Quando il sole splende e il vento soffia, le centrali solari ed eoliche della Germania entrano in azione. Per nove giorni a luglio 2023, le energie rinnovabili hanno prodotto oltre il 70% dell’elettricità generata nel paese; ci sono momenti in cui le turbine eoliche devono essere spente per evitare di sovraccaricare la rete. Ma in altri giorni, le nuvole attenuano l’energia solare fino a un barlume e le turbine eoliche languiscono. Per quasi una settimana a gennaio 2023, la generazione di energia rinnovabile è scesa a meno del 30% del totale nazionale, e le centrali a gas, petrolio e carbone si sono attivate per colmare il vuoto. I tedeschi chiamano questi periodi Dunkelflauten, che significa “bonacce oscure”, e possono durare una settimana o più. Sono una preoccupazione importante per i luoghi afflitti da bonacce come la Germania e alcune parti degli Stati Uniti, poiché le nazioni spingono sempre più per lo sviluppo delle energie rinnovabili. Solare ed eolico insieme contribuiscono al 40% della generazione complessiva di energia in Germania e al 15% negli Stati Uniti.
La sfida: come evitare blackout senza ricorrere ai combustibili fossili, affidabili ma dannosi per il pianeta. Un’istantanea della produzione energetica della Germania di gennaio 2023, suddivisa per fonte energetica, illustra una Dunkelflaute — un lungo periodo senza molta energia solare ed eolica (mostrata qui rispettivamente in giallo e verde). In assenza di tecnologie di stoccaggio dell’energia a lungo termine economicamente vantaggiose, i combustibili fossili come gas, petrolio e carbone (mostrati rispettivamente in arancione, marrone e grigio scuro) spesso colmano il vuoto durante tali periodi.
Risolvere il problema della variabilità dell’energia solare ed eolica richiede di reimmaginare come alimentare il nostro mondo, passando da una rete in cui le centrali a combustibili fossili vengono accese e spente in base alle esigenze energetiche a una che converte le fonti energetiche fluttuanti in un approvvigionamento continuo di energia. La soluzione risiede, ovviamente, nello stoccaggio dell’energia quando è abbondante, in modo che sia disponibile per l’uso durante i periodi di magra.
Ma i dispositivi di stoccaggio dell’elettricità sempre più popolari oggi — le batterie agli ioni di litio — sono economicamente vantaggiosi solo per colmare le fluttuazioni giornaliere di sole e vento, non le bonacce di più giorni. E un metodo vecchio di decenni che immagazzina elettricità pompando acqua in salita e recuperando l’energia quando scorre di nuovo giù attraverso un generatore a turbina funziona tipicamente solo in terreni montuosi. Più impianti solari ed eolici il mondo installa per liberare le reti dai combustibili fossili, più urgentemente ha bisogno di tecnologie mature ed economicamente vantaggiose che possano coprire molte località e immagazzinare energia per almeno otto ore e fino a settimane alla volta.
Gli ingegneri di tutto il mondo sono impegnati a sviluppare queste tecnologie — da nuovi tipi di batterie a sistemi che sfruttano la pressione dell’aria, ruote rotanti, calore o sostanze chimiche come l’idrogeno. Non è chiaro cosa finirà per affermarsi.
“La parte creativa … sta accadendo ora,” dice un esperto di politica energetica e mercati presso il Rochester Institute of Technology che ha co-autore di un’analisi approfondita nel 2020 sui benefici e i costi dei sistemi di stoccaggio dell’energia. “Molto di questo verrà scremato man mano che i leader inizieranno a mostrarsi.”
Trovare soluzioni di stoccaggio valide aiuterà a plasmare il corso complessivo della transizione energetica nei molti paesi che si sforzano di ridurre le emissioni di carbonio nei prossimi decenni, oltre a determinare i costi del passaggio alle rinnovabili — una questione molto dibattuta tra gli esperti. Alcune previsioni implicano che liberare la rete dai combustibili fossili farà inevitabilmente risparmiare denaro, grazie ai costi in calo dei pannelli solari e delle turbine eoliche, ma quelle proiezioni non includono i costi di stoccaggio dell’energia.
Altri esperti sottolineano la necessità di fare più che costruire nuovi stoccaggi, come modificare la domanda di elettricità dell’umanità. In generale, “dobbiamo essere molto attenti a come progettiamo la rete del futuro,” dice una scienziata dei materiali e ingegnere dell’Università di Chicago.
