Alternative non chimiche alle batterie per la transizione energetica

Le batterie sono la soluzione giusta?

The preferred approach to remove fossil fuels from industrialized economies has been electrification. The goal is to replace ICE (Internal Combustion Engine) vehicles with EVs (Electric Vehicles) and produce heat with heat pumps instead of combustion. It is something we investigated in detail in our article “The Future of Mobility – Battery Tech”.

L’approccio preferito per eliminare i combustibili fossili dalle economie industrializzate è stato l’elettrificazione. L’obiettivo è sostituire i veicoli a motore a combustione interna (ICE) con veicoli elettrici (EV) e produrre calore con pompe di calore invece della combustione. È qualcosa che abbiamo approfondito nel nostro articolo “The Future of Mobility – Battery Tech“.

Il problema è che, per rendere questo cambiamento davvero ‘verde’, l’elettricità deve provenire da fonti rinnovabili o sostenibili – che, a seconda di chi si chiede, possono includere il nucleare.

In entrambi i casi, le variazioni della domanda di elettricità durante il giorno e le stagioni significano che sarebbe necessario costruire molta capacità di riserva che rimarrebbe inattiva per la maggior parte del tempo. Questo è particolarmente vero per le rinnovabili, poiché il solare è poco efficiente in inverni freddi e nuvolosi, e il vento può smettere di soffiare per settimane.

Quindi c’è un urgente bisogno di stoccaggio energetico a lungo termine. Una soluzione può essere rappresentata dalle batterie su scala di utilità, sfruttando nuove chimiche che offrono costi più bassi o altri vantaggi. È qualcosa che abbiamo approfondito nel nostro articolo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“. Un’altra opzione è produrre una forma di combustibile liquido che può essere immagazzinato fino al momento del bisogno, ad esempio idrogeno liquido o ammoniaca liquida, come dettagliato nei nostri articoli “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” e “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?”.

Ma se il modo corretto per immagazzinare energia per giorni, settimane, mesi o addirittura anni non fossero le batterie? In questo articolo esamineremo tutte le opzioni non chimiche per lo stoccaggio dell’energia.

Aria compressa

I vantaggi dell’aria compressa

Compressing air requires a lot of energy. This same energy can be partially collected back when decompressing the stored air.

Un vantaggio chiave di questa tecnica è che utilizza solo componenti meccanici come tubi, pompe e serbatoi, che richiedono solo materiali semplici come l’acciaio, invece di materiali rari come terre rare, cobalto, litio, ecc. Potrebbe anche basarsi su un serbatoio di gas naturale esaurito, fornendo un “serbatoio” assolutamente enorme a costi molto bassi. E, naturalmente, l’aria è una risorsa completamente gratuita e disponibile ovunque.

Fonte: Electricity Forum

Un altro vantaggio è che la compressione dell’aria è una tecnologia ben compresa, con una catena di approvvigionamento molto consolidata, che potrebbe essere pronta per una rapida scalabilità se necessario. È anche un sistema che può immagazzinare energia per molto tempo con perdite minime o nulle.

Gli svantaggi dell’aria compressa

Un problema chiave per rendere efficiente l’aria compressa è un fenomeno fisico che si verifica quando si comprime qualsiasi gas. Durante la compressione si genera calore. Questo calore deve generalmente essere dissipato per evitare danni al sistema di compressione, traducendosi in energia persa. L’aria si raffredda anche durante la decompressione, richiedendo spesso sistemi di riscaldamento.

Il 30‑40% dell’energia può andare perso a causa di ciò. Può essere ancora peggiore per i progetti meno efficienti. Finora la migliore efficienza su larga scala è stata raggiunta in Cina con perdite del 30%, nell’impianto da 400 MWh Zhangjiakou progettato dall’Accademia cinese delle scienze.

