Negli ultimi 50 anni si è assistito a un continuo aumento del consumo globale di energia elettrica, con un utilizzo stimato di circa 25.300 terawattora nel 2021. Con la transizione verso l’industria 4.0, si registra un aumento della domanda di energia in tutto il mondo. Questi numeri aumentano ogni anno, escludendo il fabbisogno energetico dei settori industriali e di altri settori economici. Questo cambiamento industriale e il consumo elevato di energia sono accompagnati da effetti più tangibili del cambiamento climatico dovuti alle eccessive emissioni di gas serra. Attualmente, la maggior parte degli impianti e delle strutture di produzione di energia fanno molto affidamento su fonti di combustibili fossili (petrolio e gas) per soddisfare tali richieste. Queste preoccupazioni climatiche impediscono la produzione aggiuntiva di energia utilizzando metodi convenzionali. Pertanto, lo sviluppo di sistemi di stoccaggio dell’energia efficienti e affidabili è diventato sempre più importante per garantire una fornitura continua e affidabile di energia da fonti rinnovabili.
Il settore energetico ha risposto spostandosi verso le energie rinnovabili o soluzioni “verdi”. La transizione è stata favorita dal miglioramento delle tecniche di produzione, che hanno portato, ad esempio, a una produzione più efficiente delle pale delle turbine eoliche. Inoltre, i ricercatori sono riusciti a migliorare l’efficienza delle celle fotovoltaiche, portando a una migliore generazione di energia per area di utilizzo. Nel 2021, la produzione di elettricità da fonti solari fotovoltaiche (PV) è aumentata in modo significativo, raggiungendo la cifra record di 179 TWh e rappresentando una crescita del 22% rispetto al 2020. La tecnologia solare fotovoltaica rappresenta ora il 3,6% della produzione globale di elettricità ed è attualmente la terza più grande fonte rinnovabile fonte di energia dopo l’energia idroelettrica ed eolica.
Tuttavia, queste scoperte non risolvono alcuni degli inconvenienti intrinseci dei sistemi di energia rinnovabile, principalmente la disponibilità. La maggior parte di questi metodi non producono energia su richiesta come le centrali elettriche a carbone e petrolio. Le emissioni di energia solare, ad esempio, sono disponibili durante tutto il giorno con variazioni a seconda degli angoli di irradiazione solare e del posizionamento dei pannelli fotovoltaici. Non può produrre energia durante la notte mentre la sua produzione è notevolmente ridotta durante la stagione invernale e nelle giornate molto nuvolose. Anche l'energia eolica soffre di fluttuazioni dipendenti dalla velocità del vento. Pertanto, queste soluzioni devono essere abbinate a sistemi di accumulo dell’energia per sostenere la fornitura di energia durante i periodi di bassa produzione.
Cosa sono i sistemi di accumulo dell’energia?
I sistemi di accumulo dell’energia possono immagazzinare energia per essere utilizzata in una fase successiva. In alcuni casi, ci sarà una forma di conversione energetica tra energia immagazzinata ed energia fornita. L'esempio più comune sono le batterie elettriche come le batterie agli ioni di litio o le batterie al piombo. Forniscono energia elettrica attraverso reazioni chimiche tra gli elettrodi e l'elettrolita.
Le batterie, o BESS (sistema di accumulo dell'energia della batteria), rappresentano il metodo di accumulo dell'energia più comune utilizzato nelle applicazioni della vita quotidiana. Esistono altri sistemi di stoccaggio come le centrali idroelettriche che convertono l'energia potenziale dell'acqua immagazzinata in una diga in energia elettrica. L'acqua che cade farà girare il volano di una turbina che produce energia elettrica. Un altro esempio è il gas compresso, una volta rilasciato il gas farà girare la ruota della turbina producendo energia.
