L’accumulo energetico a temperatura ultra-elevata sta prendendo piede

Dieci anni fa, trasformare energia elettrica in calore era un’eresia da evitare. Ora non la è più 

di Nicola Giulietti

Questa è una sintesi all’articolo completo pubblicato sul sito di ASPO Italia.

 

Sono trascorsi oltre 9 anni anni da quando mi fu proposto di studiare, nell’ambito di una borsa di studio offerta da ASPO Italia, la fattibilità dell’accumulo di energia elettrica in forma termica a temperatura superiore a 1000°C.

Dieci anni fa, nell’era dei combustibili fossili non più abbondanti, trasformare energia elettrica in calore era un’eresia da evitare, sia dal punto di vista economico che ambientale, ed i paladini dell’efficienza energetica si accanivano contro gli ultimi boiler elettrici rimasti in circolazione.

Lo scenario energetico di decarbonizzazione ormai alle porte rende la conversione dell’energia elettrica in calore meno controversa, e apre nuove opportunità per l’accumulo termico.

Secondo IRENA (l’agenzia internazionale dell’energia rinnovabile) il prezzo del kWh elettrico prodotto da energia eolica o fotovoltaica risulta ormai più economico di quello prodotto da fonte fossile[1]; ed il trend di riduzione dei costi sembra destinato a proseguire nei prossimi decenni. Permangono però almeno due ostacoli alla decarbonizzazione del sistema energetico: da un lato i costi di accumulo dell’energia elettrica, che è necessario pagare a causa della non programmabilità della generazione solare ed eolica. Dall’altro lato, la necessità di convincere l’Industria mondiale ad impiegare fonti rinnovabili per coprire il proprio fabbisogno termico, pari ad un quarto della domanda energetica globale di energia primaria; tale fabbisogno è attualmente coperto perlopiù dalla combustione di carbone e gas naturale, il cui principale problema non è l’esaurimento, ma la relativa abbondanza.[2]

Fortunatamente il prezzo all’ingrosso dell’energia elettrica scende già oggi sotto quello dell’energia termica in diversi Paesi caratterizzati da un’elevata penetrazione delle fonti rinnovabili. Se nei momenti di sovrapproduzione di energia elettrica rinnovabile questa venisse accumulata dall’Industria in forma termica, con una tecnologia a basso costo, risulterebbe possibile ridurre i costi di gestione del sistema elettrico, da un lato, e rendere più indolore la decarbonizzazione dell’Industria dall’altro (ovvero senza necessità di aumentare il costo di approvvigionamento energetico dell’Industria).

Consumo di energia finale per riscaldamento e raffreddamento nelle industrie dei  paesi UE-28 nel 2015, per sottosettore e livello di temperatura.

 

Nella mia tesi avevo considerato la possibilità di accumulare energia elettrica in forma termica a temperature fino a 1500°C. Al tempo ritenevo promettente soprattutto il recupero dell’energia accumulata attraverso una turbina a gas con cogenerazione. Attualmente ritengo opzionale il ricorso alla turbina a gas, che complica il sistema e ne aumenta i costi: il calore potrebbe essere impiegato direttamente nei processi industriali.

 

Tra le idee più interessanti che avevo analizzato nella tesi, e che meriterebbero di essere approfondite, vi è il sistema a basso costo per la conversione dell’energia elettrica in calore, basato sulla dissipazione per effetto Joule in un letto di carburo di silicio granulare. L’impiego di materiali ceramici granulari per l’accumulo e lo sfruttamento dei transitori termici per ridurre al minimo le perdite di calore e la coibentazione sono altre opzioni che pure consentirebbero una riduzione dei costi.

Schema di funzionamento di un sistema ad accumulo che avevo ipotizzato: il recupero di calore avviene dall’esterno verso l’interno, ed in tal modo la temperatura degli strati esterni rimane sempre compatibile con quella del materiale del vessel di contenimento.

 

Negli ultimi anni l’interesse scientifico per l’accumulo termico a temperatura ultra elevata è notevolmente aumentato e nel 2019 si è tenuto a Madrid il primo Workshop internazionale sull’ ”Ultra High Temperature Thermal Storage”. Almeno due società europee stanno proponendo sul mercato soluzioni per l’accumulo elettrico in forma termica ad alta temperatura: i costi dichiarati sono di di 15-25 €/kWh, credibili alla luce dei risultati che avevo ottenuto nella mia tesi – un costo comparabile con quello di impianti di accumulo idroelettrico di pompaggio[3]. La densità di energia è simile a quella di un accumulatore elettrochimico, come pure avevo calcolato.

In conclusione l’accumulo elettrico in forma termica a temperatura ultra elevata risulta assai promettente nello scenario della decarbonizzazione e benché il concetto alla base della tecnologia sia estremamente semplice, sussistono ancora ampi margini di miglioramento e riduzione dei costi.

Continua a leggere l’articolo completo sul sito di ASPO Italia.

 

Note

[1]https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2019/May/IRENA_Renewable-Power-Generations-Costs-in-2018.pdf

[2]https://www.qualenergia.it/sites/default/files/articolo-doc/nature140161.pdf

[3]I costi dell’idroelettrico di pompaggio sono generalmente compresi nel range 5-100 €/kWh sebbene siano stato recentemente proposte soluzioni con costi molto più bassi per l’accumulo stagionale https://www.nature.com/articles/s41467-020-14555-y

4 risposte a “L’accumulo energetico a temperatura ultra-elevata sta prendendo piede

  1. maneggiare calore a quelle temperature è molto più difficoltoso che immagazzinare energia idroelettrica di pompaggio e poi ci sarà un tessuto industriale adatto nel futuro?

