Di Steven Shackell
La tecnologia delle batterie potrebbe risalire a 2.000 anni fa. Scoperta negli anni '30 del 1900 nell'odierno Iraq, la batteria di Baghdad, nota anche come batteria dei Parti, è costituita da una giara in terracotta, un cilindro di rame e una barra di ferro che probabilmente fungevano da elettrodi se associati a una soluzione elettrolitica come l'aceto. Anche se alcuni ricercatori ne discutono ancora l'utilizzo, potrebbe trattarsi di uno dei primi esempi di sistema di accumulo di energia.
Stiamo ancora lavorando per perfezionare questa tecnologia, impegnandoci per creare degli efficienti dispositivi di accumulo di energia a lungo termine che vanno dalle batterie per le schede allo stoccaggio idroelettrico a livello di rete. Questo articolo esamina le innovazioni nell'accumulo dell'energia e i moderni sistemi di batterie in una vasta gamma di applicazioni.
Accumulo di energia a livello di scheda
Piccoli sistemi di accumulo di energia a batteria
Le batterie alimentano la maggior parte dei moderni dispositivi elettronici portatili. Le batterie a bottone al litio, come la CR2032 di BeStar Technologies, sono la fonte di energia primaria per orologi, piccole luci, calcolatrici, apriporta per garage, telecomandi per auto, contapassi e molti altri piccoli dispositivi elettronici. Le batterie di dimensioni ridotte possono essere molto diverse tra loro e avere fattori di forma differenti. Un modello comune come la CR2032 immagazzina circa 230 mAh di corrente.
Le batterie agli ioni di litio sono un elemento fondamentale per lo stoccaggio di corrente su piccola scala e rappresentano oltre il 34% della quota di mercato nel settore dei piccoli dispositivi elettronici. I loro vantaggi rispetto alle tecnologie delle batterie al piombo acido, alcaline e al nichel-metallo idruro includono una maggiore densità energetica, un peso inferiore, una maggiore durata e una limitata sensibilità alla temperatura.
Accumulo di corrente in condensatori
I supercondensatori rappresentano una categoria più recente di dispositivi di accumulo di corrente, oggi utilizzati in applicazioni che richiedono un rapido stoccaggio e rilascio di energia. Poiché i supercondensatori sono in grado di immagazzinare grandi quantità di corrente a tensioni relativamente basse e capacità elevata, presentano numerosi vantaggi rispetto allo stoccaggio in batterie.
I supercondensatori hanno una durata molto maggiore rispetto alle batterie. Una normale batteria agli ioni di litio può eseguire da 500 a 10.000 cicli di ricarica, mentre i supercondensatori sono in grado di tollerare da 100.000 a un milione di cicli. I supercondensatori, come quelli della serie NEDL, possono essere caricati quasi mille volte più velocemente rispetto ai sistemi di batterie di capacità simile. Sfortunatamente, questi dispositivi possono perdere fino al 20% della loro carica ogni giorno a causa dell'autoscarica, quindi non sono ideali per i sistemi di accumulo di energia a lungo termine.
Sistemi di accumulo di corrente a livello di rete
Lo stoccaggio di grandi quantità di corrente (più di 1 kWh) richiede sistemi dedicati che variano notevolmente per dimensioni e capacità. Di seguito riportiamo alcuni esempi di sistemi di accumulo di corrente a livello di rete che offrono stoccaggio a lungo e breve termine su larga scala.
Accumulo di corrente in batterie residenziale
Forse si tratta della forma più riconoscibile di sistemi di accumulo di corrente a livello di rete: i sistemi di batterie residenziali, che possono essere utilizzati come fonti di energia di backup per uso residenziale. Dispositivi come Tesla Powerwall ed LG Chem RESU sono comunemente abbinati a gruppi di pannelli solari per raccogliere l'energia in eccesso per un utilizzo successivo.
Sebbene la tecnologia delle batterie agli ioni di litio sia utilizzata nel 34% dei piccoli dispositivi elettronici, secondo l'EESI (Environmental and Energy Study Institute) rappresenta oltre il 90% della tecnologia utilizzata nei sistemi di accumulo di corrente basati su batterie su larga scala. La tecnologia agli ioni di litio è così ampiamente adottata e importante che il Premio Nobel per la Chimica 2019 è stato assegnato a John B. Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino per il loro contributo alla tecnologia agli ioni di litio. I sistemi di accumulo con batterie agli ioni di litio sono in grado di immagazzinare fino a 100 MW di elettricità, hanno una densità energetica di 200-400 Wh/litro e possono raggiungere un'efficienza fino al 95%.
