazione delle funzionalità assicurate dai sistemi di storage
I primi riguardano gli aspetti relativi alla potenza del sistema di accumulo, alla velocità di risposta dello stesso e ai benefici apportati dal sistema di accumulo relativamente allo scambio di potenza della rete elettrica cui è connesso.
I secondi riguardano gli aspetti energetici, quindi sono intrinsecamente legati allo scambio di potenza che si protrae su intervalli di tempo maggiori rispetto ai primi.
Entrambi i servizi sopra definiti sono a loro volta scomponibili, in base alle funzioni svolte e ai criteri di dimensionamento e impiego, in quattro sotto-‐ sezioni:
• security
• power quality • mercato
• accesso (differimento degli investimenti)
2.1.2 Servizi di potenza
a) Security: per quanto riguarda la security del sistema elettrico, i sistemi
di accumulo sono in grado di apportare significativi benefici in termini di: -‐ Peak shaving:
il sistema di accumulo è in grado di erogare potenza per
breve tempo per sopperire ad eventuali picchi di carico
mantenendo più
Figura 2.3.Peak shaving, per la riduzione dei picchi di potenza di carico: comportamento del carico e del sistema di accumulo
regolare l’erogazione di potenza da parte dei generatori del sistema. Questo è certamente un aspetto di security del sistema, in quanto in questo caso l’accumulo consente al sistema di funzionare correttamente.
Fenomeno del tutto speculare è il valley filling, che riveste però più
interesse nell’ambito dei servizi per l’energia di load levelling.( figura 2.3)
-‐ UPS: nel caso di interruzione di breve durata un sistema di accumulo
può funzionare come UPS (Uninterruptible Power System), per carichi sensibili per i quali non si può ammettere alcuna disalimentazione tale
fattore diventa di security se l’apparecchiatura da mantenere alimentata è funzionale al sistema elettrico
-‐ Isola: con “isola” si intende una porzione del sistema elettrico scollegata dal resto della rete, all’interno della quale è necessario che venga
mantenuto l’equilibrio fra generazione e carico.
La stabilità dipende dalla capacità o meno dell’isola di raggiungere questo equilibrio in breve tempo e con la minima perdita di carico.
In questo caso, il rischio è che si venga a creare una porzione di rete con insufficiente capacità di generazione o con capacità di distacco di carico inadeguate in entità e modulabilità: questa situazione porterebbe ad un veloce degrado della frequenza, con il conseguente collasso del sistema. (figura 2.4)
Figura 2.4.Inseguimento della curva di carico con regolazione delle variazioni di potenza assorbita per applicazioni di load following
La presenza di idonei sistemi di accumulo, in grado di svolgere funzioni simili alla regolazione primaria e al load-‐shedding, può facilitare il mantenimento dell’ equilibrio, aiutando peraltro l’isola a rientrare in parallelo con la rete principale.
In un’isola venutasi a creare in fase di difesa, il mantenimento
dell’equilibrio fra produzione e carico è prioritario rispetto a quello della qualità, per cui si accettano tolleranze piuttosto ampie sul valore di
frequenza e si possono ritenere prevalenti gli aspetti di Security rispetto a quelli di Power Quality.
-‐ Rampa: il servizio di rampa consiste nel fare fronte agli incrementi e
decrementi rapidi di carico che non possono essere seguiti dalle unità termoelettriche.
Questo servizio è molto agevole da effettuare con i sistemi di accumulo, data la loro rapidità di risposta.
-‐ Black start: dotando di opportuni sistemi di accumulo le alimentazioni
dei sistemi ausiliari delle centrali di produzione si possono avviare o i gruppi elettrogeni predisposti per il Black Start o direttamente tutti i servizi ausiliari del gruppo di produzione per permetterne l’avviamento.
b) Power Quality: può esser migliorata grazie a un sistema di accumulo
ben dimensionato.
-‐ Un primo obiettivo potrebbe essere quello di contenere le interruzioni di breve durata (buchi di tensione) presenti sulla rete a causa di
energizzazioni o di guasti.
Ciò è possibile mediante l’uso di UPS (per i carici da questi alimentati) o mediante l’utilizzo di opportuni sistemi con accumulo.
-‐ Gli accumuli possono agevolare la regolazione della frequenza nei sistemi strutturalmente isolati, ovvero concepiti per funzionare separati da una
grande rete; tali sistemi presentano tipicamente bassi valori di energia regolante e quindi sono esposti ad ampie variazioni di frequenza dovute alla circostanza o anche alla naturale evoluzione temporale del carico. In questo caso la condizione di isola elettrica è strutturale e non di emergenza, quindi oltre al già citato aspetto di security esiste anche quello della qualità del vettore, associato alla possibilità di mantenere la frequenza in una banda di oscillazione più ristretta.