Reinventare la batteria
I dispositivi di stoccaggio dell’elettricità in più rapida crescita oggi — per le reti così come per i veicoli elettrici, i telefoni e i laptop — sono le batterie agli ioni di litio. Negli ultimi anni si sono viste installazioni massicce di queste in tutto il mondo per aiutare a bilanciare l’offerta e la domanda di elettricità e, più recentemente, per compensare le fluttuazioni giornaliere di sole e vento. Uno dei più grandi impianti di stoccaggio a batteria del mondo, nella contea di Monterey in California, ha raggiunto la sua piena capacità nel 2023 in un sito con una centrale a gas naturale. Ora può immagazzinare 3.000 megawattora ed è in grado di fornire 750 megawatt — sufficienti per alimentare più di 600.000 case — per un massimo di quattro ore.
La grande ristrutturazione verde
Le batterie agli ioni di litio convertono l’energia elettrica in energia chimica utilizzando l’elettricità per alimentare reazioni chimiche su due superfici di elettrodi contenenti litio, immagazzinando e rilasciando energia. Il litio è diventato il materiale di scelta perché immagazzina molta energia rispetto al suo peso. Ma le batterie hanno dei limiti, tra cui il rischio di incendio, la necessità di aria condizionata nei climi caldi e una fornitura globale finita di litio.
Importante, le batterie agli ioni di litio non sono adatte per lo stoccaggio a lungo termine, spiega Meng. Nonostante i cali monumentali dei prezzi negli ultimi anni, rimangono costose a causa del loro design e del prezzo dell’estrazione e della purificazione del litio e di altri metalli. Il costo della batteria è superiore a $100 per kilowattora — il che significa che un contenitore di batterie che fornisce un megawatt (sufficiente per circa 800 case) per cinque ore costerebbe almeno $500.000. Fornire elettricità per un periodo più lungo diventerebbe rapidamente economicamente insostenibile, dice Meng. “Penso che quattro-otto ore sia davvero un punto dolce per bilanciare costo e prestazioni,” dice.
Per durate più lunghe, “vogliamo uno stoccaggio di energia che costi un decimo di quello che costa oggi — o magari, se potessimo, un centesimo,” dice Hittinger. “Se non puoi renderlo estremamente economico, allora non hai un prodotto.”
Un modo per ridurre i costi è passare a ingredienti più economici. Diverse aziende negli Stati Uniti, in Europa e in Asia stanno lavorando per commercializzare batterie agli ioni di sodio che sostituiscono il litio con il sodio, che è più abbondante e più economico da estrarre e purificare. Si stanno sviluppando anche diverse architetture di batterie — come le batterie “redox flow”, in cui le reazioni chimiche avvengono non sulle superfici degli elettrodi ma in due serbatoi pieni di fluidi che fungono da elettrodi. Con questo tipo di design, la capacità può essere aumentata aumentando la dimensione del serbatoio e la quantità di elettrolita, che è molto più economico che aumentare il costoso materiale dell’elettrodo delle batterie agli ioni di litio. Le batterie redox-flow potrebbero fornire elettricità per giorni o settimane, dice Meng.
Nel frattempo, un’azienda statunitense ha appena aperto una fabbrica in West Virginia per produrre batterie “ferro-aria”. Queste sfruttano l’energia rilasciata quando il ferro reagisce con l’aria e l’acqua per formare idrossido di ferro — ruggine, in altre parole. “Ricaricare la batteria significa prendere la ruggine e derugginirla,” dice il direttore tecnico dell’azienda.
Poiché ferro e aria sono economici, le batterie sono a basso costo. Lo svantaggio delle batterie ferro-aria e redox-flow è che restituiscono fino al 60% in meno di energia di quella immessa, in parte perché si scaricano gradualmente senza corrente applicata. Meng pensa che entrambi i tipi di batterie debbano ancora risolvere questi problemi e dimostrare la loro affidabilità e convenienza. Ma la perdita di efficienza delle batterie ferro-aria potrebbe essere affrontata rendendole più grandi. E poiché le batterie a lunga durata forniscono energia nei momenti in cui l’energia solare ed eolica è scarsa e più costosa, “c’è più tolleranza per una piccola perdita,” dice il direttore tecnico.
