Tempi di risposta e capacità di stoccaggio dei sistemi di accumulo energetico per le fonti rinnovabili


I dispositivi di accumulo energetico trovano da sempre impiego a supporto dei sistemi di generazione di potenza elettrica, ma in maniera relativamente marginale, tanto che si può affermare che attualmente solo il 2.5% circa dell’energia elettrica mondiale è stoccata prima del suo effettivo utilizzo. In un futuro prossimo, tuttavia, con il progressivo diffondersi di sistemi di generazione distribuita, il ruolo dei sistemi di stoccaggio energetico potrebbe diventare di fondamentale importanza per la costituzione di una Smart Grid stabile ed efficiente. La produzione di grandi quantitativi di energia intermittente e indipendente dalle effettive richieste di carico della rete (come quella proveniente ad esempio da Fonti Energetiche Rinnovabili – FER), renderà infatti necessario un massiccio impiego di sistemi di accumulo energetico in grado di sopportare un elevato numero di cicli di carica-scarica a diversi gradi di profondità.  Ciascun sistema di accumulo energetico dovrà inoltre avere tempi di risposta e capacità di stoccaggio idonei a soddisfare le richieste provenienti sia dal sistema di generazione elettrica che dalla rete ad esso collegato. A tale riguardo si possono distinguere tre classi di tecnologie:

  • Tecnologie Power Quality: servono a sopperire alle variazioni/interruzioni di elettricità entro frazioni di secondo
  • Tecnologie Bridging Power: sono in grado di accumulare l’energia elettrica da utilizzare nell’arco di secondi o minuti per assicurare la continuità della potenza elettrica mentre si passa da un generatore all’altro
  • Tecnologie Energy Management: consentono di gestire la fornitura elettrica in funzione della domanda di mercato e di erogarla per intervalli di tempo prolungati (dell’ordine delle ore); servono inoltre a livellare il carico (load levelling), smorzare i picchi di domanda (peak shaving) e assicurare la continuità del servizio.

Nel settore degli accumulatori voltaici (o batterie elettrochimiche) si trovano diversi esempi di sistemi impiegabili sia per l’Energy Management che per il Bridging Power per l’accumulo energetico da FER:

  • gli accumulatori a piombo acido (sia aperti che ermetici al piombo-gel), molto diffusi e con elevato rapporto qualità/prezzo
  • gli accumulatori al nichel-cadmio (Ni-Cd), meno diffusi a causa dei costi elevati, ma con grandi vantaggi in termini di prestazioni e durata nel tempo
  • in misura minore gli accumulatori Nichel-idruri (Ni-MH) e, per specifiche applicazioni, quelli agli Ioni di Litio (Li-Ion), particolarmente idonei alla salvaguardia della qualità dell’energia erogata (Power Quality).

Anche le batterie a elettrolita fluido sembrano avere interessanti prospettive nel settore delle energie rinnovabili, in quanto sono in grado di immagazzinare un notevole quantitativo di energia semplicemente aumentando la quantità di elettrolita nel serbatoio. In questo modo è possibile disaccoppiare potenza ed energia, così da rispondere rapidamente ad eventuali cambiamenti di carico sulla rete. Le tecnologie più promettenti sono le seguenti:

  • Batterie Vanadio-redox (VRB): funzionano a basse temperature, non contengono metalli pesanti quali piombo, nichel, zinco, cadmio, e hanno rendimenti superiori all’80%
  • Batterie Poli-Solfuro Bromuro (PSB): consentono realizzazioni in grado di erogare circa un centinaio di MWh con potenze della decina di MW e rendimenti del 75%
  • Batterie Zinco-Bromo (Zn-Br): sono modulari e con efficienza dichiarata del 75%.

Sul fronte degli accumulatori meccanici, i sistemi a volano sembrano rappresentare una valida alternativa alle batterie in tutte quelle applicazioni Power Quality in cui sia necessario regolare sia la potenza che la frequenza. Essi presentano infatti alta densità energetica, alta efficienza, bassissime perdite termiche, assenza di componenti chimici pericolosi, elevata durata, semplice manutenzione e bassi tempi di ricarica. Sempre tra i dispositivi di natura meccanica, sono da segnalare i sistemi di accumulo energetico ad aria compressa (CAES), che si configurano come promettenti soluzioni per l’Energy Management e possono essere efficacemente abbinati sia a sistemi a volano che agli impianti per la produzione di aria compressa comunemente utilizzati nei processi industriali .

Per quanto riguarda il settore degli accumulatori elettrici, anche i supercapacitori possono essere idonei a sostituire o a supportare le batterie in diverse applicazioni Power Quality, specialmente quando si richiede il livellamento del carico. Questi dispositivi possono essere caricati e scaricati a correnti molto elevate, e per questa ragione sono sempre più utilizzati nei cosiddetti freni rigenerativi. Il principale vantaggio dei supercapacitori è l’elevata potenza specifica, a cui però va contrapposta una scarsa capacità energetica. Infine sono da citare i sistemi di accumulo d’energia magnetica a superconduttori (SMES), i quali presentano due vantaggi fondamentali sempre nel campo della Power Quality: un tempo di risposta decisamente più breve rispetto a qualsiasi altra tecnologia e un’elevata potenza istantanea (fino a 3MW). Gli SMES sono inoltre caratterizzati dalla sicurezza intrinseca e dalla manutenzione estremamente ridotta, con una vita utile indipendente dal numero di cicli di carica e dalla profondità di scarica, il che li rende particolarmente idonei ad applicazioni di accumulo energetico da FER. A testimonianza della reale efficacia di questa tecnologia, si registra già oggi un consistente impiego di macchine sincrone composte da SMES collegati ad aerogeneratori, anche nel caso di impianti eolici di grandi dimensioni.

Immagine: Flickr

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