-‐ Nell’ultimo decennio si è assistito al sempre più massiccio utilizzo di convertitori elettronici lato utenza, fatto che ha deteriorato il THD (tasso di distorsione armonica) presente sulla rete.
Di conseguenza molti sforzi sono stati fatti nel campo del filtraggio attivo, che necessariamente ha bisogno di un sistema di accumulo, seppur
minimo, per un corretto funzionamento.
Questo si presenta come uno degli utilizzi più promettenti dei sistemi di accumulo in particolare nella nuova visione delle “smart grids”.
-‐ Un altro modo di incrementare la power quality mediante i sistemi di accumulo può essere quello della regolazione della tensione: il
mantenimento del modulo della V va supportato mediante una rapida e transitoria erogazione di energia (e anche di potenza).
-‐ Una ulteriore applicazione dei sistemi di accumulo potrebbe essere quella relativa al contenimento dell’effetto Flicker, sia di origine industriale, sia legato a fonti energetiche discontinue.
Il flicker è un fenomeno di abbassamento della tensione di rete che si ripropone con periodicità e si traduce in una ripetuta variazione dell’intensità delle sorgenti luminose (sfarfallio), su frequenze a cui l’occhio umano è particolarmente sensibile (8-‐10Hz).
Anche in questo caso, un sistema di accumulo appositamente dimensionato potrebbe aiutare a compensare il fenomeno.
c) Mercato: i servizi di potenza descritti sia Security che Power Quality
valgono molto sui “mercati dei servizi ancillari”.
-‐ Riserva: un sistema di accumulo può essere utilizzato come riserva in
caso di necessità.
L’energia rilasciata dal dispositivo viene remunerata attraverso un opportuno mercato.
In base al tempo di risposta ed alla capacità di fornire entro certi tempi la potenza nominale si distinguono due tipi di riserva differenti, la “riserva rotante” e la “riserva sostitutiva”.
Per gli aspetti relativi ai servizi di potenza viene presa in considerazione soltanto la riserva rotante, intesa come l’insieme di tutte quelle sorgenti di potenza, connesse alla rete e sincronizzate con essa, che aumentino immediatamente la loro produzione a seguito di un abbassamento di frequenza, e che siano in grado di raggiungere la loro piena potenza entro i 10 minuti.
I sistemi di accumulo elettrochimici quali le batterie sono sicuramente molto indicati come “riserva rotante”, grazie ai loro generalmente
rapidissimi tempi di risposta, molto inferiori di quelli dei grandi impianti di produzione convenzionali.
-‐ Distacco di carico: un sistema di accumulo può apportare benefici per
esempio evitando i distacchi di carico potendosi momentaneamente sostituire alla sorgente di energia.
differenti di accumuli: l’accumulo esterno, progettato ed espressamente dimensionato per evitare il distacco di carico, e l’accumulo interno, detto anche “accumulo di processo”.
Con il termine “accumulo di processo” si indica una quantità di energia intrinsecamente presente nel processo produttivo, e che può essere utilizzata per sostenere il processo stesso per brevi intervalli di tempo senza deterioramento delle prestazioni produttive.
d) Accesso: la disponibilità dell’accumulo su una rete può, come
precedentemente detto, “tagliare” i picchi di potenza e quindi permette di non utilizzare tutta la capacità di una linea aumentando la possibilità di connettere altri utenti evitando il raddoppio della stessa.
Questa logica può essere applicata anche lato utente: l’utente può predisporre sulla sua rete interna accumuli in grado di tagliare i picchi e quindi chiedere meno potenza nell’accesso alla rete risparmiando così anche sulle tariffe.
2.1.3 Servizi di energia
Time shift di energia
:
per time shift, si intende l’impiego dei sistemi diaccumulo per traslare temporalmente l’utilizzo dell’energia elettrica. Un primo esempio di time-‐shift, da applicarsi con più facilità in
abbinamento ad un impianto fonte rinnovabile, è l’arbitraggio del prezzo dell’energia elettrica, il concetto è molto semplice, si acquista
energia per immagazzinarla in ore in cui il prezzo è più basso, per poi rivenderla o direttamente utilizzarla nelle ore in cui il prezzo è più elevato. Questa applicazione può essere svolta solamente dal sistema di accumulo o da un sistema di accumulo abbinato ad un impianto di produzione alimentato da fonte rinnovabile ,operando un time-‐shift di energia, chiaramente la condizione necessaria perché l’operazione risulti
profittevole, è che il rapporto tra i prezzi dell’energia nelle ore in cui si accumula e i prezzi nelle ore in cui si genera sia inferiore al rendimento del sistema di accumulo.
