Sin dall’antica Grecia i filosofi e i letterati si sono occupati dello studio di quelli che noi oggi conosciamo come i quattro elementi: fuoco, acqua, aria e terra. Secondo il pensiero del filosofo Empedocle le immutabili forze della natura dominavano l’esistenza umana e rappresentavano le radici dell’Essere. Senza le quali nulla esisteva.

E quello che da migliaia di anni determina la nostra vita, continuerà ad essere importante anche in futuro. Saranno gli imperituri quattro elementi a trainare la decarbonizzazione del pianeta e a fornire in larga parte l’elettricità, la luce e il calore che ci servono per vivere. Ma poiché il vento non soffia sempre e il sole non splende tutti i giorni, sono necessari serbatoi in grado di accumulare l’energia per periodi più o meno lunghi. Attualmente sono allo studio vari sistemi, con risultati più o meno incoraggianti. “In futuro avremo bisogno di più sistemi, poiché oggi non esiste una tecnologia di stoccaggio in grado di risolvere il problema dello stoccaggio delle energie rinnovabili”, spiega Myriam Gil Bardají, a capo del programma sullo stoccaggio energetico della European Energy Research Alliance presso il Karlsruher Institut für Technologie. La panoramica seguente illustra gli sviluppi più promettenti. Ogni scoperta è unica nel suo genere – e si basa su uno dei quattro elementi.


Foto: Max Bögl Wind AG

 

 

ACQUA - UNA COMBINAZIONE INTELLIGENTE

Quando si parla dello stoccaggio dell’energia del domani, si parla sempre di idee innovative. In questo senso la batteria ad acqua che stanno sviluppando a Gaildorf nel Baden-Württemberg rappresenta un grande passo avanti: l’impianto testato da TÜV SÜD coniuga energie rinnovabili ottenute dal vento tramite una centrale idroelettrica a pompaggio con un potente accumulatore di corrente. La batteria ad acqua funziona come un accumulatore a breve termine, il quale assorbe l’energia in eccesso, la conserva e la reimmette nella rete quando serve.  

Grazie alla flessibilità di questo accumulatore è possibile immettere nella rete, all’occorrenza, 70 MWh, pari a circa quattro ore di corrente generate da una turbina eolica, contribuendo così alla stabilità della rete. Mentre gli impianti eolici sono già funzionanti, il collegamento alla rete della batteria ad acqua è previsto per l’estate 2019. La batteria è nascosta nelle fondamenta dell’impianto eolico. Una serie di tubazioni collega questo serbatoio con una centrale idroelettrica e il relativo bacino, situato 200 metri a valle. “Lo sviluppo di nuove tecnologie è fondamentale per affrontare le sfide del futuro. Questi progetti pilota dimostrativi sono infatti importanti e degni di nota per l’integrazione nella rete”, afferma l’esperta Gil Bardají. 

E non devono rimanere nell’ambito del progetto pilota: la soluzione modulare della batteria ad acqua può essere utilizzata come soluzione di stoccaggio per tutte le energie rinnovabili. La batteria ad acqua standardizzata è destinata a diventare una centrale ad accumulo universale. Già oggi vi sono numerose manifestazioni di interesse da Germania, Austria, USA, Australia e Indonesia.


Foto: shutterstock/mmoktp 

 

 

FUOCO - L’H₂O ALIMENTA LA SPERANZA

Vapore acqueo o goccioline: sono questi i “prodotti di scarto” che si ottengono dalla separazione dell’idrogeno. Quando l’idrogeno entra in contatto con l’ossigeno in presenza dell’energia di accensione necessaria, i due elementi bruciano e si trasformano in acqua. È difficile trovare un processo più pulito. Non stupisce dunque che l’elettrolisi svolga un ruolo centrale nell’accumulo di corrente a lungo termine. 

Con l’elettrolisi l’acqua si scompone in ossigeno e idrogeno. Per questo processo si utilizza la corrente prodotta dalle energie rinnovabili. In assenza di vento o quando il cielo è coperto, il gas può essere recuperato dalle caverne e bruciato in un impianto a turbina a vapore e a gas, che a sua volta aziona un generatore di corrente elettrica. 

“L’idrogeno è versatile, può essere trasformato in energia elettrica per applicazioni fisse come la generazione di corrente e calore o per le turbine, ma anche per applicazioni nell’ambito della mobilità, ad esempio per il trasporto”, afferma l’esperta Gil Bardají. Un problema è costituito dal fatto che fino ad ora ne sono state consumate grandi quantità con un’efficienza relativamente contenuta.

L’elevato potenziale di efficienza dell’idrogeno è dimostrato dal più grande impianto a idrogeno del mondo che attualmente si trova a Linz, in Austria. L’impianto pilota è progettato per ottenere un’efficacia dell’80%. L’obiettivo dichiarato è scoprire se l’idrogeno abbia tutte le carte in regola per sostituire a lungo termine il carbone e il coke. La Mitteldeutsche Netzgesellschaft Gas mbh, d’altro canto, ha cominciato la costruzione di un’infrastruttura di prova funzionante a idrogeno presso il Chemiepark Bitterfeld-Wolfen. L’infrastruttura fa parte del progetto HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions) East Germany. Gli oltre 100 partecipanti intendono dare vita a una regione modello per l’idrogeno nella Germania orientale. L’intero progetto ha una durata prevista di circa due anni. TÜV SÜD accompagnerà ogni sua fase.


