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Accumulo energetico - Prospettive e limiti

Tutti i processi, siano essi naturali o artificiali, sono permeati da flussi energetici. Relativamente alle attività antropiche il consumo di energia è andato costantemente crescendo sia per l’incremento in numero e in complessità, sia per l’espandersi della platea degli individui fruitori. In termini sociali vi è corrispondenza stretta tra i consumi energetici e il miglioramento delle condizioni di vita e tale fatto è palesemente tangibile. Nonostante i sempre esistenti detrattori, la rivoluzione industriale e la società tecnologica hanno portato grandi benefici generalizzati anche se, specialmente per le generazioni che hanno vissuto i momenti iniziali, non sono certo mancati pesanti sacrifici e tuttora, laddove lo sfruttamento dell’uomo sull’uomo manifesta la sua crudezza, sono in molti che non vivono come dovrebbero. La speranza è che, grazie ad un corso illuminato nella conduzione degli affari del pianeta, si possa pervenire ad una più equa distribuzione del benessere, in un futuro non lontano.

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Panorama Energia & Sviluppo 70 LA TERMOTECNICA LUGLIO/AGOSTO 2018 Tutti i processi, siano essi naturali o artificiali, sono permeati da flussi
energetici. Relativamente alle attivit antropiche il consumo di energia
andato costantemente crescendo sia per l'incremento in numero e in
complessit, sia per l'espandersi della platea degli individui fruitori. In
termini sociali vi corrispondenza stretta tra i consumi energetici e il
miglioramento delle condizioni di vita e tale fatto palesemente tangi-
bile. Nonostante i sempre esistenti detrattori, la rivoluzione industriale
e la societ tecnologica hanno portato grandi benefici generalizzati
anche se, specialmente per le generazioni che hanno vissuto i momenti
iniziali, non sono certo mancati pesanti sacrifici e tuttora, laddove lo
sfruttamento dell'uomo sull'uomo manifesta la sua crudezza, sono in
molti che non vivono come dovrebbero. La speranza che, grazie ad
un corso illuminato nella conduzione degli affari del pianeta, si possa
pervenire ad una pi equa distribuzione del benessere, in un futuro
non lontano.
Nel quotidiano, tanto a livello micro che macro, il passare da uno
stato iniziale ad uno finale comporta quasi sempre uno o pi effetti
collaterali indesiderati. Da un punto di vista scientifico, oltre alle leggi
del a termodinamica che governano le trasformazioni energetiche,
pi semplicemente il terzo principio della dinamica che si manifesta,
talvolta in modo chiaro, ma pi spesso in modo indiretto. Nei sistemi
di tipo meccanico palese che 'Ad ogni azione corrisponde una re-
azione uguale e contraria', mentre in sistemi complessi ci ha luogo
attraverso retroazioni in cascata o combinate, con coefficienti non
unitari. Generalmente di segno 'meno' e perci autolimitanti, oppure
a segno 'pi' con effetti moltiplicativi a valanga, se non tendenti, in
sfortunati casi, alla fuga. In quest'ultimo caso, il succitato terzo prin-
cipio non stravolto dal punto di vista del significato, ma la reazione
'contraria' di innesco, anzich smorzarli, amplifica taluni fenomeni
in sistemi correlati. Le conoscenze nei vari campi sono limitate e non
assolute e molti degli aspetti che governano il succedersi degli eventi
non sono perfettamente noti. Le conseguenze si evidenziano sia in
termini quantitativi (si pensi agli sprechi globali, riconducibili alle
ridotte efficienze nei processi, oltretutto ingigantiti da comportamenti
di carattere prevalentemente edonistico), sia in termini qualitativi con
ripercussioni nel medio e lungo termine.