Ciò che distingue le batterie dagli altri metodi di stoccaggio è il loro potenziale ambito di utilizzo. Dai piccoli dispositivi e dall'alimentazione per automobili alle applicazioni domestiche e ai grandi parchi solari, le batterie possono essere integrate perfettamente in qualsiasi applicazione di stoccaggio off-grid. D’altro canto, i metodi dell’energia idroelettrica e dell’aria compressa richiedono infrastrutture di stoccaggio molto grandi e complesse. Ciò porta a costi molto elevati che richiedono applicazioni molto grandi per essere giustificati.
Casi d'uso per sistemi di storage off-grid.
Come accennato in precedenza, i sistemi di accumulo off-grid possono facilitare l’utilizzo e il ricorso a metodi di energia rinnovabile come l’energia solare ed eolica. Tuttavia, ci sono altre applicazioni che possono trarre grandi vantaggi da tali sistemi
Le reti elettriche cittadine mirano a fornire la giusta quantità di energia in base alla domanda e all’offerta di ciascuna città. La potenza richiesta può variare durante il giorno. I sistemi di accumulo off-grid sono stati utilizzati per attenuare le fluttuazioni e fornire maggiore stabilità in caso di picchi di domanda. Da una prospettiva diversa, i sistemi di accumulo fuori rete possono essere molto utili per compensare eventuali guasti tecnici imprevisti nella rete elettrica principale o durante i periodi di manutenzione programmata. Possono soddisfare i requisiti energetici senza dover cercare fonti energetiche alternative. Si può citare ad esempio la tempesta di ghiaccio del Texas all'inizio di febbraio 2023 che ha lasciato circa 262.000 persone senza elettricità, mentre le riparazioni sono state ritardate a causa delle difficili condizioni meteorologiche.
I veicoli elettrici sono un’altra applicazione. I ricercatori hanno profuso molti sforzi per ottimizzare la produzione delle batterie e le strategie di carica/scarica al fine di prolungare la durata e la densità di potenza delle batterie. Le batterie agli ioni di litio sono state in prima linea in questa piccola rivoluzione e sono state ampiamente utilizzate nelle nuove auto elettriche ma anche negli autobus elettrici. Batterie migliori in questo caso possono portare ad un chilometraggio maggiore ma anche a tempi di ricarica ridotti con le giuste tecnologie.
Altri progressi tecnologici come gli UAV e i robot mobili hanno tratto grandi benefici dallo sviluppo delle batterie. Le strategie di movimento e di controllo fanno molto affidamento sulla capacità della batteria e sulla potenza fornita.
Cos'è un BESS
BESS o sistema di accumulo dell'energia della batteria è un sistema di accumulo dell'energia che può essere utilizzato per immagazzinare energia. Questa energia può provenire dalla rete principale o da fonti energetiche rinnovabili come l’energia eolica e l’energia solare. È composto da più batterie disposte in diverse configurazioni (serie/parallelo) e dimensionate in base alle esigenze. Sono collegati a un inverter utilizzato per convertire l'energia CC in alimentazione CA per l'utilizzo. Un sistema di gestione della batteria (BMS) viene utilizzato per monitorare le condizioni della batteria e l'operazione di carica/scarica.
Rispetto ad altri sistemi di accumulo di energia, sono particolarmente flessibili da posizionare/collegare e non richiedono un’infrastruttura molto costosa, ma hanno comunque un costo considerevole e richiedono una manutenzione più regolare in base all’utilizzo.
Dimensionamento BESS e abitudini di utilizzo
Un punto cruciale da affrontare quando si installa un sistema di accumulo dell’energia a batteria è il dimensionamento. Quante batterie sono necessarie? In quale configurazione? In alcuni casi, il tipo di batteria può svolgere un ruolo cruciale a lungo termine in termini di risparmio sui costi ed efficienza
Questo viene fatto caso per caso poiché le applicazioni possono variare dalle piccole famiglie ai grandi impianti industriali.
