Quando il sole splende e il vento soffia, le centrali solari ed eoliche della Germania funzionano a pieno regime. Durante nove giorni di luglio 2023, le energie rinnovabili hanno prodotto più del 70% dell’elettricità generata nel paese; ci sono momenti in cui è persino necessario spegnere le turbine eoliche per evitare di sovraccaricare la rete. Ma in altri giorni, le nuvole riducono l’energia solare 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 del paese, e le centrali alimentate a gas, petrolio e carbone sono state avviate per compensare la carenza di energia.
I tedeschi chiamano questi periodi Dunkelflauten, parola che significa “calma oscura”, e possono durare una settimana o più. Sono una grande preoccupazione per i siti colpiti da questo letargo, come la Germania e parti degli Stati Uniti, poiché i paesi spingono sempre più per lo sviluppo dell’energia rinnovabile. L’energia solare ed eolica combinate contribuiscono al 40% della generazione totale di energia in Germania e al 15% negli Stati Uniti e, da dicembre 2024, entrambi i paesi mirano a ottenere che, entro il 2035, il 100% del loro approvvigionamento energetico provenga da energia pulita.
La sfida: come evitare i blackout senza ricorrere ai combustibili fossili, che sono affidabili ma aumentano la temperatura del pianeta.
Questo sguardo alla produzione di energia in Germania a gennaio 2023, suddivisa per fonte di energia, illustra un Dunkelflaute —un periodo prolungato con poca energia solare ed eolica (rappresentate qui in giallo e verde, rispettivamente)—. In assenza di tecnologie di stoccaggio dell’energia a lungo termine economicamente vantaggiose, i combustibili fossili come il gas, il petrolio e il carbone (rappresentati in arancione, marrone e grigio scuro, rispettivamente) solitamente compensano la carenza durante questi periodi.
Risolvere il problema della variabilità dell’energia solare ed eolica richiede di ripensare come fornire energia al nostro mondo, passando da una rete in cui le centrali a combustibili fossili si accendono e spengono in base alle esigenze energetiche, a una che trasformi le fonti di energia fluttuanti in un approvvigionamento energetico continuo. La soluzione sta, ovviamente, nello stoccare energia quando è abbondante per renderla disponibile durante i periodi di carenza.
Ma i dispositivi di stoccaggio dell’elettricità, sempre più popolari oggi —le batterie agli ioni di litio— sono cost-efficienti solo per compensare le fluttuazioni giornaliere del sole e del vento, non per i periodi di calma oscura di diversi giorni. E un metodo che da decenni immagazzina elettricità mediante il pompaggio di acqua in salita e recupera l’energia quando scorre di nuovo verso il basso attraverso un generatore di turbine normalmente funziona solo in terreni montuosi. Più impianti solari ed eolici verranno installati nel mondo per far sì che le reti smettano di dipendere dai combustibili fossili, con maggiore urgenza sarà necessario maturare tecnologie economicamente vantaggiose che possano coprire molti luoghi e immagazzinare energia per almeno otto ore e fino a settimane consecutive.
Gli ingegneri in diverse parti del pianeta sono impegnati a sviluppare queste tecnologie —da nuovi tipi di batterie a sistemi che sfruttano la pressione dell’aria, ruote rotanti, calore o composti chimici come l’idrogeno—. Non è chiaro quale finirà per essere la vincente.
“La parte creativa… sta accadendo ora”, ha detto Eric Hittinger, esperto di politiche e mercati energetici del Rochester Institute of Technology, che è stato coautore di un’analisi pubblicata nel 2020 nell’Annual Review of Environment and Resources sui benefici e i costi dei sistemi di stoccaggio dell’energia. “Molto di questo si ridurrà man mano che i candidati favoriti inizieranno a emergere”.
Trovare soluzioni di stoccaggio praticabili aiuterà a determinare il corso generale della transizione energetica nei molti paesi che si sforzano di ridurre le emissioni di carbonio nei prossimi decenni, così come a determinare i costi di adozione delle energie rinnovabili —una questione molto dibattuta tra gli esperti—. Alcune previsioni implicano che l’eliminazione graduale dei combustibili fossili dalla rete inevitabilmente farà risparmiare denaro, grazie alla diminuzione dei costi 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 qualcosa di più che costruire nuovi sistemi di stoccaggio, come adattare la domanda elettrica dell’umanità. In generale, “dobbiamo pensare molto a come progettiamo la rete del futuro”, ha detto la scienziata dei materiali e ingegnera Shirley Meng, dell’Università di Chicago.