A livello micro, un esempio emblematico di tipo quantitativo rappre-
sentato dal motore endotermico con il suo rendimento teorico intorno
al 40%. Quanto dissipato, nonostante gli sforzi profusi in decine di
lustri, non si riesce proprio a recuperarlo. Da un punto di vista quali-
tativo, il veicolo, spinto dallo stesso motore, sinonimo indissolubile
di libert e di sviluppo ma il rovescio della medaglia appare in mo-
do macro ed evidente nella congestione delle strade, in un pesante contributo all'inquinamento e nel depauperamento dei giacimenti di
carburante. In pi, non difficile associare alle citate manifestazioni
altre retroazioni negative tendenti a limitarne l'uso ed il numero in cir-
colazione (ZTE, tasse, provvedimenti anti diesel oggi, elettrificazione e
car sharing domani'). Ad esponente maggiore, sono le ripercussioni
che il funzionamento complessivo della societ tecnologica porta in
termini di peggioramenti indotti sulla salute, sulle condizioni generali
dell'ambiente, sulla riduzione della biodiversit, sul conurbamento e
relativa proliferazione delle megalopoli e, forse anche, sull'evoluzione
del clima.
Il propulsore del nostro mondo il sole e, infatti, la linfa vitale 'pri-
maria' percentualmente oggi pi importante costituita da 'residui'
fossilizzati dello stesso. Un alto contenuto di carbonio li caratterizza,
seppur in quantit decrescenti, passando dal carbone, al petrolio e al
gas naturale. Il carbonio liberato in atmosfera, dopo essere rimasto
inattivo per milioni di anni, va a contribuire all'effetto serra e perci,
almeno nel a vecchia Europa, si vorrebbe at ingere ad un'energia
'decarbonizzata' che al momento, appare ricavabile oltre che dal
demonizzato nucleare, dalle fonti cosiddette rinnovabili. Esogene,
generate dal sole ma in tempo reale: acqua, vento, fotovoltaico, solare
termico, solare termodinamico e ancora sole, sotto forma di materia-
le organico da allevamenti e colture. Da citare anche una modesta
percentuale endogena di geotermico. Purtroppo le fonti energetiche
rinnovabili (FER) sono discontinue e oltretutto non sono prevedibili
con facilit. Inoltre, accade di frequente che quando la domanda
presente le FER sono insufficienti a soddisfarla o, viceversa, nel mo-
mento di disponibilit portano ad eccessi produttivi, con conseguente
spreco. Per ovviare a tali lacune non di poco conto, un modo che pare
sostenibile tecnicamente ed economicamente rappresentato dall'uso
dell'Accumulo, prendendo esempio dalle formiche e dagli scoiattoli che
ammucchiano cibo quando abbonda e a tali preziose scorte attingono
nei periodi grami. Stesso fenomeno avviene per tutti i viventi, grazie ai
lipidi (negli animali) o ai glucidi (nei vegetali) che si immagazzinano
in loro spontaneamente e, in generale, discretamente, se si escludono
i dromedari e i cammelli. L'Accumulo, di cui si accenna nel seguito,
riguarda l'elettricit che il vettore energetico pi versatile in assoluto.