Quindi, sebbene l’aria compressa possa essere un’opzione accettabile per lo stoccaggio a basso costo a lungo termine tra le stagioni, le inevitabili perdite di energia superiori al 30% penalizzano l’economia del sistema. Solo se il calore prodotto durante la compressione potesse essere riciclato in un altro processo questi sistemi potrebbero diventare veramente efficienti.

Batterie gravitazionali

In fisica, qualsiasi oggetto che sale è considerato come acquisire un livello più alto di “energia potenziale”. Questa energia si manifesta come movimento verso il basso non appena l’oggetto è lasciato scendere. Da questo fatto è nata l’idea di utilizzare la gravità per immagazzinare energia.

Idroelettrico pompato

Questa è la forma più comunemente usata di stoccaggio energetico su scala di utilità oggi, rappresentando il 90% della capacità globale di stoccaggio di rete nel 2020, secondo il Department of Energy Global Energy Storage Database.

La generazione idroelettrica utilizza l’energia potenziale dell’acqua derivante dalle precipitazioni, la immagazzina dietro le dighe e la rilascia per produrre energia. L’idroelettrico pompato utilizza elettricità per pompare nuovamente l’acqua verso l’alto della centrale idroelettrica.

Il serbatoio di stoccaggio può anche essere costruito esclusivamente per lo scopo di accumulo pompa, richiedendo solo un paesaggio collinare rispetto a una grande diga idroelettrica che spesso richiede terreni montuosi. In alternativa, può essere utilizzato anche un serbatoio sotterraneo.

Fonte: Energy.gov

Le perdite energetiche sono generalmente nell’intervallo del 20‑30%. Lo stoccaggio può durare diversi mesi con perdite limitate, almeno in regioni non troppo calde. Il requisito di capitale può essere piuttosto elevato, ma le installazioni di idroelettrico pompato sono anche estremamente durature.

Un’idea intrigante, solo discussa ma mai testata su larga scala, è utilizzare l’elettrolisi per trasformare l’acqua a bassa quota in idrogeno. Questo idrogeno, più leggero dell’aria, viene poi convogliato verso l’alto “senza energia”. Viene quindi riconvertito in acqua (restituendo parte dell’energia consumata dall’elettrolisi). Quest’acqua produce nuovamente energia mentre scende attraverso una turbina idroelettrica.

Sebbene potenzialmente con un’efficienza complessiva molto migliore rispetto all’idroelettrico pompato, le dimensioni degli elettrolizzatori richiesti potrebbero rendere il sistema ancora piuttosto costoso.

Stoccaggio di energia in cemento/roccia

L’acqua non è l’unica cosa che può essere immagazzinata per accumulare energia con la gravità. Rocce, blocchi di cemento e altri oggetti ultra-pesanti possono essere utilizzati altrettanto.

In questo caso, la tecnologia richiesta è ancora più semplice rispetto all’idroelettrico pompato, poiché si basa principalmente su gru e alternatori per immagazzinare l’energia e restituirla. Anche le gru e le rocce non sono materiali davvero rari.

Il grande vantaggio di questi sistemi è la loro efficienza. La maggior parte dell’energia persa nell’idroelettrico pompato proviene dalla turbolenza dell’acqua, riducendo l’efficienza della pompa. Al contrario, gru e cavi possono avere perdite basse al 15% (un quarto in meno rispetto all’idroelettrico pompato).

Attualmente, le aziende Gravitricity  e Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) stanno promuovendo questi concetti.

Gravitricity ricicla pozzi di miniere abbandonate per accedere a pozzi già realizzati e facili da gestire di diverse centinaia di metri di profondità per immagazzinare energia con il suo sistema GraviStore.

Energy Vault, invece, punta a costruzioni dedicate, con blocchi che salgono e scendono a seconda della domanda energetica.

Con centinaia di migliaia di siti minerari in tutto il mondo, questo potrebbe avere un potenziale molto più ampio di quanto molti immaginino e beneficiare del fatto che l’infrastruttura esiste già. L’azienda sta valutando una partnership con il gigante industriale svedese ABB per finalizzare lo sviluppo della sua tecnologia, oltre ad accedere al vasto pool di clienti minerari di ABB.