In questo ultimo periodo, inizia ad avere sempre più importanza, l’uso dei sistemi di accumulo anche da parte del prosumer, nello specifico, il Sda può essere visto come un’efficace strumento da integrare con l’impianto di generazione fotovoltaico per migliorare la gestione dell’energia
prodotta e di quella assorbita dal carico.
In questo modo, sarà possibile, coordinando generatore e accumulo, aumentare l’energia autoconsumata dall’impianto, accumulando l’energia prodotta in eccesso e utilizzandola nelle ore in cui il carico è elevato, L’impiego di accumulatori da parte del prosumer , comporta un ulteriore beneficio, ossia quello di ridurre la potenza impegnata contrattuale, gestendo i carichi in modo ottimizzato rispetto alla produzione da
fotovoltaico ed alla disponibilità del sistema di accumulo con l’obiettivo di minimizzare l’immissione e l’assorbimento di energia dalla rete.
Un altro esempio di time shift riguarda la flessibilizzazione della curva di carico.
Infatti, utilizzando in modo adeguato i sistemi di accumulo, è possibile incrementare la bassa domanda di energia elettrica nelle ore notturne (caratterizzate da bassi prezzi), e quindi limitando la necessità di ridurre il carico degli impianti di generazione termoelettrici con le conseguenti riduzioni di efficienza o addirittura la necessità di spegnerli, per poi riaccenderli poche ore dopo aumentando così lo stress dei componenti, con conseguente riduzione della vita tecnica attesa, e determinando un significativo rischio di mancato riavviamento.
Figura 2.5.Strategia di peak shaving utilizzando stoccaggio a livello familiare.
a) Security: relativamente alla security riguardante i servizi di energia, un
sistema di accumulo può essere utile per:
-‐ Load levelling: con tale termine si intende il livellamento del profilo di
carico lungo un intervallo di tempo lungo, quale può essere una giornata, una settimana, un mese.
-‐ Speculare è il valley filling: il carico notturno scende improvvisamente sotto il minimo tecnico dei gruppi e ci sono problemi di over generation.
b) Power Quality: per quanto riguarda la power quality dal punto di vista
energetico i sistemi di accumulo possono evitare le lunghe interruzioni, aumentando di conseguenza la qualità di sistema.
In questo caso non sono richieste ai sistemi di accumulo prestazioni in potenza o prontezza di risposta, bensì performance di natura energetica, e saranno queste a formare i vincoli progettuali del sistema di accumulo stesso.
c) Mercato: la visione in energia anziché in potenza permette di
evidenziare un altro vantaggio che l’accumulo potrebbe avere sul mercato, cioè quello di costituire una forma di flessibilità che può permettere un vantaggio per la domanda e l’offerta.
d) Accesso: certamente un accumulo potrebbe favorire l’accettabilità di
un carico sulla rete, permettendo di differire o addirittura eliminare gli onerosi investimenti volti ad adeguare reti deboli alla presenza di nuovi carichi impulsivi, o comunque temporanei.
Un esempio può essere quello di un utente che necessiti di una potenza eccedente quella della linea di alimentazione disponibile.
Un sistema di accumulo, anche portatile, potrebbe benissimo ricaricarsi durante le ore notturne, per poi rilasciare l’energia necessaria a coprire le esigenze di funzionamento durante le ore diurne, permettendo al gestore di rete di evitare la ristrutturazione della linea di alimentazione
insufficiente.
La valutazione dei costi di investimento di capitale e la valutazione finanziaria legata alle varie tecnologie dei sistemi di accumulo è estremamente difficile, poiché dipende da numerose considerazioni estremamente variabili, quali la configurazione territoriale, vincoli o incentivi politici, taglia del sistema ecc.
Tutti questi servizi a loro volta possono essere suddivisi in numerose funzioni nella rete elettrica, che dipendono fortemente dall’effettiva localizzazione del sistema di accumulo che deve essere scelto e
dimensionato per le specifiche applicazioni infatti, se le nuove forme di generazione di energia non saranno dispacciabili, nascerà l’esigenza di una maggiore modulazione, basata su un criterio del tipo “just-‐in-‐time”, sia di altre forme di generazione, sia della domanda.
In questo quadro, il contributo che può venire dai sistemi di accumulo è l’introduzione di un’importante forma di flessibilità, che si estrinseca nella possibilità di disaccoppiare temporalmente e spazialmente una quota dei diagrammi di generazione e carico.
2.2. -‐ Soluzioni tecnologiche per i sistemi di accumulo
Sul mercato, o anche solamente a livello teorico, esistono diverse
soluzioni tecnologiche con cui è possibile accumulare l’energia elettrica; Queste possono essere classificate in base alla forma di energia utilizzata per l’accumulo:
-‐ Sistemi di accumulo elettrochimico; -‐ Sistemi di accumulo meccanico; -‐ Sistemi di accumulo elettrico; -‐ Sistemi di accumulo chimico; -‐ Sistemi di accumulo termico.