Ovviamente in materia, l'ingegno ha prodotto forme ben pi tecnologi-
che delle riserve di nocciole e pu realizzarsi in modalit assai differenti
e con interazioni reciproche anche complesse. ACCUMULO IN ENERGIA E ACCUMULO IN POTENZA
Espressa in termini matematici semplici, l'Energia il prodotto di una
Potenza che agisce per un dato Tempo. intuitivo che da un'ipotetica Accumulo energetico
Prospettive e limiti di P. Chiastra Ing. Paolo Chiastra - Commissione Energia - Ordine Ingegneri Milano Energia & Sviluppo 37 LA TERMOTECNICA 71 Panorama LUGLIO/AGOSTO 2018 quantit accumulata, pi lungo il periodo di prelievo, pi limitata
deve essere la potenza disponibile. Viceversa, ad una richiesta di po-
tenza elevata, si riduce in maniera proporzionale l'intervallo di tempo
attivo. Ci detto, quando il serbatoio viene destinato a soddisfare il
primo caso si parla di Accumulo in Energia che, concettualmente,
rappresenta l'utilizzo tipico e pi intuitivo di riserva. Nella seconda
situazione ci si riferisce al cosiddetto Accumulo in Potenza che assume
significato pratico nel far fronte a bisogni energetici di picco oppure
nella regolazione e stabilizzazione dei parametri delle reti di genera-
zione, trasmissione e distribuzione. In generale le due possibilit sono
complementari anche da un punto di vista realizzativo. L'Accumulo in
Energia pu essere destinato a impianti singoli, multipli di piccola o
media taglia, ma anche a grandi impianti. Quello di Potenza sempre
associato ai medi e grandi impianti di generazione o trasmissione. I
sistemi di Storage sono assai vari e dipendono dalla funzione, dalla
grandezza e dal contesto tecnico-ambientale di collocazione. Per
l'Accumulo in Energia si elencano: Pompaggio idraulico in bacini;
CAES (Compressed Air Energy Storage) con sfruttamento di cavit
sotterranee; Accumulatori Elettrochimici modulari di svariato tipo, tra
cui Pb-Acido, Ni-MH, Ni-Cd, Li-Ion, Na-NiCl, Na-S, VRB (Vanadium
Redox Battery). Per completezza si cita anche l'Idrogeno. Per via della
loro struttura fisica, sono destinati soprattutto all'Accumulo in Potenza
i Volani meccanici (Flywheel), i SC (Super Capacitor) e gli SMES (Su-
perconducting Magnetic Energy Storage), non escludendo comunque,
per questo uso, alcune delle tipologie sopra citate di Batterie.
Ogni sistema di Accumulo ha un proprio rendimento 'A che graver
su quello 'G del sistema di generazione a cui viene associato: 't = 'G
x 'A. Le FER, che purtroppo presentano rendimenti inferiori rispetto
ai sistemi convenzionali, non ne guadagnano. Inoltre, generalmente,
il rendimento di un sistema inversamente proporzionale alla sua
dimensione. Per contro, i recenti sviluppi in ambito Reti elettriche Intel-
ligenti (Smart Grid) e l'orientamento verso un complesso generativo di
tipo distribuito, potrebbero rendere vantaggiosi i sistemi di accumulo,
in svariate forme e taglie compatibili con le esigenze.
Tralasciando volutamente l'Idrogeno, i Volani, i SC e gli SMES, l'analisi
economico-finanziaria dei sistemi di accumulo pi 'tradizionali' con
metodo LUEC (Levelised Unit Electricity Cost), fornisce circa 100 '/
MWh per Pompaggio e CAES e 300-1000 '/MWh per gli Accumula-
tori Elettrochimici, a seconda della tecnologia. Giocano senza dubbio
fattori di scala, di materie prime e di tecniche costruttive e si intuisce che gli investimenti potrebbero essere consistenti.
Nella Fig. 1 rappresentato il Diagramma di Ragone che riassume le
prestazioni in termini di Energia specifica (ovvero, quanti kWh un kgp
in grado di immagazzinare) e di Potenza specifica (ovvero, quanto
lo stesso kgp in grado di accumulare in termini di kW) dei vari sistemi
di Accumulo. In sostanza, da esso possibile dedurre a colpo d'occhio
se le tecnologie sono adatte a fornire potenze in intervalli di tempo
limitati oppure lunghi e quanto sia la bont in termini di peso. Ad
esempio, per i volani si osserva che la potenza specifica molto elevata
e la restituzione potr solo avvenire nell'arco di secondi o frazioni di
secondo. Una batteria al piombo invece pi adatta a erogare quanto
immagazzinato in tempi lunghi e tendenzialmente la si far lavorare in
'energia'. In Fig.2 sono mostrate in famiglie i tipi di batterie pi diffuse. L'ACCUMULO ELETTRICO IN ITALIA
A marzo scorso, all'Ordine degli Ingegneri della provincia di Milano
si tenuto un seminario formativo sull'Accumulo elettrico a cui hanno
partecipato in qualit di relatori: l'ing. Edoardo Ghiringhelli di Axo-
power SpA, azienda lombarda di trading, che ha presentato diverse
simulazioni su come l'Accumulo potrebbe porsi in termini ricavi-perdite
in funzione di transazioni a corto termine; l'ing. Paolo Albo di Tecno-
Lario SpA che ha messo in luce i prodotti commercializzati dalla azien-
da appositamente per tale funzione; l'ing. Enrica Micolano di Ricerca
Sistema Energetico - RSE SpA che ha invece illustrato diffusamente le
tecnologie proprie delle batterie elettrochimiche; sempre per RSE, l'ing.