Reinventare la batteria
I dispositivi di stoccaggio dell’elettricità che stanno crescendo più rapidamente oggi —sia per reti elettriche che per veicoli elettrici, telefoni e computer portatili— sono le batterie agli ioni di litio. Negli ultimi anni sono state implementate in modo massiccio in tutto il mondo per aiutare a bilanciare l’offerta e la domanda di elettricità e, più recentemente, per compensare le fluttuazioni giornaliere dell’energia solare ed eolica. Una delle installazioni di stoccaggio di batterie in rete più grandi del mondo, nella contea di Monterey, in California, ha raggiunto la sua capacità massima nel 2023 in un’installazione con una centrale alimentata 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 ogni ora per fino a quattro ore.Le batterie agli ioni di litio trasformano l’energia elettrica in energia chimica utilizzando l’elettricità per alimentare reazioni chimiche sulla superficie di due elettrodi contenenti litio, immagazzinando e rilasciando energia. Il litio è diventato il materiale di scelta perché immagazzina molta energia in relazione al suo peso. Tuttavia, le batterie presentano difetti, tra cui il rischio di incendio, la necessità di aria condizionata in climi caldi e una fornitura mondiale limitata di litio.
Le batterie agli ioni di litio non sono adatte per un immagazzinamento a lungo termine. Nonostante la monumentale riduzione dei prezzi negli ultimi anni, rimangono costose a causa del loro design e del costo dell’estrazione del litio e di altri metalli. Il costo della batteria supera i 100 dollari per kilowattora, il che significa che un contenitore di batteria che fornisce un megawatt (sufficiente per circa 800 case) ogni ora per cinque ore costerebbe almeno 500.000 dollari. Fornire elettricità per periodi più lunghi diventerebbe presto economicamente insostenibile. “Credo che da quattro a otto ore sia davvero un punto ottimale per bilanciare il costo e le prestazioni”, ha spiegato.
Per periodi più lunghi, “vogliamo un immagazzinamento di energia che costi un decimo di quello che costa oggi — o forse, se possibile, un centesimo”, ha detto. “Se non puoi farlo 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 anche sviluppando diverse architetture di batterie, come le batterie a “flusso redox”, in cui le reazioni chimiche non avvengono sulle superfici degli elettrodi, ma in due serbatoi pieni di liquido che fungono da elettrodi. Con questo tipo di design, è possibile aumentare la capacità aumentando la dimensione del serbatoio e la quantità di elettroliti, il che è molto più economico che aumentare il costoso materiale degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio. Le batterie a flusso redox potrebbero fornire elettricità per giorni o settimane.
Nel frattempo, un’azienda statunitense ha appena aperto una fabbrica in Virginia Occidentale per produrre batterie “ferro-aria”. Queste batterie sfruttano l’energia che si libera quando il ferro reagisce con l’aria e l’acqua per formare idrossido di ferro. “Ricaricare la batteria consiste nell’ossidare e deossidare il ferro”.
Poiché il ferro e l’aria sono economici, queste batterie sono convenienti. Lo svantaggio delle batterie ferro-aria e delle batterie a flusso redox è che restituiscono fino al 60% in meno di energia di quella che viene immessa, in parte perché si scaricano gradualmente senza che venga applicata corrente. Entrambi i tipi di batterie devono ancora risolvere questi problemi e dimostrare la loro affidabilità e redditività. Tuttavia, la perdita di efficienza delle batterie ferro-aria potrebbe essere risolta 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”.
Altri ingegneri stanno esplorando metodi di immagazzinamento meccanico. Uno di questi è il volano, che utilizza lo stesso principio che fa sì che la ruota di una bicicletta continui a girare una volta messa in movimento. La tecnologia del volano utilizza l’elettricità per far girare grandi dischi di acciaio e sistemi di cuscinetti magnetici per ridurre l’attrito che provoca i rallentamenti. “L’energia può essere immagazzinata per un tempo davvero considerevole”.