Tabella 2.2. Classificazione delle diverse tecnologie di stoccaggio
In base alla diversa tecnologia adottata, queste risultano più o meno adatte ad un impiego in potenza rispetto ad uno in energia come visto in precedenza.
Vediamo, nello specifico, le caratteristiche peculiari di alcune tipologie in modo da determinarne l’utilizzo più adeguato; con particolare attenzione per la tipologia di accumuli di tipo elettrochimico tralasciando quelle di tipo termico e chimico.
2.2.1 Sistemi di accumulo elettrochimico
Un accumulatore elettrochimico è un dispositivo che permette la conversione reversibile di energia chimica in energia elettrica.
Esso è generalmente costituito da due semi-‐celle separate da un setto poroso, ciascuna delle quali contiene al proprio interno un elettrodo metallico (anodo e catodo) immerso in una soluzione elettrolitica (che tipicamente contiene ioni dello stesso metallo).
Quella che comunemente viene definita una batteria non è altro che una combinazione, parallelo e/o serie, di un numero variabile di accumulatori elettrochimici (celle).
Il principio di funzionamento ideale attraverso il quale un accumulatore elettrochimico permette di rilasciare ed immagazzinare l’energia elettrica fa riferimento rispettivamente alle reazioni di ossido-‐riduzione ed
elettrolisi.
La prima si concretizza nel fatto che un elettrodo (anodo) si ossida, cedendo elettroni, mentre l’altro (catodo) si riduce, acquistando gli elettroni persi dal primo: attraverso un conduttore, questo flusso di elettroni viene intercettato, ottenendo così corrente elettrica.
La seconda reazione, l’elettrolisi, consente di riportare il sistema allo status iniziale: mediante l’applicazione di un campo elettrico dall’esterno, si trasforma l’energia elettrica in energia chimica.
Le diverse tipologie di accumulatori elettrochimici esistenti, le quali si trovano ad uno diverso stadio di sviluppo tecnologico, si caratterizzano per il materiale di cui sono composti gli elettrodi e la soluzione elettrolitica oltre che in base alle caratteristiche costruttive.
In particolare, si possono identificare 4 principali sottocategorie; a ciascuna delle quali appartengono diverse varianti:
-‐ Accumulatori con elettrolita acquoso; -‐ Batterie ad alta temperatura;
-‐ Batteria al litio;
-‐ Batteria a circolazione di elettrolita.
Le principali caratteristiche con cui può essere sinteticamente descritto un sistema di accumulo sono riportate nella tabella seguente.
Tabella 2.3.Caratteristiche accumulatori
2.2.1.1 Batterie con elettrolita acquoso
In questa categoria gli accumulatori, si contraddistinguono per la presenza di un elettrolita in forma acquosa; tra questi si annoverano in particolare gli accumulatori al piombo/acido, nichel/cadmio e nichel/idruri metallici.
2.2.1.1.1 Accumulatori al piombo/acido
L’elemento costitutivo di un accumulatore al piombo (ossia la singola cella) è composto da un elettrodo negativo di piombo metallico e da un elettrodo positivo di biossido di piombo, a fronte di un elettrolita
costituito da una soluzione acquosa di acido solforico.
Figura 2.6.Accumulatori al Piombo/Acido
Vi sono 2 principali tipologie di accumulatori al piombo: VLA (Vented Lead Acid) o accumulatori aperti, e VRLA (Valve Regulated Lead Acid) o
accumulatori ermetici.
La caratteristica principale degli accumulatori VLA è quella di essere dotati di un’apertura che permette la fuoriuscita dei gas prodotti durante le reazioni parassite che avvengono durante la fase di carica.
Essa risulta maggiormente ingombrante rispetto all’altra tipologia, necessitando pertanto di strutture di sostegno ad hoc volte anche a garantirne un’opportuna ventilazione.
Per questo tipo di accumulatori è necessario una frequente
manutenzione, volta al reintegro dell’acqua contenuta nell’elettrolita che via via si consuma.
La tipologia VRLA, detta anche ermetica, prevede all’interno della cella, mediante opportune regolazioni, la ricombinazione dell’idrogeno e dell’ossigeno, con la conseguente rigenerazione di acqua.
Sono meno ingombranti e necessitano di una manutenzione minore. Per contro, la forte disomogeneità costruttiva di questi dispositivi determina criticità nella fase di gestione per applicazioni multiple.
