L'anello mancante nella transizione verso le energie rinnovabili

Il panorama energetico globale sta subendo una profonda trasformazione. Spinte da ambiziosi obiettivi di decarbonizzazione e da una crescente domanda di energia, le fonti rinnovabili, in particolare il solare fotovoltaico e l’eolico, stanno diventando la colonna portante della produzione di energia elettrica. In molti paesi, le energie rinnovabili rappresentano già una quota significativa della capacità di generazione installata, e si prevede che il loro contributo continui ad aumentare nei prossimi decenni.

Questa transizione comporta anche una sfida fondamentale: l’energia rinnovabile è intrinsecamente intermittente. La produzione solare raggiunge il picco durante le ore diurne indipendentemente dalla domanda di elettricità, mentre quella eolica dipende dalle condizioni meteorologiche, che possono variare nel giro di pochi minuti, giorni o addirittura stagioni. Con l’aumentare della penetrazione delle energie rinnovabili, il bilanciamento tra domanda e offerta di elettricità diventa progressivamente più complesso.

Mantenere la stabilità della rete richiede quindi tecnologie in grado di immagazzinare l’elettricità rinnovabile in eccesso quando la produzione supera la domanda e di reimmetterla nella rete ogni volta che la generazione risulta insufficiente. L’accumulo di energia non è più semplicemente un miglioramento operativo; sta diventando una componente infrastrutturale fondamentale del sistema energetico del futuro.

Negli ultimi dieci anni le batterie agli ioni di litio si sono affermate come la tecnologia dominante per l’accumulo di energia. La loro elevata efficienza di ciclo, i tempi di risposta rapidi e i costi in costante calo le hanno rese la soluzione preferita per applicazioni quali la regolazione della frequenza, il livellamento dei picchi di domanda e l’integrazione a breve termine delle energie rinnovabili.

Tuttavia, la tecnologia agli ioni di litio presenta alcuni limiti pratici. La maggior parte dei sistemi commerciali è progettata per fornire da una a quattro ore di scarica, il che li rende altamente efficaci per il bilanciamento quotidiano del carico, ma meno adatti ad affrontare deficit prolungati di energia rinnovabile o eventi meteorologici che si protraggono per più giorni.

Man mano che i sistemi elettrici si orientano verso una penetrazione delle energie rinnovabili superiore al 60%, questi periodi più lunghi di bassa produzione da fonti rinnovabili assumono un’importanza sempre maggiore. La rete richiede tecnologie di accumulo in grado di trasferire l’energia non solo nell’arco di alcune ore, ma di intere giornate o persino settimane.

Questa esigenza emergente ha dato origine al concetto di stoccaggio energetico a lunga durata (LDES), generalmente definito come sistemi di stoccaggio in grado di erogare elettricità in modo continuo per più di otto ore, con molte tecnologie che si estendono a decine o addirittura centinaia di ore.

Anziché sostituire le batterie agli ioni di litio, l’LDES può rappresentare una tecnologia complementare. I sistemi basati sul litio rimangono la soluzione ottimale per le applicazioni a breve durata, mentre l’accumulo a lunga durata fornisce la capacità energetica necessaria per una profonda integrazione delle energie rinnovabili e una maggiore resilienza della rete.

Insieme, queste tecnologie formano un’architettura di accumulo a più livelli in grado di sostenere un sistema elettrico affidabile e a basse emissioni di carbonio, in vista della decarbonizzazione.

Il panorama delle tecnologie LDES comprende un portafoglio diversificato di soluzioni, ciascuna ottimizzata per diverse durate, scale e condizioni operative.

Le tecnologie elettrochimiche, tra cui le batterie a flusso e i sistemi metallo-aria, offrono una capacità energetica scalabile grazie alla separazione tra accumulo di energia e conversione di potenza, consentendo un funzionamento economico della durata di diverse ore o diversi giorni.

La tecnologia più matura in questa categoria è la batteria a flusso redox al vanadio (VRFB). Utilizzando diversi stati di ossidazione del vanadio in entrambi gli elettroliti, le VRFB eliminano i problemi di contaminazione incrociata, offrendo al contempo una lunga durata di ciclo, capacità di scarica profonda ed eccellente sicurezza operativa. Queste caratteristiche le hanno rese una scelta sempre più diffusa per l’integrazione delle energie rinnovabili, il bilanciamento della rete e le applicazioni in micro-reti che richiedono tempi di accumulo compresi tra 6 e 12 ore o più.

Accanto ai sistemi al vanadio, le batterie a flusso al ferro stanno guadagnando terreno come alternativa a basso costo. Il ferro è uno dei metalli più abbondanti ed economici disponibili, il che offre vantaggi significativi in termini di disponibilità di materie prime e sicurezza della catena di approvvigionamento. Sebbene le batterie a flusso al ferro presentino generalmente una densità energetica inferiore rispetto alle VRFB, offrono vantaggi economici convincenti per le applicazioni di accumulo stazionario in cui l’ingombro è meno critico rispetto al costo del ciclo di vita.

Un’altra classe di sistemi di accumulo elettrochimico in rapido sviluppo è costituita dalle batterie metallo-aria, che includono le tecnologie zinco-aria e ferro-aria. Questi sistemi generano elettricità attraverso la reazione elettrochimica tra un anodo metallico e l’ossigeno prelevato direttamente dall’aria ambiente, eliminando la necessità di immagazzinare uno dei reagenti all’interno della batteria stessa. La loro densità energetica teorica eccezionalmente elevata e i materiali attivi a basso costo rendono le batterie metallo-aria particolarmente interessanti per l’accumulo di energia della durata di più giorni e persino di più settimane.

De Nora è in una posizione ideale per sfruttare il proprio ampio portafoglio di tecnologie elettrochimiche a sostegno di questo settore. Forte di decenni di esperienza nel campo degli elettrocatalizzatori, della produzione di elettrodi e dell’ingegneria dei processi elettrochimici, l’azienda sta esplorando soluzioni volte a migliorare le prestazioni, l’efficienza e la durata dei sistemi di accumulo di energia di nuova generazione.

La transizione verso l’elettricità da fonti rinnovabili sta spostando l’attenzione dello stoccaggio energetico dal bilanciamento a breve termine alla resilienza a lungo termine. Sebbene le batterie agli ioni di litio continueranno a dominare le applicazioni che richiedono una risposta rapida e un’autonomia di stoccaggio fino a poche ore, il raggiungimento di sistemi energetici profondamente decarbonizzati richiederà tecnologie complementari in grado di immagazzinare energia per periodi di tempo molto più lunghi.

Al centro dello stoccaggio energetico a lunga durata, i sistemi elettrochimici utilizzano elettrodi, le cui prestazioni determinano in larga misura l’efficienza, la durata e la competitività economica. Gli elettrocatalizzatori avanzati rappresentano una tecnologia abilitante fondamentale, in grado di fornire le prestazioni catalitiche necessarie per accelerare la diffusione dello stoccaggio energetico a lunga durata su scala industriale.