L’azienda produce volani che possono girare per settimane, ma risultano più convenienti se utilizzati almeno quotidianamente. Quando è necessaria energia, un motore generatore converte l’energia del movimento in elettricità. Poiché i volani possono passare rapidamente dalla carica alla scarica, sono ideali per coprire cambiamenti bruschi nella disponibilità di energia, come al tramonto o durante periodi nuvolosi.
Ogni volano può immagazzinare 32 kilowattora di energia, vicino alla domanda elettrica giornaliera di una casa americana media. Questo è poco per applicazioni di rete, ma i volani sono già implementati in molte comunità, spesso per bilanciare le fluttuazioni nell’energia rinnovabile. Un’azienda di servizi pubblici municipale in Massachusetts, ad 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 scaricandola durante i picchi di domanda.
Un altro tipo di installazione meccanica immagazzina elettricità utilizzandola per comprimere aria e poi la immagazzina in caverne. “Quando la rete ne ha bisogno, quell’aria viene rilasciata in una turbina d’aria e si genera nuovamente elettricità”. “È come una gigantesca batteria d’aria sotterranea”.
Questi sistemi di solito richiedono grotte naturali, ma l’azienda scava cavità nella roccia dura. Rispetto alle batterie o ai volani, si tratta di grandi progetti infrastrutturali con lunghi processi di ottenimento di permessi e costruzione.Una volta superati questi ostacoli, la capacità può essere ampliata lentamente scavando le caverne a maggiore profondità, con un costo aggiuntivo piuttosto basso, ha detto Norman. Nel 2019, Hydrostor ha avviato il primo impianto commerciale di stoccaggio di aria compressa a Goderich, Ontario, che immagazzina circa 10 megawattora —sufficienti per alimentare circa 2.100 abitazioni per più di cinque ore—. L’azienda prevede di creare 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 coprire la carenza di energia solare ed eolica.
Stoccare energia sotto forma di calore e gas
In tutto il mondo ci sono sforzi in corso per sfruttare l’eccesso di elettricità rinnovabile utilizzandolo per riscaldare acqua o altri materiali che immagazzinano calore. Questo può fornire calore rispettoso dell’ambiente per edifici o processi industriali, dice Katja Esche, dell’Associazione Tedesca di Stoccaggio di Energia.
Il calore può anche essere utilizzato per immagazzinare energia, anche se questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo. L’esperto in sistemi e stoccaggio di energia Zhiwei Ma, dell’Università di Durham, nel Regno Unito, ha recentemente testato un sistema di stoccaggio di energia termica a pompaggio. In questo caso, il principale processo di stoccaggio di energia avviene quando si utilizza elettricità per comprimere un gas, come l’argon, ad alta pressione, riscaldandolo; l’elettricità viene generata quando si permette al gas di espandersi attraverso un generatore di turbina. Alcuni esperti sono scettici riguardo a questi sistemi di stoccaggio termico, perché forniscono fino al 60% in meno di elettricità di quella immagazzinata —ma Ma è ottimista e crede che, con ulteriori ricerche, questi sistemi potrebbero aiutare a coprire le necessità quotidiane di stoccaggio—.
Per uno stoccaggio di durata ancora maggiore —settimane—, molti esperti puntano sul gas idrogeno. L’idrogeno esiste naturalmente nell’atmosfera, ma può anche essere prodotto utilizzando elettricità per dividere la molecola d’acqua in ossigeno e idrogeno. L’idrogeno viene immagazzinato in serbatoi pressurizzati e, quando reagisce con l’ossigeno in una pila a combustibile o una turbina, genera elettricità.
L’idrogeno e i suoi derivati sono già esplorati come combustibile per navi, aerei e processi industriali. Per lo stoccaggio a lungo termine, “sembra plausibile che questa sia la tecnologia scelta”, ha detto l’esperto in energia Wolf-Peter Schill, dell’Istituto Tedesco di Ricerca Economica, che è stato coautore di una revisione del 2021 sull’economia dello stoccaggio di energia nell’Annual Review of Resource Economics.