Inoltre, dopo un certo valore di corrente di carica, la ricombinazione dei gas è solamente parziale ed i gas inerti vengono scaricati nell’ambiente mediante una valvola, determinando un degrado più rapido della batteria. E’ da considerare infine che i VRLA hanno una temperatura crescente di funzionamento accentuata dalla reazione esotermica di ricombinazione, il che può creare il fenomeno della fuga termica, fino alla possibile
distruzione del dispositivo.
Le tecnologie principali con cui sono state sviluppati gli accumulatori VRLA sono:
-‐ Gel: sono batterie con elettrolita gelatinoso, le quali a differenza della batterie AGM in seguito descritte, permettono un numero maggiore di cicli di vita.
Il vantaggio principale di queste batterie consiste nel fatto che non rilasciano acido, anche se l’involucro di cui sono costituite si rompesse o se fossero capovolte.
Pertanto anche queste batterie sono sigillate e non richiedono alcun tipo di manutenzione.
A fronte di questi vantaggi, il principale svantaggio risiede nel fatto che queste devono essere caricate con correnti e tensioni inferiori ad altre batterie, al fine di scongiurare la possibilità che si formino all’interno dell’elettrolita delle bolle di gas tali da danneggiarle permanentemente; -‐ AGM: questo tipo di batterie sigillate si caratterizza per il fatto di avere tra gli elettrodi un elettrolita solido del tipo AGM (Absorbed Glass Mat, ossia una fibra di vetro molto fine costituita da Boro-‐Silicio “imbevuto” di acido, nello specifico una soluzione di acqua e acido solforico).
Pertanto questi accumulatori sono molto sicuri in quanto garantiscono la non fuoriuscita dell’acido anche se rotti.
Questo tipo di tecnologia presenta tutti i vantaggi delle batterie al gel ma senza presentarne i limiti, dal momento che può sopportare correnti di carica più sostenute.
Le principali caratteristiche delle batterie al piombo, distinguendo tra le due principali alternative (VLA e VRLA), sono sintetizzate nella tabella seguente:
Le performance che offre la tecnologia al piombo acido, sono minori rispetto a quelle offerte dalle altre tecnologie come si capisce osservando in particolare i valori dell’energia specifica, della potenza specifica e della durata attesa.
In particolare, questa tecnologia presenta un regime tipico di scarica ridotto, che la caratterizza pertanto come sistema adatto alle applicazioni in energia.
Ad ogni modo il rapporto tra potenza specifica ed energia specifica risulta sbilanciato a favore della prima, per questo motivo questa tecnologia può essere utilizzata anche per fornire funzionalità in potenza,
caratterizzandosi pertanto come una tecnologia “trasversale”. Guardando all’installazioni per applicazione in energia attualmente presenti a livello mondiale si stima che queste rappresentano una delle tecnologie più diffuse in questo ambito.
Le ragioni che spiegano la diffusione di queste batterie sono da ricercare nel loro prezzo che risulta ridotto rispetto alle altre tecnologie concorrenti (1500 €/kWh “utile” per batterie di qualche kWh a fronte ad esempio di circa 2200 €/kWh per una batteria analoga agli ioni di litio) e nella
reperibilità delle materie prime necessarie per fabbricarle.
Inoltre un’importante caratteristica risiede nella stabilità del sistema di accumulo in caso di connessione di svariate celle in configurazione serie e/o parallelo; questo può essere fatto senza bisogno di particolari sistemi di monitoraggio e gestione (IBMS – Battery Management System).
Tuttavia, la tecnologia sconta alcune criticità, riferibili in primis ad una densità energetica piuttosto bassa e ad una durata di vita assai limitata, che di fatto stanno determinando un crescente interesse di mercato da parte di altre tecnologie, come ad esempio le batterie al sodio per
applicazione “Energy Intensive” e le batterie al litio per applicazioni in potenza.
2.2.1.1.2 Accumulatori al nichel/cadmio
L’elemento costitutivo di un accumulatore al nichel/cadmio è composto da un elettrodo negativo di cadmio e da un elettrodo positivo di ossido idrato di nichel, a fronte di un elettrolita di tipo alcalino (tipicamente idrossido di potassio in soluzione acquosa).
Figura 2.7.Accumulatori al Nichel/Cadmio
Le batterie al nichel/cadmio sono realizzate secondo due principali tecnologie costruttive:
-‐ Con elettrodi “a tasca”, in cui le materie prime di entrambi gli elettrodi sono contenute all’interno di un tasca in lamina di acciaio traforata, al fine di permettere la penetrazione dell’elettrolita;
-‐ Con elettrodi “sinterizzati”, in cui le materie prime vengono spalmate in una matrice porosa, grazie alla quale si conseguono prestazioni superiori (maggiore energia specifica, potenza molto più elevate, riduzione alla resistenza interna).
