Che cos'è lo stoccaggio dell'energia?

La capacità di immagazzinare energia può facilitare l'integrazione dell'energia pulita e  dell'energia rinnovabile nelle reti elettriche e nell'uso quotidiano. Ad esempio, l'accumulo di elettricità attraverso le batterie alimenta i veicoli elettrici, mentre i sistemi di accumulo su larga scala aiutano le aziende di servizi pubblici a soddisfare la domanda di elettricità nei periodi in cui le risorse di energia rinnovabile non producono energia.

La diffusione delle energie rinnovabili, resa possibile dall'accumulo di energia, può soppiantare alcune produzioni di energia basate sui combustibili fossili e ridurre gli impatti ambientali. Questo progresso può aiutare i Paesi a raggiungere i loro obiettivi net zero.

La batteria, una delle invenzioni più famose progettate per immagazzinare elettricità, risale al 1800. Il fisico italiano Alessandro Volta utilizzò una pila di dischi di nichel, dischi di zinco e strati intermedi imbevuti di acqua salata per fornire corrente elettrica. Circa 60 anni dopo, il fisico francese Gaston Planté inventò una batteria ricaricabile che utilizzava piombo e acido solforico, nota come batteria al piombo. 

Poi, all'inizio del XIX secolo, l'inventore americano Thomas Edison creò un diverso tipo di batteria ricaricabile, che utilizzava nichel e ferro. In seguito, nel 1957, l'ingegnere chimico canadese Lewis Urry sviluppò il prototipo per la moderna batteria alcalina, dopo aver studiato l'uso dello zinco da parte di Edison.

Altre due forme di stoccaggio dell'energia utilizzate da tempo sono rappresentate dall'accumulo idroelettrico con pompaggio e dall'accumulo di energia termica. L'accumulo idroelettrico con pompaggio, una tipologia che immagazzina energia idroelettrica, veniva già utilizzato nel 1890 in Italia e Svizzera prima di diffondersi in tutto il mondo.

L'accumulo di energia termica (TES) era in uso nelle ghiacciaie progettate per la conservazione degli alimenti all'inizio del XIX secolo. I moderni sistemi TES hanno contribuito a riscaldare e raffreddare gli edifici sin dall'inizio del XX secolo.

La capacità di generazione di energia elettrica nei sistemi di accumulo di energia può essere misurata in due modi:

1. .
2. Capacità di potenza: corrisponde alla quantità massima di elettricità generata continuamente, è misurata in watt, come kilowatt (kW), megawatt (MW) e gigawatt (GW).
   
   
3. .
4. La capacità energetica, ovvero la quantità totale di energia immagazzinata, è misurata in wattora, come kilowattora (kWh), megawattora (MWh) e gigawattora (GWh).

I sistemi di accumulo dell'energia elettrica (ESS) supportano comunemente le reti elettriche. I tipi di sistemi di accumulo di energia includono:

• .
• Accumulo idroelettrico con pompaggio
• Sistemi di accumulo di energia a batteria
• Volani
• Accumulo dell'energia ad aria compressa
• Accumulo di energia termica
• Stoccaggio dell'idrogeno
• Supercondensatori

L'accumulo idroelettrico con pompaggio, noto anche come energia idroelettrica con pompaggio, può essere paragonato a una batteria gigante composta da due serbatoi d'acqua di diversa altezza. La cosiddetta batteria "si carica" quando l'energia viene utilizzata per pompare l'acqua da un serbatoio inferiore a uno più alto.

Il sistema di accumulo dell'energia "rilascia" energia quando l'acqua, trainata dalla gravità, viene rilasciata nuovamente nel serbatoio a bassa quota e attraversa una turbina lungo il percorso. Il movimento dell'acqua attraverso la turbina genera energia che viene immessa nei sistemi di rete elettrica.

Secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia, l'accumulo idroelettrico a pompaggio è la tecnologia di immagazzinamento dell'energia più diffusa in tutto il mondo, rappresentando il 90% dell'accumulo globale di energia nel 2020.¹ Da maggio 2023, la Cina è leader mondiale nella capacità operativa di pompaggio con 50 gigawatt (GW), ovvero il 30% della capacità globale.²

Un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) è un sistema di accumulo elettrochimico che consente di immagazzinare l'elettricità come energia chimica e di rilasciarla quando è necessaria. I tipi comuni includono batterie al piombo e agli ioni di litio, mentre le tecnologie più recenti includono batterie allo stato solido o di flusso.

Le batterie agli ioni di litio attualmente detengono la leadership nel mercato degli accumulatori "grid-scale". Nel 2023, il più grande impianto di accumulo di batterie agli ioni di litio al mondo si trovava nella contea di Monterrey, in California, con una capacità di 550 megawatt.³ Le batterie agli ioni di litio sono utilizzate anche nei veicoli elettrici.

Si prevede che le soluzioni di accumulo a batteria supereranno l'accumulo idroelettrico con pompaggio in termini di share nei prossimi anni, poiché i Paesi di tutto il mondo investono maggiormente in soluzioni di accumulo "grid-scale". Negli Stati Uniti, ad esempio, si prevede che la capacità delle batterie installate raddoppierà nel 2024, con la maggior parte delle nuove installazioni BESS in Texas e California.⁴

Sebbene gran parte degli investimenti BESS mondiali avvengano in grandi economie avanzate, i paesi in via di sviluppo ricevono assistenza per gli impianti di accumulo a batteria attraverso programmi come il World Bank’s Energy Storage Partnership.

Un volano è un dispositivo meccanico di accumulo di energia in cui una ruota rotante memorizza energia cinetica. L'elettricità viene utilizzata per "caricare" la ruota facendola girare ad alta velocità, mentre la rotazione della ruota a velocità costante immagazzina quell'energia.

