Sempre più frequentemente, e per le motivazioni più diverse, si valuta quali possano essere le alternative di stoccaggio dell’energia: vediamo insieme alcuni aspetti.
I sistemi di accumulo dell’energia si suddividono principalmente in quattro categorie: si tratta di quella chimica (idrogeno), elettrochimica (batterie), elettrica (supercapacitori) e meccanica (volani). In questo articolo prenderemo in considerazione le principali soluzioni attualmente in uso.
Pumped storage hydropower
L‘idroelettrico pompato (pumped storage hydropower o PSH), è la tecnologia più vecchia ma ancora molto efficace. Come funziona? Due serbatoi d’acqua posti a quote diverse generano energia mentre l’acqua scende dall’uno all’altro (scarico), passando attraverso una turbina. Il flusso può anche essere invertito pompando l’acqua nel serbatoio superiore (ricarica). PSH funge dunque da accumulatore perché può immagazzinare energia e quindi rilasciarla quando necessario. I primi casi d’uso conosciuti di PSH sono stati trovati in Italia e in Svizzera nel 1890, e il PSH è stato utilizzato per la prima volta negli Stati Uniti nel 1930.
Celle 4680
Le ultime batterie al litio di Tesla, anche conosciute come celle 4680, sono sì promettenti ma non sono ancora realizzate su larga scala. Vantano sei volte la potenza e cinque volte la capacità di quelle già in uso dall’azienda senza modificarne sostanzialmente la chimica di base. Queste nuove celle hanno effettuato un upgrade per la densità energetica per singola cella, riducendo la quantità per pacco batteria; cresce però il diametro (46 millimetri) e l’altezza (80 millimetri). Da quest’anno Tesla ha iniziato a produrre in proprio queste celle e ad equipaggiare le Tesla Model Y prodotte in America: in futuro si prospetta saranno adottate anche nella produzione Tesla in Germania e su altri modelli. Tesla, per ampliare la produzione, si è affidata anche a Panasonic.
CAES
Altra possibilità di accumulo energia è il gas compresso (noto anche con l’acronimo CAES o compressed air energy storage): è a lunga durata e su larga scala, basato su un processo termodinamico che immagazzina in modo efficiente l’energia attraverso una trasformazione termodinamica chiusa. Può essere usata normale aria compressa o andride carbonica. La batteria CO2 può funzionare in modalità di carica (assorbimento di potenza dalla rete) e modalità di scarica (restituzione di potenza alla rete). Quando si opera in modalità di carica, la CO2 viene prelevata da un gasometro atmosferico, il Dome, e compressa in un compressore interrefrigerato. Il calore generato dalla compressione viene immagazzinato in due sistemi di accumulo di energia termica (TES). La CO2 viene quindi condensata e conservata sotto pressione a temperatura ambiente nei contenitori di CO2 liquida. Quando il sistema funziona in modalità di scarico, la CO2 liquida viene evaporata e riscaldata recuperando calore dal TES. Il flusso di CO2 si espande quindi in una turbina riscaldata restituendo energia alla rete e viene immagazzinata nella cupola a temperatura e pressione ambiente senza alcuna dispersione nell’atmosfera.
Meccanica
L’accumulo di energia del volano (FES), invece, funziona accelerando un rotore a una velocità molto elevata e mantenendo l’energia nel sistema come energia di rotazione. Quando l’energia viene estratta dal sistema, la velocità di rotazione del volano viene ridotta in conseguenza del principio di conservazione dell’energia; l’aggiunta di energia al sistema provoca di conseguenza un aumento della velocità del volano. La maggior parte dei sistemi FES utilizza l’elettricità per accelerare e decelerare il volano, ma sono in fase di sviluppo dispositivi che utilizzano direttamente l’energia meccanica. I sistemi FES avanzati hanno rotori realizzati con compositi in fibra di carbonio ad alta resistenza, sospesi da cuscinetti magnetici e che girano a velocità da 20.000 a oltre 50.000 giri/min in un involucro sottovuoto. Tali volani possono entrare in funzione in pochi minuti, raggiungendo la loro capacità di energia molto più rapidamente rispetto ad altre forme di stoccaggio.
Elettrica
I supercondensatori (supercapacitors) sono composti di due elettrodi polarizzabili, un separatore e un elettrolita, dove il campo elettrico è immagazzinato nelle interfacce tra l’elettrolita e gli elettrodi. I supercondensatori si caratterizzano per i rapidissimi tempi con cui possono essere caricati e scaricati, per la grande durata (500.000 cicli di carica-scarica con una durata di vita minima di 10 anni, senza che la capacità si modifichi in funzione del tempo) e per la semplicità e reversibilità dell’immagazzinamento di energia rispetto alle batterie convenzionali. Lo svantaggio è legato invece alla quantità di carica accumulabile, che è limitata, e l’elevata resistenza interna, che causa una progressiva perdita della carica accumulata . Sono attualmente allo studio supercondensatori ai nanotubi di carbonio che hanno una densità di energia e di potenza elevata (rispettivamente 76 Wh/Kg e 506 Wh/Kg), oltre venti volte maggiore rispetto ai supercondensatori tradizionali.
Una batteria di flusso è un tipo di batteria ricaricabile, in cui elettroliti contenenti una o più sostanze elettroattive disciolte fluiscono attraverso una cella elettrochimica che converte l’energia chimica direttamente in energia elettrica. Gli elettroliti sono stoccati esternamente, generalmente in vasche, e vengono pompati attraverso la cella del reattore, dove sono presenti anche sistemi basati sulla forza di gravità. Le batterie di flusso possono essere “ricaricate” rapidamente sostituendo l’elettrolita liquido (come riempire il serbatoio dell’auto con motore a combustione interna) mentre simultaneamente si recupera il materiale esausto per poter essere ri-energizzato.
La colonnina Solar 2.0 by GaraGeeks
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