Analogamente all’accumulatore al piombo, le batterie di questo tipo possono essere di tipo aperto e di tipo ermetico, con forma cilindrica o prismatica.
Inoltre, come per il piombo, all’interno della batteria si verificano delle reazioni parassite, come quella di auto-‐scarica, provocando perdite di energia e rendendo necessaria una frequente manutenzione.
In secondo luogo questa tecnologia sconta il così detto effetto-‐memoria. Le principali caratteristiche sono riassunte nella tabelle riportata nel seguito.
Tabella 2.7.Caratteristiche tecniche delle batterie al Nichel/Cadmio
Le caratteristiche che contraddistinguono la tecnologia al nichel/cadmio la rendono trasversale per applicazioni in energia ed in potenza.
Infatti, analogamente a quanto discusso per la tecnologia precedente questa presenta un regime tipico di scarica ridotto (che la caratterizza pertanto come sistema adatto ad applicazioni in energia), ma l’elevato rapporto tra potenza ed energia specifica rende questa tecnologia adatta anche per fornire servizi in potenza.
Per quanto concerne le applicazioni “Energy Storage”, sebbene guardando i numeri l’accumulatore in questione risulta ad oggi una delle tecnologie maggiormente diffuse per questo tipo di applicazione, non risulta in programma a livello mondiale la realizzazione di nuove applicazioni di questa tecnologia in ambito “Energy Storage”; per questo motivo non sono disponibili stime aggiornate sul livello di costo di questa tecnologia. A questo proposito, l’attenzione rivolta alle problematiche ambientali legate alla presenza del cadmio, che risulta essere un materiale
estremamente tossico, ha frenato l’evoluzione di questa tecnologia, che è stata progressivamente sostituita dall’accumulatore nichel/idruri metallici e da altre tecnologie emergenti quali il litio.
2.2.1.1.3 Accumulatori al nichel/idruri metallici
L’elemento costitutivo di un accumulatore di questo tipo è composto da un elettrodo negativo costituito da componenti intermetallici (i quali sono in grado di assorbire ed accumulare l’idrogeno in modo reversibile, con formazione di idruri) e da un elettrodo positivo di ossido idrato di nichel, a fronte di un elettrolita di tipo alcalino (tipicamente idrossido di potassio in soluzione acquosa).
Come si nota, l’unica variante sostanziale, rispetto alla batteria al nichel/cadmio risiede nell’elettrodo negativo.
Questa tipologia di accumulatore comporta l‘uso di materie prima costose, tuttavia il fatto che sia privo di cadmio la rende preferibile dal punto di vista ambientale.
Da un punto di vista tecnico, l’energia specifica è leggermente maggiore rispetto alle batterie al Ni/Cd e inoltre, queste risultano adatte a ricaricarsi in tempi più brevi.
Tuttavia, uno svantaggio è la loro tendenza all’auto-‐scarica dovuta alla diffusione dell’idrogeno attraverso l’elettrolita.
Inoltre, l’alta corrente necessaria durante la carica (che di fatto è una reazione esotermica, cioè con sviluppo di calore), rende necessaria ed essenziale una gestione termica (raffreddamento).
Infine, analogamente a quanto discusso per le batterie Ni/Cd questa tecnologia soffre del cosiddetto “effetto memoria”, a causa di ciò tali batterie sono state, e sono tutt’ora, oggetto di grandi sforzi di ricerca e sviluppo.
Anche in questo caso le caratteristiche peculiari della tecnologia in questione sono riportate nella tabella seguente.
Tabella 2.8.Caratteristiche tecniche delle batterie al Nichel/Idruri Metallici
Le caratteristiche che contraddistinguono la tecnologia in questione la rendono trasversale, quindi adatta per applicazioni sia in energia che in potenza.
Infatti, questa tecnologia presenta un regime tipico di scarica abbastanza ridotto (seppur superiore alle 2 tipologie precedentemente analizzate) che la caratterizza pertanto come sistema adatto ad applicazioni “in energia”, ma l’elevato rapporto tra potenza specifica ed energia specifica rende questa tecnologia adatta anche per fornire servizi in potenza.
2.2.1.2 Batterie ad alta temperatura
Le batterie ad alta temperatura, che comprendono quelle sodio/zolfo e sodio/cloruro di nichel, lavorano ad una temperatura interna di circa 300°C necessaria per portare gli elettrodi allo stato fuso e per aumentare la conducibilità dell’elettrolita.
Esse pertanto risultano insensibili alle condizioni ambientali esterne. Lo sviluppo di queste tipologie di celle è stato spinto dall’esigenza di individuare coppie elettrochimiche in grado di fornire energie specifiche molto elevate, senza ricorrere all’utilizzo di materiali pregiati e rari. Queste batterie si caratterizzano per una energia specifica molto più elevata rispetto agli accumulatori con elettrolita acquoso, elevati rendimenti energetici, prestazioni indipendenti dalla temperatura ambiente, buona vita attesa.