Foto: ALACAES 

 

 

TERRA - DALLE PROFONDITÀ DEL MASSICCIO

La galleria ferroviaria del San Gottardo è un capolavoro. Con una lunghezza di poco meno di 60 chilometri attraversa le Alpi svizzere centrali accorciando drasticamente i tempi di percorrenza. E come se non bastasse: un tunnel lungo tre chilometri nei pressi della località di Bianca, utilizzato durante la costruzione della galleria per la rimozione degli scarti, dal 2015 al 2017 è stato convertito in impianto di prova per un moderno accumulatore ad aria compressa.

Il principio di un accumulatore ad aria compressa è presto spiegato: l’energia solare ed eolica in eccesso aziona dei compressori che comprimono l’aria esterna. L’aria compressa viene raccolta in un serbatoio, ovvero una caverna sotterranea, per essere eventualmente utilizzata per l’azionamento di una turbina collegata a un generatore di corrente. Inspira, trattiene l’aria, espira – è come se con ogni respiro l’accumulatore ad aria compressa accumulasse energia per poi rilasciarla.  

Fino ad ora gli accumulatori ad aria compressa non hanno avuto molto successo, perché presentano uno svantaggio: “Sono meno efficienti e hanno requisiti elevati”, spiega Gil Bardají.

La spesa energetica complessiva è molto alta, il rendimento raggiunge appena il 40%. Gli impianti di accumulo per pompaggio sono oggi i sistemi di stoccaggio più utilizzati, con una percentuale di circa l’80%.

Rispetto ad altri accumulatori ad aria compressa il progetto del San Gottardo ha tuttavia un’efficacia relativamente alta. Ciò dipende in particolare dal recupero del calore. L’aria viene compressa in due fasi riscaldandosi fino a 550°C. Questa energia termica non si disperde più in larga parte, bensì viene raccolta in un serbatoio aggiuntivo e riutilizzata dopo la conversione da aria compressa in energia elettrica. Si ottiene così un rendimento fino al 75%.

Il progetto pilota dovrebbe trasformarsi in un impianto commerciale approssimativamente entro la fine del decennio. Fino ad allora occorrerà risolvere una serie di questioni. Secondo gli esperti la tecnologia, in particolare quella dell’accumulo di energia termica, non è ancora matura. Un paese montuoso come la Svizzera, con molte gallerie ermetiche, in futuro potrebbe tuttavia svolgere un ruolo importante nell’accumulo ad aria compressa.


Foto: Frauenhofer ICT 

 

 

ARIA - I NUOVI GIGANTI

Le batterie di flusso redox si presentano a oggi come una soluzione molto promettente per l’accumulo di energia su grandi superfici. La particolarità: mentre le batterie tradizionali, nelle auto o negli smartphone, sono unità chiuse con una capacità di accumulo definita, nelle batterie di flusso redox la capacità dipende unicamente dalla quantità di liquido. Che si tratti di un litro o di 100.000 litri, più grandi sono i serbatoi e più energia le batterie sono in grado di assorbire. Sono pertanto interessanti come soluzione industriale.  

Nelle batterie di flusso redox (red per riduzione = acquisizione di elettroni, ox per ossidazione = cessione di elettroni) vengono utilizzati elettroliti fluidi che si muovono in due circuiti indipendenti l’uno dall’altro. Gli elettroliti sono soluzioni contenenti ioni mobili, ovvero in grado di condurre corrente. Durante la carica gli ioni, in uno dei liquidi, acquisiscono elettroni, gli ioni, nell’altro liquido, li cedono. Quando le batterie devono fornire corrente la reazione avviene in senso inverso. Un progetto esemplificativo in corso nella Pfinztal presso Karlsruhe mostra il potenziale di questa tecnologia: una pala eolica da 2 megawatt fornisce energia all’area del Fraunhofer Institut. Quando vi è poco vento, l’enorme batteria alloggiata in un padiglione costruito appositamente, fornisce la corrente a tutti gli edifici collegati – è come se rifornisse una cittadina di 4.000 abitanti.  

La loro flessibilità rende le batterie di flusso redox adatte anche all’impiego in regioni che non possono essere collegate in modo affidabile alla rete elettrica. Nella Pfinztal i ricercatori stanno studiando la possibilità di alimentare in modo affidabile villaggi, piccole città e aziende con le batterie di flusso redox. “Un punto a favore del sistema è che può essere utilizzato in particolare come accumulatore a medio e lungo termine”, afferma Gil Bardají. “Al momento vi è ancora tanto lavoro da fare, ma le batterie hanno un rendimento di oltre il 75% rispetto all’intero sistema e una lunga durata.”