    • Bella domanda. Sarebbe interessante reperire qualche previsione sull’evoluzione futura dei consumi industriali globali. In realtà avevo visto uno studio dell’IEA che stimava un aumento dei consumi industriali elettrici a livello globale, ed una riduzione degli usi termici. Sono però processi lenti.

  2. Dopo aver letto il lavoro desidero esprimere il mio scetticismo.
    L’interesse che nutro per ogni approccio che arricchisca il misero panorama delle possibilità concrete di accumulare, con una accettabile efficienza, l’energia elettrica, ne è rimasto deluso. Capisco perfettamente che su questo terreno si è all’inizio, ma è proprio il limite insito nella metodologia che non mi convince.
    L’approccio si limita a considerare gli aspetti chimico-fisici (temperature, comportamento dei materiali, capacità isolanti) ed economici (costo dei materiali, delle strutture, dell’energia da stoccare). Trascura completamente di affrontare, pur approssimativamente, il tema dell’efficienza del ciclo.
    Si da per scontato di disporre di quantità tali di energia, non opportunamente assorbibile dal consumo con l’immissione diretta in rete, da poter essere comunque in larga parte “sacrificata” per alimentare un accumulo di cui non si valuta il rendimento complessivo. Si prende in considerazione il costo ma solo dal punto di vista economico, teoricamente interessante ipotizzando di acquistare energia a prezzo stracciato.
    Ma il kWh, in termini energetici non cambia di un quark qualunque sia il suo prezzo, e lo si deve valutare per la quantità e la “qualità” di lavoro che può mettere a disposizione.
    Nell’ipotesi che sia disponibile elettricità “da buttare” (succedeva per breve periodo con le prime termiche, costrette a “dissipare” certi momenti della produzione) si potrebbe anche trascurare la quantità di energia accumulata che il sistema alla fine metterà a disposizione.
    Così non è e, considerando il ruolo delle fonti rinnovabili negli attuali mix elettrici dei paesi meglio posizionati (per non parlare delle nazioni più importanti e del mondo intero), non vedo alcuna possibilità che ciò si realizzi, nemmeno in scenari credibili proiettati su qualche decennio. O forse mai.
    L’elettricità prodotta da eolico e fotovoltaico (l’idroelettrico è quasi perfettamente modulabile e programmabile) produce certamente dei picchi, ma solo durante alcuni mesi, per periodo limitati, in quantità non molto significativa, in momenti della giornata e con caratteristiche (almeno per il fotovoltaico) in parte prevedibili. Fenomeni che potranno essere “assorbiti” direttamente da una smart grid che sappia sfruttare in altre località ciò che risulta, per breve tempo, esuberante per un territorio. Oppure stoccata non in impianti di grande complessità e dimensione, ma in normali batterie a litio, diffuse per svariati usi sul territorio.
    Per me valgono sempre due criteri di base: 1) l’elettricità da fonti rinnovabili va sfruttata, anche grazie a sistemi intelligenti di interconnessione, direttamente con utilizzatori non alimentabili da altri combustibili (es: elettrodomestici, laboratori di ricerca medica, sale operatorie, ascensori, ecc); 2) l’accumulo massivo deve avere soprattutto caratteristiche di medio-lungo periodo (plurisettimanali – stagionali) e va alimentato (scontando le perdite inevitabili) solo quando, a quantità significative di elettricità non sia più applicabile il primo criterio.

    • Mea culpa per non citato in questa sintesi la questione dell’efficienza energetica ed averne solo brevemente accennato nella versione estesa dell’articolo. Nello studio che avevo condotto il tema era stato invece trattato anche se non in modo estremamente approfondito (sarebbero necessario un progetto dettagliato ed un prototipo per stime precise). In estrema sintesi, l’accumulo termico dell’energia per il fabbisogno termico ha un’efficienza nell’ordine del 90% considerando perdite di trasmissione (ipotizzando di collegare il sistema all’alta-media tensione), perdite di conversione da energia elettrica a termica, perdite di stoccaggio, perdite nel processo di recupero termico. Se poi si vuole ritrasformare l’energia da elettrica da termica ad elettrica, senza cogenerare, i rendimenti sono necessariamente bassi.
      Elettricità “da buttare” (ma direi meglio a basso costo) oggi ce n’è poca, ma ce ne sarà molta di più se si sovradimensiona il sistema di generazione elettrica per escludere il ricorso ai fossili- e si spera di farlo. Io, l’ho dato per scontato, ragiono nell’orizzonte temporale dei decenni. Che sia necessario risolvere alcuni problemi in ambito delle rinnovabili per raggiungere tale obiettivo, non ci sono dubbi, ma mi pare che tecnicamente ci si possa arrivare se vengono stanziati opportuni investimenti in R&D. Non dico che l’accumulo termico potrà soddisfare interamente il fabbisogno termico industriale tra 30 anni, ma penso possa avere un ruolo rilevante. Ci sono certamente incognite, quali l’eventuale successo della coltivazione delle alghe e delle piante acquatiche per la produzione di biomasse o il parziale rimpiazzo delle coltivazioni alimentari ed industriali terrestri (ma questo è un discorso che andrebbe approfondito a parte). L’idroelettrico di pompaggio rimane in ogni caso fondamentale, specialmente per l’accumulo stagionale – non lo metto certo in discussione. Ricordo comunque che ha un’efficienza di round-trip intorno al 70% e costi per unità di potenza certamente più alti dell’accumulo termico per fabbisogno termico.

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