Per motivi gestionali e di sicurezza non sono disponibili sul mercato come celle singole, ma come sistemi completi di BMS (Battery Management System), ossia con un sistema di controllo delle grandezze che
caratterizzano il funzionamento della batteria.
2.2.1.2.1 Batteria al sodio/zolfo
L’elemento costitutivo di un accumulatore al sodio/zolfo è composto da due elettrodi allo stato fuso (rispettivamente di zolfo e sodio), a fronte di un elettrolita di tipo ceramico (beta allumina).
Dal punto di vista costruttivo presentano caratteristiche molto diverse da quelle dei tradizionali accumulatori (cioè le batterie alcaline quali quella al piombo).
Infatti, i due elettrodi sono allo stato fuso e sono divisi dal separatore ceramico, che permette il passaggio ionico e svolge le funzioni
dell’elettrolita.
Trattandosi, di una batteria ad alta temperatura essa ha bisogno di un coibentazione termica particolarmente efficace per diminuire la
dispersione verso l’esterno.
La struttura della cella generalmente utilizzata è a forma di bicchiere e i materiali impiegati sono molto pregiati a causa della capacità corrosiva dello zolfo liquido.
Essa è inoltre dotata di un sistema di riscaldamento interno che si attiva quando la temperature scende al di sotto di un certo limite.
Con la batteria a riposo l’autonomia termica può essere di qualche giorno. Questo costringe il sistema di riscaldamento ad essere attivo ed a
collegare la batteria alla rete elettrica per alimentarlo.
Tabella 2.9.Caratteristiche tecniche delle batterie al Sodio/Zolfo
Il connotato principale che contraddistingue la tecnologia in questione rispetto alle altre tipologie di accumulo elettrochimico, fa riferimento al fatto che l’energia specifica è molto elevata ed inoltre presenta valori maggiori rispetto alla potenza specifica.
Per tale motivo, questa tipologia di batteria, contraddistinta anche da un regime tipico di scarica ridotto è tipicamente utilizzata per applicazioni “Energy Intensive”, in cui risulta essere una delle tecnologie più utilizzate. Il costo attuale di questa tecnologia, è stimabile in circa 1000 €/kWh utile.
2.2.1.2.2 Batteria al sodio/cloruro di nichel (ZEBRA)
La batteria in questione, nota come ZEBRA (Zero Emission Battery
Research Activity) è, dal punto di vista della struttura e delle prestazioni, sostanzialmente simile alla batteria precedente.
Figura 2.8.Accumulatori al Sodio/Cloruro di Nichel
Dal punto di vista della struttura, rispetto alla batteria al sodio/zolfo cambia soltanto il materiale di un elettrodo, costituito da cloruro di nichel invece che da zolfo.
Le principali caratteristiche sono riportate in tabella seguente:
Tabella 2.10.Caratteristiche tecniche delle batterie al Nichel/Cadmio
Questa tipologia di batteria osservando i dati in tabella, si capisce essere adatta per applicazioni sia in energia che in potenza per cui queste proprietà rendono questa tecnologia trasversale.
Un’analisi legata prevalentemente all’energia specifica, molto elevata rispetto alle altre tipologie analoghe, mostra come questa tipologia sia legata molto all’utilizzo in applicazioni in energia.
Il costo per questa tecnologia è stimabile tra i 1200 e i 2100 €/kWh, in funzione della taglia del sistema.
2.2.1.3 Batterie a circolazione di elettrolita
Le batterie a circolazione di elettrolita consentono l’accumulo di energia elettrica mediante soluzioni elettrolitiche contenenti differenti coppie redox, utilizzando reazioni accoppiate di ossido-‐riduzione in cui sia i reagenti che i prodotti di reazione sono disciolti in soluzione acquosa. Le soluzioni dell’elettrolita positivo e negativo sono immagazzinate in serbatoi, messe in circolazione da pompe, e si interfacciano attraverso una membrana (separatore) che permette lo scambio ionico, impedendo
tuttavia il mescolamento delle soluzioni.
La loro caratteristica più importante è il disaccoppiamento tra le
caratteristiche di potenza e di energia: infatti, la potenza che la batteria è in grado di erogare/assorbire è in funzione della quantità di elettrolita che prede parte alla reazione istante per istante e quindi della superficie di membrana e dalla portate delle pompe, mentre la capacità di accumulo è legata alla quantità di liquido totale e quindi dalla capienza di serbatoi. Esistono diverse tipologie di batterie di questo tipo ma nel seguito la concentrazione si focalizzerà sulle tipologie che di fatto sono le più utilizzate che sono quella ai sali di Vanadio e allo Zinco/Bromo .