Ruote rotanti e aria compressa
Altri ingegneri stanno esplorando metodi di stoccaggio meccanico. Un dispositivo è il volano, che impiega lo stesso principio che fa sì che una ruota di bicicletta continui a girare una volta messa in movimento. La tecnologia del volano utilizza l’elettricità per far girare grandi dischi d’acciaio e sistemi di cuscinetti magnetici per ridurre l’attrito che causa rallentamenti, spiega un esperto di ingegneria elettrica dell’Università della California, Berkeley. “L’energia può essere immagazzinata per un tempo effettivamente molto sostanziale,” dice.
L’azienda di Sanders, Amber Kinetics, produce volani che possono girare per settimane ma sono più convenienti se utilizzati almeno quotidianamente. Quando è necessaria energia, un generatore a motore trasforma l’energia del movimento di nuovo in elettricità. Poiché le ruote possono passare rapidamente dalla carica alla scarica, sono ideali per coprire rapide oscillazioni nella disponibilità di energia, come al tramonto o durante periodi nuvolosi.
Ogni volano può immagazzinare 32 kilowattora di energia, vicino alla domanda giornaliera di elettricità di una famiglia americana media. Questo è piccolo per le applicazioni di rete, ma i volani sono già dispiegati in molte comunità, spesso per bilanciare le fluttuazioni nell’energia rinnovabile. Un’utility municipale in Massachusetts, per esempio, ha installato 16 volani accanto a un impianto solare; forniscono energia per più di quattro ore, assorbendo elettricità durante i periodi di bassa domanda e scaricando durante i picchi di domanda, dice Sanders.
Un tipo diverso di impianto meccanico immagazzina elettricità utilizzandola per comprimere l’aria, poi…Nasconde l’aria nelle caverne. “Quando la rete ne ha bisogno, rilasci quell’aria in una turbina ad aria e genera di nuovo elettricità,” spiega Jon Norman, presidente della società canadese Hydrostor, specializzata nello stoccaggio di aria compressa. “È solo una gigantesca batteria d’aria sotterranea.” Tali sistemi di solito richiedono caverne naturali, ma Hydrostor scava cavità nella roccia dura. Rispetto alle batterie o ai volani, questi sono grandi progetti infrastrutturali con lunghi processi di autorizzazione e costruzione. Ma una volta superati questi ostacoli, la loro capacità può essere lentamente aumentata scavando le caverne più in profondità, a costi aggiuntivi piuttosto bassi, dice Norman. Nel 2019, Hydrostor ha lanciato il primo impianto commerciale di stoccaggio di aria compressa a Goderich, Ontario, immagazzinando circa 10 megawattora — abbastanza per alimentare circa 2.100 case per più di cinque ore. La società prevede diversi impianti molto più grandi in California e sta costruendo un impianto da 200 megawatt nella città australiana di Broken Hill che può fornire energia per fino a otto ore per colmare le carenze di energia solare ed eolica.
Stoccaggio di energia come calore e gas
In tutto il mondo, ci sono sforzi in corso per utilizzare l’elettricità rinnovabile in eccesso riscaldando acqua o altri materiali che immagazzinano calore. Questo può poi fornire calore ecologico per edifici o processi industriali, dice Katja Esche dell’Associazione tedesca per lo stoccaggio dell’energia. Il calore può anche essere utilizzato per immagazzinare energia, anche se quella tecnologia è ancora in fase di sviluppo. L’esperto di stoccaggio dell’energia e dei sistemi Zhiwei Ma dell’Università di Durham nel Regno Unito ha recentemente testato un sistema di stoccaggio di energia termica pompata. Qui, il principale processo di immagazzinamento dell’energia avviene quando l’elettricità viene utilizzata per comprimere un gas, come l’argon, ad alta pressione, riscaldandolo; l’elettricità viene generata quando il gas viene lasciato espandersi attraverso un generatore a turbina. Alcuni esperti sono scettici su tali sistemi di stoccaggio termico, poiché forniscono fino al 60% in meno di elettricità di quella che immagazzinano, ma Ma è ottimista che con ulteriori ricerche, tali sistemi potrebbero aiutare con le esigenze di stoccaggio quotidiane.
