Carlos Hill è Senior Product Portfolio Manager presso Xcel Energy, dove si occupa della gestione della domanda, dei veicoli elettrici e dell'integrazione delle energie rinnovabili. La sua attività include iniziative finalizzate al miglioramento della rete elettrica, all'implementazione della generazione di energie rinnovabili, all'ottimizzazione di programmi per i veicoli elettrici e allo sviluppo dello stoccaggio di energia nelle infrastrutture esistenti.
Le società fornitrici servizi energetici dovranno affrontare sfide notevoli nei prossimi anni a causa dell'elettrificazione di case, aziende e automobili. Nonostante l'aumento dell'efficienza, le politiche che impongono un maggiore utilizzo delle energie rinnovabili incoraggiano tali società a investire in metodi di stoccaggio dell'energia che possano funzionare all'interno delle loro reti elettriche.
Abbiamo intervistato Hill e abbiamo chiesto la sua opinione sullo stato dello stoccaggio energetico su scala industriale e residenziale, sulle conseguenze della generazione di energie rinnovabili per la rete esistente e sulle nuove tecnologie che ritiene influenzeranno il settore elettrico nei prossimi anni.
Stoccaggio su scala industriale per la transizione verso l'energia pulita
Arrow Electronics: Quali sono le possibilità esistenti per lo stoccaggio di corrente?
Carlos Hill: Questa è la domanda a cui tutti stanno cercando di dare risposta in questo momento. È possibile immagazzinare il petrolio in barili o il propano in serbatoi, ma l'elettricità è qualcosa che generalmente deve essere utilizzato subito. A mio avviso, esistono quattro opzioni principali per l'accumulo: sistemi a energia idroelettrica con impianto di accumulo a pompaggio (PSH, Pumped Storage Hydropower), accumulo in batterie, batterie a volano (FES, Flywheel Energy Storage) e accumulo termico.
L'energia idroelettrica con accumulo a pompaggio prevede il pompaggio dell'acqua verso l'alto in un luogo con altitudine maggiore, in genere durante la notte, quando c'è molta produzione eolica disponibile per alimentare la rete. L'acqua viene immagazzinata a una quota più elevata fino alle ore di punta del tardo pomeriggio quando ci sono più persone che consumano elettricità. L'acqua, dotata di energia potenziale (che è uguale a massa per gravità per altezza), viene rilasciata in modo da fluire a valle in una turbina, generando energia elettrica grazie alla trasformazione dell'energia cinetica. Il grande vantaggio dell'energia idroelettrica con accumulo a pompaggio è che l'energia potenziale viene immagazzinata a una quota più elevata fino a quando il gestore elettrico non ha bisogno di convertirla in energia cinetica per immettere corrente nella rete.
Quando parliamo di accumulo in batterie, la maggior parte delle persone pensa alle batterie agli ioni di litio, ma la chimica ferro-aria di Form Energy è un'altra possibilità molto diffusa per le batterie ed è in grado di accumulare corrente per giorni. I team di Xcel Energy stanno lavorando con Form Energy per riuscire a fornire batterie da 10 MW di capacità in grado di stoccare energia per quasi 100 ore.
Xcel Energy ha anche realizzato un progetto pilota con collegamento di batterie, grazie al quale dei clienti residenziali del Colorado, che avevano in uso batterie SolarEdge o Tesla, consentivano l'accumulo di energia solare e il livellamento dei picchi di domanda. L'azienda elettrica caricava le batterie residenziali al mattino, durante le ore di forte irraggiamento solare, per poi scaricarle la sera, durante le ore di punta, per ridurre il carico della domanda di corrente da parte dei clienti.
Pochissime persone parlano di batterie al volano (FES), ma si tratta di un metodo efficace per l'accumulo di energia. Pensiamo a quando facciamo girare un oggetto rotondo: l'oggetto continua a girare perché vi abbiamo trasferito energia come momento angolare. I gestori elettrici possono sfruttare i periodi in cui l'elettricità è più economica per iniziare a far girare dei cilindri giganti a cui trasferire energia sotto forma di momento angolare. Possono quindi estrarre l'energia da tali dispositivi e reimmetterla nella rete durante le ore di punta.
Infine, esiste l'accumulo di energia termica. Un esempio è il riscaldamento di un serbatoio d'acqua quando c'è molta disponibilità di energia sulla rete. Sono necessarie diverse unità di energia per aumentare la temperatura di grandi volumi d'acqua di un grado, ma l'acqua ha una tale capacità termica che il liquido può trattenere l'energia, se si trova nelle condizioni adeguate. Si potrebbe quindi reimmettere questa energia sulla rete nelle ore di punta. Per quanto ne so, è un metodo poco utilizzato negli Stati Uniti al momento.
Arrow Electronics: Come funzionano questi metodi all'interno dell'infrastruttura esistente?
Carlos Hill: L'energia idroelettrica con impianto di accumulo a pompaggio richiede un grande investimento in conto capitale. Per questi sistemi è necessaria la costruzione di infrastrutture imponenti che funzionano meglio nelle aree collinari o montuose. Esistono sistemi a circuito aperto in cui l'acqua prosegue verso valle oltre una diga, ma esistono anche sistemi a circuito chiuso in cui l'acqua circola sempre tra un bacino superiore e uno inferiore.