I sistemi di stoccaggio dell'energia a volano (FESS) sono considerati una tecnologia energetica efficiente, ma possono rilasciare elettricità per periodi di tempo più brevi rispetto ad altri metodi di accumulo. Mentre il Nord America domina attualmente il mercato globale dei volani (grandi sistemi di accumulo di energia a volano si trovano a New York, in Pennsylvania e nell'Ontario), la domanda sta aumentando in Europa.⁵

Questa tecnologia energetica funziona utilizzando l'elettricità per comprimere l'aria e immagazzinarla nel sottosuolo, spesso in caverne. Per generare elettricità, l'aria viene rilasciata e fatta passare attraverso una turbina collegata a un generatore elettrico. Nel mondo sono operativi alcuni impianti di stoccaggio di energia ad aria compressa (CAES), come in Cina, Canada, Germania e Stati Uniti.

L'accumulo di energia termica (TES) si trova nelle centrali elettriche solari termiche che utilizzano sistemi termodinamici a concentrazione (CSP). Tali sistemi utilizzano la luce solare concentrata per riscaldare i fluidi, come l'acqua o il sale fuso. Mentre il vapore del fluido può essere utilizzato per produrre elettricità immediatamente, il fluido può anche essere conservato in serbatoi per un utilizzo successivo.

L'elettricità può essere convertita in idrogeno da immagazzinare tramite il processi di elettrolisi dell'acqua, cioè utilizzando l'elettricità per scindere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno. L'energia viene rilasciata quando l'idrogeno viene utilizzato come combustibile per la generazione di elettricità e per il trasporto. L'accumulo di idrogeno è una tecnologia critica per le celle a combustibile, che generano elettricità attraverso reazioni chimiche.

I supercondensatori sono dispositivi elettrochimici che immagazzinano energia raccogliendo cariche elettriche su elettrodi (conduttori elettrici) riempiti con una soluzione elettrolitica. Possono rilasciare rapidamente l'elettricità e avere lunghi cicli di vita. A volte sono considerati potenziali sostituti delle batterie agli ioni di litio, ma hanno una densità energetica inferiore.⁶

I benefici dei sistemi di accumulo di energia si estendono alle reti elettriche grazie alla loro capacità di compensare le fluttuazioni delle forniture di energia. Un sistema ESS può trattenere l'elettricità in eccesso quando è disponibile, spesso durante i periodi di basso consumo di elettricità, come di notte e al mattino. Quindi, un sistema ESS può contribuire alla fornitura di elettricità nei momenti in cui le fonti di energia primaria non contribuiscono a sufficienza, specialmente durante le ore di picco di consumo energetico, come nel tardo pomeriggio e la sera.

Inoltre, i sistemi ESS di proprietà dei clienti della rete possono fornire energia di riserva di emergenza durante le interruzioni di corrente ed essere integrati nelle microgrid. 

La flessibilità che i sistemi ESS offrono alle reti elettriche può aiutare a integrare l'energia rinnovabile e verde (sia installazioni su scala industriale che risorse energetiche distribuite) nei sistemi energetici precedentemente dipendenti dai combustibili fossili. I progetti di accumulo di energia rinnovabile possono aiutare a stabilizzare il flusso di energia fornendo energia quando le fonti di energia rinnovabile non stanno generando elettricità. Ad esempio, forniscono energia durante la notte per gli impianti di energia solare con celle fotovoltaiche o durante le giornate senza vento quando le turbine eoliche non ruotano.

Al contrario, i sistemi ESS sono utili anche nei casi in cui le fonti di energia rinnovabili producono elettricità in eccesso, ad esempio la generazione di energia solare nei pomeriggi soleggiati o la generazione di energia eolica nelle giornate ventose. Le soluzioni di accumulo di energia rinnovabile assicurano che l'elettricità in eccesso non vada sprecata.

Il supporto che l'accumulo di energia fornisce alle reti elettriche è considerato fondamentale per aiutare i Paesi a passare all'energia pulita e raggiungere un futuro a emissioni net zero. Man mano che i Paesi aumentano il loro uso di energie rinnovabili, possono ridurre la loro dipendenza dai combustibili fossili. Questo cambiamento può diminuire significativamente le loro emissioni di gas serra e aiutarli a raggiungere la sostenibilità nel consumo e nella produzione di energia.

Il periodo di tempo per cui un EES può fornire energia elettrica varia in base al progetto e al tipo di stoccaggio dell'energia. I sistemi di accumulo di energia di breve durata forniscono energia solo per pochi minuti, mentre quelli diurni forniscono energia per ore. L'energia idroelettrica pompata, l'aria compressa e alcuni sistemi di accumulo di energia a batteria forniscono lo stoccaggio diurno, mentre altri sistemi di batterie e volani sono impiegati per lo stoccaggio di breve durata.

I costi energetici elevati e le brevi durate di accumulo possono rappresentare degli ostacoli all'adozione di alcuni sistemi di accumulo di energia, ma i ricercatori stanno lavorando al fine di superare questi limiti. Le innovazioni nelle tecnologie energetiche potrebbero consentire l'utilizzo di sistemi di accumulo di energia elettrica a basso costo in grado di fornire energia per 10 ore o più, il che potrebbe stabilizzare ulteriormente gli alimentatori man mano che più fonti di energia rinnovabili entreranno in funzione.

Lo sviluppo di un tale sistema di accumulo di energia a lunga durata (LDES) ha anche il sostegno dei responsabili politici, con Paesi come Spagna, Regno Unito e Stati Uniti che stanno sviluppando piani per incoraggiare i progetti LDES.