Michele Benini si soffermato sui punti di forza e i limiti dei sistemi di
Accumulo elettrico relativamente al contesto nazionale e agli sviluppi
previsti nei prossimi decenni. Considerata l'importanza dei piani ener-
getici sul Sistema Paese, quanto segue un breve riassunto incentrato
principalmente da quanto esposto dagli ingg. Micolano e Benini.
Gli obiettivi di decarbonizzazione posti all'Italia dalla Commissione
Europea per l'anno 2030 richiedono il raggiungimento di una quota
del 27% di FER rispetto ai consumi finali lordi. RSE, per conto del Mi-
nistero dello Sviluppo Economico, che con il Ministero dell'Ambiente,
coordina la definizione della Strategia Energetica Nazionale (SEN),
ha individuato uno scenario del possibile sistema energetico al 2030
in grado di raggiungere per quell'anno la quota del 28,1% (Fig. 3),
scenario quindi migliorativo rispetto al target richiesto, usato poi co- FIGURA 1 - Diagramma di Ragone. Concessione RSE SpA FIGURA 2 - Accumulatori elettrochimici.
Concessione RSE SpA
Panorama Energia & Sviluppo 72 LA TERMOTECNICA LUGLIO/AGOSTO 2018 me base da cui dedurre una proiezione al 2050. Riguardo alle fonti
rinnovabili elettriche, esse dovrebbero arrivare a soddisfare il 55% dei
consumi finali. La Fig. 3 mostra come potrebbe presentarsi al 2030 lo
scenario FER, mentre in Fig. 4 si ha la proiezione relativa alle diverse
fonti energetiche. SINTESI DELLE PRINCIPALI PROBLEMATICHE
La situazione futura non appare priva di ostacoli che gi oggi sono
presenti pur con generazioni da FER relativamente contenute. In
particolare, i limiti sono rappresentati da: - Difficolt di previsione dei flussi. L'errore sulla previsione della pro- duzione da FER non programmabili di un ordine di grandezza
superiore all'errore della previsione del carico. - Assenza di monitoraggio delle FER in tempo reale sulle reti MT/BT. - Difficolt crescente di prevedere i flussi sulle cabine primarie tra rete di trasmissione e rete di distribuzione, oltre alla difficolt di
conoscere la generazione complessiva. - Reti di distribuzione da passive ad attive. Lo sviluppo della gene- razione, prevalentemente fotovoltaica, sulle reti di distribuzione
progettate per un esercizio passivo, le trasforma in reti attive tanto
che sempre pi spesso, nelle sezioni AT/MT, si verifica inversione
di flusso da MT verso AT. - Riduzione capacit regolante / inerzia. La penetrazione delle FER (e la recente diminuzione della domanda) riduce sia lo spazio 'di manovra' da parte delle unit di produzione termoelettriche ed
idroelettriche in grado di fornire regolazione primaria e seconda-
ria, sia le masse rotanti in giri e quindi, di conseguenza, l'inerzia
del sistema. Questo implica, in caso di guasto ad un'unit di
produzione con relativo deficit improvviso di generazione, che la