Questa tecnologia si presta per applicazioni “Energy intensive” di grande taglia (MWh).
2.2.1.3.1 Batteria Redox VRB (a circolazione di elettrolita al vanadio)
La batteria VRB, acronimo di Vanadium Redox Battery, rientra nel novero delle batterie a circolazione di elettrolita, in cui la coppia redox è costituita da vanadio.
Figura 2.9.Accumulatori a circolazione di elettrolita al Vanadio
L’elemento costitutivo di tale batteria, ossia la cella elementare, è formato da una membrana di scambio ionico, che separa i due elettrodi
evitandone il mescolamento, dagli elettrodi stessi, entrambi costituiti da ioni di vanadio in differenti stadi di ossidazione, e dalle piastre bipolari. Una batteria è composta da un certo numero di elementi base connessi in serie, da due serbatoi contenenti gli elettrodi e dal circuito idraulico, comprensivo delle pompe, che permette la circolazione degli elettroliti.
Date le caratteristiche che contraddistinguono questa tecnologia, in
termini di capacità di accumulo di energia in funzione delle dimensioni dei serbatoi utilizzati (con riferimento a quanto detto in precedenza), essa trova principale applicazione per l’immagazzinamento di energia elettrica su larga scala, ossia per applicazioni in energia.
E’ interessante notare che la versatilità di costruzione (variando in particolare la dimensione dei serbatoi, la superficie della membrana e la portata delle pompe) rende comunque possibile progettare batterie di questo tipo anche per applicazioni in potenza.
Dall’altro canto, un fattore limitante per questa tecnologia risiede nella temperatura a cui può lavorare tale batteria, vincolato nel range 0 -‐ 40 °C a causa del fatto che, da un lato, a basse
temperature la circolazione del fluido diviene problematica in virtù
dell’aumento di densità della stesso, dall’altro lato, ad alte temperature si può verificare l’ostruzione del circuito idraulico a causa della
precipitazione dei sali di vanadio dell’elettrolita.
I costi attuali sono stimabili tra i 1200 e i 1700 €/kWh, con riferimento a taglie (tipiche per questa tecnologia) nell’ordine del MWh.
2.2.1.3.2 Batteria Redox al Bromuro di Zinco
La cella elementare di questa batteria prevede un elettrodo negativo costituito da zinco (in forma solida quando la batteria è carica), un
elettrodo positivo costituito da bromo (liquido a temperatura ambiente) e l’elettrolita costituito da una soluzione acquosa di bromuro di zinco.
In particolare il flusso dei 2 elettroliti è separato da una membrana in poliolefina microporosa la batteria è composta da un certo numero di
celle, da i serbatoi che contengono l’elettrolita e da un sistema idraulico per la circolazione dell’elettrolita.
Figura 2.10.Accumulatori a circolazione di elettrolita al Bromuro di Zinco
Le principali caratteristiche di questa soluzione tecnica sono mostrate nella tabella a seguito riportata.
Tabella 2.12.Caratteristiche tecniche delle batterie a circolazione di elettrolita al Bromuro di Zinco
Date le caratteristiche che contraddistinguono questa tecnologia, analoghe a quelle discusse per la tecnologia VRB, essa trova principale applicazioni in energia, lavorando tipicamente su regimi di scarica compresi tra 1/2 e 1/10 ore.
2.2.1.4 Batterie al litio
Le batterie agli ioni di litio presentano diverse varianti, le quali, a fronte di un struttura di base comune, impegnano materiali diversi sia per gli
elettrodi che per l’elettrolita.
Figura 2.11.Batterie agli ioni di Litio
Riguardo agli elettrodi, tipicamente l’anodo è presente allo stato litiato (affiancati negli ultimi anni dal titanato di litio), mentre il catodo è tipicamente costituito da un ossido litiato di un metallo di transizione (quale ad esempio cobalto, nichel e manganese).
L’elettrolita invece, costituito da sali di litio disciolti in miscela di solventi organici, può essere liquido o polimerico da cui deriva una possibile distinzione tra batterie agli ioni di litio “tradizionali” e batterie litio-‐ polimeriche.
Le diverse combinazioni di elettrodi ed elettrolita danno luogo ad una moltitudine di varianti possibili, ciascuna delle quali si presta meglio per determinate applicazioni.
La figura seguente mostra alcune delle combinazioni possibili e evidenzia le principali caratteristiche che vengono messe in luce dal punto di vista quantitativo nella tabella che segue
Figura 2.12.Principali celle che utilizzano tecnologia agli ioni di litio
Tabella 2.13.Caratteristiche tecniche delle batterie al Litio