Fonte: ABB

La limitazione dello “stoccaggio energetico solido” con la gravità è che l’energia immagazzinata su pochi decine o centinaia di metri non è molto grande. Un’opzione è semplicemente averne a sufficienza, come centinaia di migliaia di pozzi minerari come Gravitricity, o enormi “magazzini” dedicati come Energy Vault.

Un’altra opzione è avere una profondità molto maggiore. Per questo, i letti sottomarini vicino alla costa sono un’opzione. Una piattaforma galleggiante potrebbe stare sopra tale area, e abbassare o sollevare un peso per diverse migliaia di metri. Questo concetto è chiamato Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Un’azienda che lavora su questo concetto è la startup francese Sink Float Solutions.

Fonte: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions afferma un potenziale di efficienza fino all’80% e costi molto bassi.

“Attualmente, le gru offshore con la più grande capacità di carico possono sollevare masse di 4000 tonnellate, che, a una velocità verticale di 20 km/h, corrisponderebbero a una potenza di 200 MW. Diverse argani nello stesso sito possono essere usati in parallelo.”

L’economia reale di questi sistemi dipenderà molto dalla loro durabilità, con la corrosione da acqua di mare delle parti meccaniche come principale preoccupazione.

Batterie sabbia/termiche

Molta elettricità viene utilizzata per produrre calore, sia per uso industriale sia per mantenere case e appartamenti caldi in inverno. Invece di immagazzinare elettricità come una batteria chimica, una batteria a sabbia mira a immagazzinare direttamente il calore.

L’idea è costruire un grande silo (come quelli usati per i cereali), riempirlo di sabbia e aggiungere isolamento. La sabbia viene poi riscaldata a 400 °C. Poiché la sabbia ha una bassa conducibilità termica e un’alta massa termica, può immagazzinare UN ENORME quantitativo di energia. È anche molto resistente, non subendo danni nemmeno a temperature così elevate.

Fonte: Polar Night Energy

Questo concetto si basa su una tecnologia molto semplice, con tubi standard, pompe d’aria, resistenza elettrica, acciaio e sabbia di bassa qualità che non può essere usata per applicazioni come il cemento.

Il leader di questa tecnologia è l’azienda finlandese Polar Night Energy. È un concetto che funziona particolarmente bene nei paesi nordici con il “teleriscaldamento” preesistente, dove l’acqua calda per i radiatori è prodotta in un luogo centralizzato per centinaia o migliaia di appartamenti. Questo è particolarmente vero in Scandinavia, Germania e nella maggior parte dell’Europa orientale e dei paesi ex-URSS.

Poiché le perdite di energia sono minime, l’energia può essere accumulata durante i lunghi mesi estivi di sole (che possono durare 20‑24 ore al giorno in Finlandia). L’eccesso di produzione fotovoltaica può così essere immagazzinato per mantenere il paese caldo in inverno e ridurre il picco stagionale della domanda di energia indotto dal bisogno di riscaldamento.

Potremmo immaginare ulteriori iterazioni del concetto per riscaldare serre, o basarsi su sistemi solari termici.

Un concetto simile di “batteria termica” è anche in sviluppo da parte di Rondo Energy. Questi mattoni possono essere riscaldati fino a 1500 °C. Grazie alla temperatura più alta, questa applicazione potrebbe essere utilizzabile non solo per il teleriscaldamento, ma anche per applicazioni industriali come la produzione di cemento, metallurgia, chimica o estrazione mineraria.

Fonte: Rondo Energy

Nel frattempo,  l’azienda Stiesdal sta lavorando anche su una batteria termica che utilizza rocce frantumate. La capacità di stoccaggio di rete dovrebbe variare da 10 ore a 10 giorni.