La fonte di energia rinnovabile più comune per le piccole famiglie, soprattutto nelle aree urbane, è l’energia solare che utilizza pannelli fotovoltaici. L'ingegnere in generale considera il consumo energetico medio della famiglia e valuta l'irradiazione solare durante l'anno per la località specifica. Il numero di batterie e la loro configurazione di rete vengono scelti per soddisfare le richieste domestiche durante la fornitura di energia solare più bassa dell'anno senza scaricare completamente le batterie. Ciò presuppone una soluzione per avere la completa indipendenza energetica dalla rete principale.
Mantenere uno stato di carica relativamente moderato o non scaricare completamente le batterie è qualcosa che all’inizio potrebbe sembrare controintuitivo. Dopotutto, perché utilizzare un sistema di storage se non possiamo sfruttarne tutto il potenziale? In teoria è possibile, ma potrebbe non essere la strategia che massimizza il ritorno sull’investimento.
Uno dei principali svantaggi del BESS è il costo relativamente elevato delle batterie. Pertanto, è essenziale scegliere un’abitudine di utilizzo o una strategia di carica/scarica che massimizzi la durata della batteria. Ad esempio, le batterie al piombo non possono essere scaricate al di sotto del 50% della capacità senza subire danni irreversibili. Le batterie agli ioni di litio hanno una maggiore densità di energia e una lunga durata. Possono anche essere scaricati utilizzando gamme più grandi, ma ciò comporta un costo maggiore. Esiste un'elevata variazione di costo tra i diversi prodotti chimici, le batterie al piombo possono costare da centinaia a migliaia di dollari in meno rispetto a una batteria agli ioni di litio della stessa dimensione. Questo è il motivo per cui le batterie al piombo sono le più utilizzate nelle applicazioni solari nei paesi del terzo mondo e nelle comunità povere.
Le prestazioni della batteria sono fortemente influenzate dal degrado durante la sua vita, non ha prestazioni costanti che terminano con un guasto improvviso. Invece, la capacità e le disponibilità possono progressivamente venire meno. In pratica, la durata della batteria si considera esaurita quando la sua capacità raggiunge l'80% della sua capacità originale. In altre parole, quando si verifica una diminuzione della capacità del 20%. In pratica, ciò significa che è possibile fornire una quantità inferiore di energia. Ciò può influire sui periodi di utilizzo dei sistemi completamente indipendenti e sulla quantità di chilometraggio che un veicolo elettrico può coprire.
Un altro punto da considerare è la sicurezza. Con i progressi nella produzione e nella tecnologia, le batterie recenti sono in generale più stabili dal punto di vista chimico. Tuttavia, a causa del degrado e dei precedenti abusi, le celle possono andare in fuga termica, il che può portare a risultati catastrofici e in alcuni casi mettere in pericolo la vita dei consumatori.
Questo è il motivo per cui le aziende hanno sviluppato migliori software di monitoraggio della batteria (BMS) per controllare l'utilizzo della batteria ma anche monitorarne lo stato di salute per fornire una manutenzione tempestiva ed evitare conseguenze aggravate.
Conclusione
I sistemi di accumulo dell'energia di rete offrono una grande opportunità per raggiungere l'indipendenza energetica dalla rete principale, ma forniscono anche una fonte di energia di riserva durante i periodi di inattività e di picco di carico. Questo sviluppo faciliterebbe il passaggio verso fonti energetiche più verdi, limitando così l’impatto della produzione di energia sul cambiamento climatico pur soddisfacendo il fabbisogno energetico con una crescita costante dei consumi.
I sistemi di accumulo dell'energia tramite batteria sono quelli più comunemente utilizzati e più facili da configurare per le diverse applicazioni quotidiane. Alla loro elevata flessibilità si contrappone un costo relativamente elevato, che porta allo sviluppo di strategie di monitoraggio per prolungare il più possibile la rispettiva durata di vita. Attualmente, l’industria e il mondo accademico si stanno impegnando molto per indagare e comprendere il degrado delle batterie in diverse condizioni.