Per lo stoccaggio di durata ancora più lunga — oltre settimane — molti esperti puntano sull’idrogeno gassoso. L’idrogeno esiste naturalmente nell’atmosfera ma può anche essere prodotto utilizzando l’elettricità per dividere l’acqua in ossigeno e idrogeno. L’idrogeno viene immagazzinato in serbatoi pressurizzati e quando reagisce con l’ossigeno in una cella a combustibile o turbina, genera elettricità.
L’idrogeno e i suoi derivati sono già esplorati come combustibile per navi, aerei e processi industriali. Per lo stoccaggio di lunga durata, “sembra plausibile che quella sarebbe la tecnologia di scelta,” dice l’esperto di energia Wolf-Peter Schill dell’Istituto tedesco per la ricerca economica che ha co-autore di una revisione del 2021 sull’economia dello stoccaggio dell’energia nell’Annual Review of Resource Economics.
La società energetica tedesca Enertrag sta costruendo un impianto che utilizza l’idrogeno in entrambi i modi. L’energia in eccesso dall’impianto solare ed eolico da 700 megawatt della società vicino a Berlino viene utilizzata per produrre gas idrogeno, che viene venduto a varie industrie. In futuro, circa il 10% di quell’idrogeno sarà immagazzinato “come misura di backup di emergenza” per l’uso durante settimane senza sole o vento, dice l’ingegnere meccanico Tobias Bischof-Niemz, che è nel consiglio di Enertrag.
L’idea di utilizzare l’idrogeno per lo stoccaggio dell’elettricità ha molti critici. Simile al calore, fino a due terzi dell’energia viene persa durante la riconversione in elettricità. E immagazzinare quantità massicce di idrogeno per settimane non è economico, anche se Enertrag sta pianificando di ridurre i costi immagazzinandolo in caverne naturali invece dei consueti cilindri d’acciaio pressurizzati.
Ma Bischof-Niemz sostiene che queste spese non contano molto se l’idrogeno viene prodotto da energia economica che altrimenti sarebbe sprecata. E, aggiunge, lo stoccaggio dell’idrogeno verrebbe utilizzato solo per i periodi di Dunkelflauten. “Poiché hai solo due o tre settimane all’anno che sono così costose, funziona economicamente,” dice.
Una questione di costo
Ci sono molti altri sforzi per sviluppare metodi di stoccaggio di lunga durata. Il costo è fondamentale per tutti, indipendentemente da quanto viene pagato dai governi o dalle società di servizi (queste ultime di solito trasferiscono tali costi sui consumatori). Tutti i nuovi sistemi dovranno dimostrare di essere significativamente più economici delle batterie agli ioni di litio, dice l’esperto di energia Dirk Uwe Sauer dell’Università RWTH di Aachen in Germania. Dice di aver visto molte tecnologie fermarsi alla fase dimostrativa perché non c’è un caso commerciale per loro.
Gli sviluppatori, da parte loro, sostengono che alcuni sistemi si stanno avvicinando a quelli delle batterie agli ioni di litio quando utilizzati per immagazzinare energia per otto ore o più e che i costi scenderanno sostanzialmente per altri quando saranno prodotti in grandi volumi. Forse molte tecnologie potrebbero, in definitiva, competere con le batterie agli ioni di litio, ma arrivarci, dice Sauer, ”è estremamente difficile.”
La sfida per gli sviluppatori è che il mercato per le tecnologie di lunga durata è solo all’inizio. Molte nazioni, come gli Stati Uniti, sono all’inizio del loro percorso di transizione energetica e si affidano ancora pesantemente ai combustibili fossili. La maggior parte delle regioni ha ancora centrali a combustibili fossili per coprire i periodi di calma di più giorni.
Infatti, Hittinger stima che il vero bisogno economico di stoccaggio di lunga durata emergerà solo quando solare ed eolico rappresenteranno l’80% della generazione totale di energia. Al momento, può spesso essere più economico per le utility costruire centrali a gas — combustibili fossili, ancora — per garantire l’affidabilità della rete.
Un modo importante per rendere le tecnologie di stoccaggio più economiche è una tassa sul carbonio sui combustibili fossili, dice la ricercatrice di sistemi energetici Anne Liu di Aurora Energy Research. In paesi europei come la Svizzera, le utility sono addebitate fino a circa 130 dollari per tonnellata metrica di carbonio emesso. Gli operatori della rete della California, nel frattempo, hanno stimolato lo sviluppo dello stoccaggio richiedendo alle società di servizi di garantire una copertura energetica adeguata e aiutando a coprire i costi.