frequenza deriva pi velocemente verso il black-out. - Overgeneration - Congestioni - Mancata Produzione Eolica. In giorni di bassa domanda e di alta produzione di FER, es. festivi
estivi, pu aversi un eccesso di generazione (Fig.5), tenuto conto
anche dei minimi tecnici degli impianti termoelettrici da man-
tenere in servizio per garantire sufficiente capacit regolante /
inerzia. Ci comporta la necessit di tagliare le importazioni e, al
limite, di ricorrere da parte di TERNA (Allegato A72 del Codice
di Rete) alla riduzione selettiva della generazione distribuita. In
altri termini, gli impianti di generazione vengono assoggettati ad
Ordini di dispacciamento, con possibilit di ridurre la quantit di
energia messa in rete. Quella non dispacciata viene comunque
remunerata, quindi ha un costo. - Qualit della tensione sulla rete primaria. In condizioni di basso carico ed elevata produzione da FER, sulle reti AT, MT e BT, il
carico netto visto dalle linee AAT si riduce, determinando valori di
tensione sopra la norma. La domanda a cui si deve dare risposta, se gi oggi tali problemati-
che cominciano a farsi sentire in modo sensibile, sul come si potr
farvi fronte, quando gli scenari futuri saranno caratterizzati da un
rilevante incremento delle FER non programmabili e di Generazione
Distribuita. Diventeranno fondamentali: - una maggior flessibilizzazione della generazione convenzionale e della domanda; - lo sviluppo, appunto, di Sistemi di Accumulo, in particolare di quelli distribuiti; - la partecipazione di generatori, Sistemi di Accumulo e carichi di ogni tipo e taglia alla fornitura di servizi per l'esercizio in sicu-
rezza del sistema; - la trasformazione ed evoluzione delle reti elettriche in un'ottica Smart Grid. FIGURA 3 - Fonti rinnovabili elettriche al 2030
FIGURA 4 - SEN - Produzione nazionale
di energia elettrica
FIGURA 5 - Surplus nelle ore centrali
e consumi ore serali
Energia & Sviluppo 37 LA TERMOTECNICA 73 Panorama LUGLIO/AGOSTO 2018 I SISTEMI DI ACCUMULO NELLO SCENARIO SEN Scenari di Sistemi di Accumulo misti a Batterie - Pompaggio
TERNA stima necessari 5 GW aggiuntivi di Sistemi di Accumulo nello
scenario SEN, localizzati soprattutto nel Centro Sud e Isole. RSE ha
realizzato uno studio valutando gli effetti di 3 diversi livelli di pene-
trazione (da 1,5 a 5 GW) e con diverse composizioni miste batterie
pompaggi (Fig.6 - Fig.7). Sistemi di Accumulo 'Vehicle to Grid ' (V2G)'
Un'ulteriore possibilit di Accumulo potrebbe ricavarsi dalla sinergia tra
rete elettrica e batterie presenti a bordo dei Veicoli Elettrici. Questi infat-
ti, quando parcheggiati e connessi alle colonnine di ricarica (prelievo)
potrebbero rappresentare una fonte da cui assorbire una certa quantit
di energia, remunerando il proprietario del veicolo che si rendesse di-
sponibile. Si parla in tal caso di servizi di tipo 'Vehicle to Grid ' (V2G)'.