Infine, il gigante produttore di cemento Holcim sta sviluppando una soluzione basata sul cemento, che immagazzina calore quando è secco e lo rilascia quando è idratato. Poiché il ciclo può essere ripetuto all’infinito, dovrebbe avere un costo basso su un periodo di tempo sufficientemente lungo.

Questo è progettato per immagazzinare qualsiasi calore in eccesso in un impianto industriale. Forse potrebbe essere usato come complemento a una stazione compressa, riducendo la perdita dovuta al riscaldamento dell’aria durante la compressione.

Con 300 kW di energia per metro cubo di densità, potrebbe immagazzinare molta potenza con poche migliaia di tonnellate di cemento relativamente economico e abbondante. Rivelato solo nel 2022, il concetto è attualmente in fase di sviluppo.

Volani

Un altro modo per immagazzinare energia è mantenerla sotto forma di movimento meccanico. I volani sono dispositivi che immagazzinano energia facendo ruotare una ruota meccanica in vuoto su un cuscinetto magnetico, a velocità comprese tra 20.000 e 50.000 giri al minuto. Il sistema può immagazzinare o restituire energia accelerando o rallentando il volano.

Il principale vantaggio di questi sistemi è che reagiscono molto rapidamente in pochi millisecondi. Quindi non solo possono immagazzinare energia, ma possono anche aiutare a stabilizzare la frequenza della rete elettrica, cosa più difficile da fare senza enormi centrali elettriche centralizzate come quelle a carbone, gas o nucleari.

Aziende come  Siemens Energy hanno condotto progetti pilota usando volani, come in Australia del Sud (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Altre startup stanno lavorando su questo concetto, come Stornetic, con un sistema previsto per durare almeno 20 anni e 100.000 cicli di carica/scarica.

Fonte: Stornetic

Un’altra azienda è S4 Energy, con 60 MWh operativi o in costruzione, e una pipeline di 1.050 MWh. La reattività del volano può anche rendere alcune operazioni più efficienti quando ci sono picchi di domanda di energia,  come le gru al porto di Rotterdam, dove un volano è usato per recuperare l’energia quando un carico viene abbassato. Il volano dell’azienda, KINEXT, è particolarmente pesante (5 tonnellate) e si muove relativamente lentamente (“solo” 1.800 giri al minuto), rendendolo molto duraturo, con costi operativi bassi e facile da mantenere. Il volano ha solo l’8% di perdite dell’energia immagazzinata, leggermente migliore anche rispetto alle batterie al litio.

Sebbene molto efficiente e reattivo, l’energia totale immagazzinata da un volano è inferiore rispetto ad altre soluzioni per il loro costo, quindi è probabile che rimanga confinata a applicazioni di nicchia e alla stabilità della frequenza della rete.

Solare termico

I pannelli fotovoltaici convertono direttamente i raggi solari in energia. In confronto, una centrale solare termica raccoglie il calore del sole e lo concentra per produrre elettricità. Poiché il calore è più facile da immagazzinare con una certa inerzia, queste stazioni solari possono ancora produrre energia per molte ore dopo il tramonto, proprio quando il consumo di energia è al picco.

Questa idea, che ha perso popolarità di fronte al crescente rendimento dei pannelli fotovoltaici, potrebbe fare un ritorno ora che l’intermittenza delle rinnovabili diventa un problema più grande man mano che diventano una parte più ampia del mix di generazione di energia.

Fonte: Energy.gov

Sebbene promettente, questo concetto è stato storicamente afflitto da costi elevati. Trasportare il calore dal collettore al generatore si è rivelato difficile, con produzione di calore pericoloso e idrogeno di scarto. Un altro design che utilizza sali fusi ha sofferto di perdite e problemi di affidabilità.

È anche problematico per la fauna selvatica, poiché gli uccelli possono essere regolarmente inceneriti dai raggi solari invisibili e molto concentrati.

In futuro, progetti meno massicci e quindi meno ecologicamente invasivi potrebbero riportare l’energia solare concentrata sotto i riflettori.