L'accumulo di energia in batterie a volano può essere realizzato ovunque: in un parco, in un deserto, all'interno di un quartiere, in pratica ovunque ci sia un pezzo di terreno pianeggiante.
Anche le batterie possono essere collocate ovunque in ambienti commerciali e/o residenziali. Oggi sono l'opzione più conosciuta dall'americano medio. I sistemi di batterie più piccoli, come quelli da 5 kilowatt di capacità, possono stare in un garage. Se si desidera qualcosa di più grande, come un sistema da 50 kW, allora c'è bisogno di un magazzino.
Arrow Electronics: Quali sono le sfide associate allo stoccaggio delle energie rinnovabili con le infrastrutture esistenti?
Carlos Hill: L'energia rinnovabile è variabile. Possiamo bruciare carbone e gas naturale quando vogliamo, ma il vento e il sole non sono sempre disponibili. Inoltre, nel caso delle rinnovabili, esiste anche la complicazione dell'eccesso di produzione quando la materia prima è troppo abbondante e purtroppo si è costretti a spegnere i generatori, perché non c'è possibilità di immagazzinare tutta la corrente prodotta.
Se si genera elettricità dal sole o dal vento, è possibile utilizzare le batterie per immagazzinare la produzione in eccesso. Si dovrebbe sempre coinvolgere un ingegnere elettrico che capisca questioni quali tensione, ampere, inverter, capacità, ecc.
La fase successiva della transizione energetica sostenibile
Arrow Electronics: Ci sono esempi di accumulo di energie rinnovabili a livello di rete già in uso oggi?
Carlos Hill: Xcel possiede l'impianto idroelettrico di accumulo a pompaggio di Cabin Creek in Colorado. Inoltre, abbiamo avviato una partnership con Form Energy per sviluppare l'accumulo di energia per più giorni. Le loro batterie ferro-aria rappresentano un punto di svolta con un impressionante accumulo su scala industriale perché sono in grado di immagazzinare 10 MW di corrente fino a quattro giorni. Si tratta di 1.000 megawattora di corrente che la batteria ferro-aria può potenzialmente accumulare. Questi potenziali sistemi di batterie ferro-aria da 1.000 megawattora con accumulo di lunga durata sono fondamentali per creare una rete pulita. Questi progetti di accumulo energetico di più giorni sono pensati per massimizzare l'uso delle energie rinnovabili mantenendo al contempo l'affidabilità della rete Xcel Energy. Le parti coinvolte costruiranno le batterie nei siti delle centrali a carbone in disuso, come la stazione di Sherburne in Minnesota e la stazione di Comanche in Colorado. Queste batterie su scala industriale consentiranno a Xcel Energy di accumulare energia da fonti rinnovabili e quindi di distribuire corrente durante i periodi di minore produzione. Esistono alcune di queste batterie su scala industriale in tutto il paese.
Arrow Electronics: Ci sono altre tecnologie per l'accumulo di energia all'orizzonte?
Carlos Hill: Una tecnologia per l'accumulo di energia che sta diventando sempre più popolare è l'idrogeno verde. Esistono diversi colori per rappresentare diversi metodi di produzione: idrogeno grigio, idrogeno marrone, idrogeno blu, idrogeno verde e idrogeno rosa. Idrogeno verde implica l'utilizzo di energia verde per far funzionare un elettrolizzatore, cioè uno straordinario dispositivo in grado di eseguire l'elettrolisi, ovvero la divisione degli atomi che compongono l'acqua. È possibile dividere l'acqua in atomi di idrogeno e di ossigeno, quindi immagazzinare l'idrogeno per alimentare successivamente una cella a combustibile durante i periodi di forte richiesta.
L'idea è quella di utilizzare l'energia rinnovabile in eccesso per far funzionare l'elettrolizzatore e produrre idrogeno per poi accumularlo in serbatoi di stoccaggio, un po' come si fa con il petrolio nei barili. Sfortunatamente, gli aspetti economici di questo processo sono ancora piuttosto impegnativi.
L'impatto sui consumatori dell'adozione delle energie rinnovabili
Arrow Electronics: In base alla tua esperienza, quali tendenze influiscono sui progressi nello stoccaggio di energie rinnovabili?
Carlos Hill: L'adozione dei veicoli elettrici sta impegnando la rete elettrica con carichi mai visti prima d'ora. Fino a qualche anno fa, le case consumavano corrente in base al frigorifero, alle luci, all'aria condizionata, alla lavatrice, all'asciugatrice e ad altri elettrodomestici di base. Ora c'è questo improvviso picco di domanda in cui le case consumano enormi quantità di elettricità durante la ricarica di un veicolo elettrico. Si discute molto su come gestire questo carico aggiuntivo. Alcune strategie a riguardo sono quelle della carica statica/passiva e della carica dinamica/attiva. In base a queste strategie di ricarica gestite, i veicoli elettrici si dovrebbero ricaricare in determinati orari, meno impegnativi per la rete.
Anche le ristrutturazioni delle cucine, che sostituiscono i fornelli a gas con dispositivi a corrente, stanno mettendo sotto stress la rete. I gestori elettrici devono garantire che gli alimentatori, i trasformatori e le sottostazioni siano sufficienti a compensare questa crescente domanda elettrica.
Le opinioni espresse sono quelle dell'intervistato e non riflettono le opinioni di Arrow Electronics Inc. o delle sue affiliate.