Anche gli incentivi di mercato possono aiutare. Nel mercato energetico del Texas, dove i prezzi dell’elettricità fluttuano molto, i clienti dell’elettricità stanno risparmiando centinaia di milioni di dollari dalla costruzione di batterie agli ioni di litio, nonostante i loro costi, poiché possono immagazzinare energia quando è economica e venderla per un profitto quando è scarsa. “Una volta che quei mercati dell’energia hanno incentivi, allora le batterie di lunga durata saranno più fattibili,” dice Liu.
Ma anche quando ci sono incentivi, rimane la questione di chi pagherà il conto per lo stoccaggio dell’energia, che non è considerato in molte proiezioni di costo per la transizione della rete dai combustibili fossili. “Non credo che sia stato speso abbastanza tempo a studiare quanto costeranno questi percorsi di decarbonizzazione,” dice Gabe Murtaugh, direttore dei mercati e della tecnologia presso il Long Duration Energy Storage Council, un’organizzazione no-profit.
Senza interventi, stima Murtaugh, i clienti della California, ad esempio, potrebbero alla fine vedere un aumento triplo delle bollette delle utility. “Pensare a come gli stati e i governi federali potrebbero aiutare a pagare parte di questo,” dice Murtaugh, “sarà molto importante.”
Risparmiare costi e risorse
Le considerazioni sui costi stanno spingendo gli esperti a pensare anche a modi per ridurre la necessità di stoccaggio. Un modo per rafforzare la rete è costruire forme di energia rinnovabile più costantemente disponibili, come le tecnologie geotermiche che traggono energia dal calore della Terra. Un altro è collegare la rete su regioni più ampie — come attraverso gli Stati Uniti o l’Europa — per bilanciare le fluttuazioni locali di solare ed eolico. Garantire che le tecnologie di stoccaggio siano il più longeve possibile può aiutare a risparmiare costi e risorse.
Così come essere più intelligenti su quando preleviamo elettricità dalla rete, dice Seth Mullendore, presidente del Clean Energy Group, un’organizzazione no-profit con sede nel Vermont. E se, invece di caricare le auto elettriche quando torniamo a casa dal lavoro, le caricassimo a mezzogiorno quando il sole splende? E se regolassimo il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici in modo che la maggior parte avvenisse durante i periodi ventosi?
L’organizzazione no-profit di Mullendore ha recentemente aiutato a progettare un programma in Massachusetts in cui i clienti dell’elettricità potevano iscriversi per essere pagati se rispondevano ai segnali delle loro utility per usare meno energia — ad esempio, abbassando l’aria condizionata o ritardando la carica delle auto elettriche. In una rete intelligente del futuro, tali aggiustamenti potrebbero essere più diffusi e completamente automatici, consentendo ai consumatori di annullarli se necessario. I governi potrebbero incoraggiare i programmi premiando le società di servizi per la progettazione di reti più efficienti, dice Mullendore. “È molto meno costoso far sì che le persone non usino energia piuttosto che costruire più infrastrutture per fornire più energia.”
Ci vorrà un’attenta riflessione e una spinta mondiale da parte di ingegneri, aziende e politici per adattare la rete globale a un futuro alimentato da solare ed eolico. Le reti di domani potrebbero essere costellate di batterie agli ioni di litio o agli ioni di sodio per le esigenze energetiche a breve termine e nuove varietà per lo stoccaggio a lungo termine. Potrebbero esserci molti più volani, mentre le caverne sotterranee potrebbero essere riempite di aria compressa o idrogeno per sopravvivere ai temuti periodi di Dunkelflauten. Le reti potrebbero avere modi intelligenti e integrati di regolare la domanda e sfruttare al massimo l’energia in eccesso, piuttosto che sprecarla.
“La rete,” dice Meng, “è probabilmente la macchina più complicata mai costruita.”Solo il 28% dei residenti negli Stati Uniti sente parlare regolarmente di cambiamenti climatici nei media, ma il 77% vuole saperne di più. Puoi mettere più notizie sul clima davanti agli americani nel 2025. Vuoi contribuire con $25 o qualsiasi altra somma tu possa? Ripubblica i nostri articoli gratuitamente, online o in stampa, sotto una licenza Creative Commons.