Accumulo di energia termica
Esistono diversi tipi di dispositivi di accumulo di energia termica, tra cui quelli a sali fusi, i sistemi di accumulo del ghiaccio, i serbatoi di acqua calda e i sistemi di accumulo di energia termica a falda acquifera (ATES), che utilizzano la temperatura (entropia) per immagazzinare energia. In molti casi, il calore in eccesso viene immagazzinato in materiali termicamente conduttivi e poi recuperato per generare elettricità.
Ad esempio, gli impianti di accumulo di energia a sali fusi (MSES) vengono utilizzati in applicazioni commerciali per lo stoccaggio di energia a breve termine. Nei sistemi MSES, i sali fusi vengono riscaldati a oltre 1000 °F e conservati in contenitori isolati. Quando è necessaria energia, viene pompata dell'acqua fredda attraverso il sale fuso per creare vapore, che viene poi fatto passare attraverso delle turbine per generare elettricità. Questi sistemi, di solito, sono in grado di immagazzinare fino a 150 MW, hanno una densità energetica di 70-210 Wh/litro e possono raggiungere un'efficienza fino al 90%.
Sistemi di accumulo di energia ad aria compressa
Anche la pressione può essere utilizzata per immagazzinare energia potenziale. I sistemi di accumulo ad aria compressa (CAES) utilizzano l'elettricità per pompare aria in profondità nel sottosuolo in cavità sigillate che possono sostenere una pressione elevata. Questa aria ad alta pressione può quindi essere riscaldata e fatta passare attraverso una turbina ad aria per generare elettricità.
Uno dei vantaggi dei sistemi CAES è che possono essere utilizzati per sistemi di accumulo di energia a medio e lungo termine. Esistono solo pochi sistemi CAES in tutto il mondo, ma le loro capacità di accumulo di energia sono enormi e vanno da 110 MW a 315 MW con un'efficienza che raggiunge il 70%. È prevista la realizzazione di numerosi altri sistemi CAES negli Stati Uniti, in Canada, Cina, Australia, Germania e in altre parti d'Europa. In teoria, sarebbe possibile utilizzare dei sistemi CAES più piccoli per scopi residenziali, ma questi sistemi devono ancora raggiungere il mercato.
Energia idroelettrica con impianto di accumulo a pompaggio
La forma di accumulo di energia con la capacità più elevata attualmente disponibile è l'energia idroelettrica con impianto di accumulo a pompaggio (PSH). Questi impianti di accumulo di energia su larga scala sfruttano la gravità per immagazzinare elettricità. I sistemi PSH funzionano pompando elettricamente l'acqua da un'altitudine inferiore a una superiore dove può essere immagazzinata. Quando è necessaria l'elettricità, l'acqua viene rilasciata nel bacino a quota inferiore passando attraverso delle turbine, che generano elettricità in modo simile a come funzionano le dighe idroelettriche.
Didascalia: L'impianto di stoccaggio a pompaggio Kruonis in Lituania
I sistemi di accumulo di energia idroelettrica a pompaggio possono variare in dimensioni. Ad esempio, il nuovo impianto PSH a Walpole, nell'Australia Occidentale, può immagazzinare 1,5 MW di elettricità: sufficienti per alimentare 500 case per due giorni. Al momento, il sistema di accumulo di energia PSH più grande del pianeta si trova nella contea di Bath, in Virginia, e può generare più di 3.000 MW con una capacità di accumulo totale di 24.000 MWh. Si tratta dell'equivalente energetico immagazzinato da 34,7 miliardi di batterie agli ioni di litio di formato CR2032.
Gli impianti PSH sono i più grandi sistemi di accumulo di energia utilizzati nell'era moderna. Tuttavia, la loro densità energetica è una delle più basse tra tutte le soluzioni di accumulo ed è compresa tra 0,2 e 2 wattora per litro (1/200 di una batteria al litio). Per immagazzinare la stessa quantità di energia presente in una batteria al litio, in un sistema PSH avremmo bisogno di una superficie 200 volte più grande. Nonostante la necessità di spazio, i sistemi PSH raggiungono comunque un'efficienza dell'85%.
Moderni sistemi di accumulo di energia
Oggi esiste una grande varietà nelle tecnologie di accumulo dell'energia. Che questi sistemi si basino sulla pressione, sulla gravità, sul potenziale chimico, sul potenziale termico o sulla capacità, hanno tutti lo stesso scopo: stabilizzare e soddisfare la domanda di energia a vari livelli. Dalle piccole applicazioni a livello di scheda come l'elettronica portatile ai sistemi su larga scala a livello di rete che consentono integrazioni di energia rinnovabile, ciascuna di queste tecnologie rappresenta soluzioni moderne per l'accumulo di energia. Sebbene le applicazioni più comuni siano i sistemi di accumulo di energia con batterie agli ioni di litio, il panorama si sta evolvendo alla ricerca di soluzioni più efficienti, convenienti e rispettose dell'ambiente.
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