L’azienda energetica tedesca Enertrag sta costruendo un impianto che utilizza idrogeno in entrambe le forme. L’eccesso di energia della centrale solare ed eolica da 700 megawatt che l’azienda ha vicino a Berlino viene utilizzato per produrre gas idrogeno, che viene venduto a diverse industrie. In futuro, circa il 10% di quell’idrogeno sarà immagazzinato “come misura di emergenza” per essere utilizzato durante le settimane senza sole né vento, ha detto l’ingegnere meccanico Tobias Bischof-Niemz, che è nel consiglio direttivo di Enertrag.
L’idea di utilizzare l’idrogeno per immagazzinare elettricità ha molti critici. Come avviene con il calore, fino a due terzi dell’energia si perdono durante la riconversione in elettricità. E immagazzinare grandi quantità di idrogeno per settimane non è economico, anche se Enertrag prevede di ridurre i costi immagazzinandolo in caverne naturali anziché nei cilindri di acciaio pressurizzati abituali.
Ma Bischof-Niemz sostiene che questi costi non importano molto se l’idrogeno viene prodotto a partire da energia a basso costo che altrimenti verrebbe sprecata. E, aggiunge, lo stoccaggio di idrogeno verrebbe utilizzato solo durante i periodi di Dunkelflauten. “Poiché ci sono solo due o tre settimane all’anno che sono così costose, funziona economicamente”, ha opinato.
Una questione di costi
Ci sono molti altri sforzi per sviluppare metodi di stoccaggio di maggiore durata. Il costo è fondamentale per tutti, indipendentemente da quanto pagano i governi o le aziende di servizi pubblici (queste ultime di solito trasferiscono quei costi ai consumatori). Tutti i nuovi sistemi dovranno dimostrare di essere significativamente più economici delle batterie agli ioni di litio, afferma l’esperto in energia Dirk Uwe Sauer, dell’Università RWTH di Aachen, in Germania. Secondo lui, ha visto molte tecnologie bloccate nella fase di dimostrazione perché non c’è una giustificazione commerciale per esse.
Gli sviluppatori, da parte loro, sostengono che alcuni sistemi si stanno avvicinando a quelli delle batterie agli ioni di litio quando vengono utilizzati per immagazzinare energia per otto ore o più, e che i costi si ridurranno sostanzialmente per altri quando verranno prodotti in grandi volumi. Forse molte tecnologie potrebbero, in ultima analisi, competere con le batterie agli ioni di litio, ma arrivare a quel punto, ha detto Sauer, “è estremamente difficile”.
La sfida per gli sviluppatori è che il mercato delle tecnologie di lunga durata sta appena iniziando a prendere forma. Molti paesi, come gli Stati Uniti, sono nelle prime fasi della loro transizione energetica e dipendono ancora in gran parte dai combustibili fossili. La maggior parte delle regioni ha ancora centrali alimentate con combustibili fossili per coprire periodi di letargo di diversi giorni.L’80% della generazione totale di energia. Ora, spesso può risultare più economico per le aziende di servizi pubblici 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 aziende di servizi pubblici pagano fino a 130 dollari per tonnellata metrica di carbonio emesso. Nel frattempo, gli operatori di rete della California hanno promosso lo sviluppo dello stoccaggio richiedendo alle aziende di servizi pubblici 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 consumatori di elettricità stanno risparmiando centinaia di milioni di dollari nella costruzione di batterie agli ioni di litio, nonostante i loro costi, perché possono immagazzinare energia quando è economica e venderla con profitto quando scarseggia. “Una volta che quei mercati dell’energia avranno incentivi, le batterie di maggiore durata saranno più fattibili”, ha detto Liu.
Ma anche quando esistono incentivi, rimane la domanda su chi pagherà il conto dello stoccaggio dell’energia, che non viene preso in considerazione in molte proiezioni di costi per la transizione della rete verso un sistema che smetta di utilizzare combustibili fossili. “Non credo che sia stato dedicato abbastanza tempo a studiare quanto costeranno queste vie di decarbonizzazione”, ha detto Gabe Murtaugh, direttore dei mercati e della tecnologia del Long Duration Energy Storage Council, un’organizzazione senza scopo di lucro.
Senza interventi, stima Murtaugh, i clienti della California, per esempio, potrebbero finire per vedere le loro bollette dei servizi pubblici triplicarsi. “Pensare a come i governi statali e federali potrebbero aiutare a pagare parte di questo”, ha detto Murtaugh, “sarà molto importante”.