ENEL, ad esempio (Fig. 8), ha sviluppato e testato un'applicazione pilota
in Danimarca con Furgoni Nissan e-NV200 e colonnine bidirezionali di
sua progettazione. Fornitura di regolazione primaria: banda di 10 kW per
veicolo. Sul mercato centro-europeo le aste settimanali per la regolazione
primaria chiudono attualmente a circa 1700 '/MW x settimana e tali
prezzi potrebbero fornire un ricavo annuo per veicolo di circa 900 '. Va
specificato, che per preservare la vita della batteria questa non verrebbe
sottoposta a cicli completi di scarica (e quindi di successiva ricarica). Evoluzione costi batterie per trazione elettrica
Relativamente ai prezzi di mercato, le prospettive sono estremamente
ottimistiche' infatti, le prestazioni delle tecnologie innovative hanno avuto
una rapida crescita negli ultimi anni e sono ancora in fase di miglioramen-
to. anche probabile che i limiti prestazionali possano essere superati nel
medio termine o addirittura aggirati tramite una opportuna gestione delle batterie stesse, rimanendo perci l'obiettivo sostanziale la sola riduzione
del prezzo. A titolo di esempio, si riportano alcune analisi di mercato in
merito (da tenere in conto con le dovute cautele) che sembrano confermare
quanto affermato: -Citi Research: costi batterie al litio calati di 10 volte in 16 anni
-BNEF: tra 2010 e 2014 riduzione dei costi del 21,6% per ogni raddoppio dei volumi di produzione -BNEF: dal 2010 al 2017 costi da 1000 a 162 $/kWh; attesi 73 $/kWh al 2030 -TESLA: costi gi sotto 190 $/kWh da inizio 2016; ulteriore riduzione del 30% attesa dall'entrata in servizio della Gigafactory -Chevrolet: il costo di sostituzione della batteria da 60 kWh della Bolt di 260 $/kWh per il cliente finale -Department of Energy USA: costi sotto 200 $/kWh nel 2020 e a 100 $/kWh nel 2025 -McKinsey: costi 2016 a 227 $/kWh, sotto 190 $/kWh nel 2020 e sotto 100 $/kWh nel 2030 -Goldman Sachs: costi in calo del 63% tra 2015 e 2020 fino al valore di 175 $/kWh CONCLUSIONI
Con la generazione elettrica da Fonti Energetiche Rinnovabili distribuite e
non programmabili e la riduzione delle centrali tradizionali, la rete elettrica
nel suo complesso potrebbe venire sottoposta ad una generale instabilit
con probabile peggioramento della qualit dei parametri e con il mani-
festarsi di fenomeni negativi che potrebbero portare a diffusi fenomeni di
black out. La domanda di energia elettrica negli ultimi decenni andata
fortemente modificandosi sia per la marcata deindustrializzazione sia per
l'aumento dei consumi nelle ore serali. Nel contempo, per contenere la
richiesta energetica, l'Unione Europea, richiede di aumentare l'efficienza
e, contestualmente, scegliendo la via della decarbonizzazione, impone ai
paesi appartenenti di incrementare proprio l'uso delle Fonti Rinnovabili.
Gli scenari al 2030 per il nostro Paese, qui concisamente esposti, appaiono
in linea con l'invito della UE e sembrano percorribili utilizzando tecnologie
di Accumulo, a sostegno sia della regolazione della rete elettrica sia della
sua stabilizzazione. Un contributo ulteriore potrebbe anche derivare dagli
accumulatori presenti nei veicoli elettrici se la loro diffusione diventer
numericamente elevata, se i punti di ricarica avranno caratteristica di bi-
direzionalit e se vi sar un'accettazione del servizio da parte degli utenti,
ricordando che, a proposito di singola propriet, gli scenari potrebbero nel
tempo mutare verso forme di condivisione sempre pi marcate. BIBLIOGRAFIA -I sistemi di accumulo elettrochimico. AA.VV. Quaderni Ricerca Sistema Elettrico - RSE SpA. 2017 -I sistemi di accumulo nel settore elet rico. AA.VV. Quaderni Ricerca Sistema Elettrico - RSE SpA. 03-2015 -Riflessioni sull'Accumulo di energia. Paolo Chiastra. La Termotecnica maggio 2016 FIGURA 6 - Ipotesi di Accumulo misto
Pompaggio - Batterie
FIGURA 7 - I Sistemi di Accumulo nello
scenario SEN di energia elettrica
FIGURA 8 - Esempio
di applicazione V2G


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