SISTEMI DI ACCUMULO

Enciclopedia Italiana - IX Appendice (2015)

SISTEMI DI ACCUMULO.

Catia Arbizzani
Francesca Soavi

– Sistemi di accumulo di energia elettrica. Impianti idroelettrici con stazione di pompaggio. Impianti ad aria compressa. Batterie ricarica-bili. Batterie piombo-acido. Batterie sodio-zolfo e batterie sodio-cloruro di nichel. Batteria redox a flusso. Batterie agli ioni di litio. Batterie metallo-aria. Volani. Supercondensatori. Le batterie del futuro. Bibliografia

Sistemi di accumulo di energia elettrica. – L’energia può essere di varia natura (meccanica, termica, elettromagnetica, chimica, elettrica, nucleare, gravitazionale) e può essere convertita, passando da una forma all’altra, o accumulata e utilizzata in un secondo tempo (ciclo). In particolare, l’accumulo di energia e la successiva conversione in energia elettrica si sono rivelati determinanti nello sviluppo economico e industriale del 20° sec. e continuano a esserlo con la straordinaria diffusione di dispositivi portatili a partire dagli anni Novanta. Inoltre, l’esigenza di ampliare l’utilizzo di energia proveniente da fonti rinnovabili (talvolta di natura intermittente come il vento o l’irraggiamento solare) per ridurre le emissioni di anidride carbonica, conseguenti all’uso di combustibili fossili, rende sempre più pressante l’uso di s. di a. di energia.

fig. 1

I tre settori principali che vedono l’impiego di tali sistemi sono l’elettronica di consumo, il settore del trasporto e della movimentazione dei carichi, il settore stazionario che include anche la gestione delle reti intelligenti (smart grids, fig. 1) e dell’energia da fonti rinnovabili (v. rinnovabili, energie). Nonostante esistano diverse tipologie di s. di a. di energia, nessuno di essi possiede attualmente tutte le caratteristiche del sistema ideale, cioè lunga vita operativa, bassi costi, alta efficienza energetica (rapporto tra energia erogata e accumulata), alta capacità di accumulo dell’energia ed elevata potenza, compatibilità ambientale. L’elettronica di consumo e il settore trasporto prevedono principalmente l’utilizzo di batterie e supercondensatori. Il settore stazionario utilizza impianti idroelettrici con stazione di pompaggio, sistemi ad aria compressa e batterie di grandi dimensioni per garantire continuità della fornitura energetica a potenza controllata e per fornire energia in caso di interruzioni improvvise di lunga durata (ore o giorni) o di manutenzione programmata. Volani, condensatori, super-condensatori e batterie di piccole dimensioni sono utilizzati per assicurare qualità della potenza erogata nel caso di fluttuazioni della fornitura elettrica nelle brevi scale di tempo e di interruzioni di breve durata (secondi o minuti).

Impianti idroelettrici con stazione di pompaggio. – Gli impianti idroelettrici di generazione e pompaggio sono in grado di riportare l’acqua dal bacino inferiore a quello superiore mediante un sistema di pompe nelle ore notturne, in modo tale da poterla riutilizzare durante le ore di maggior richiesta energetica (tipicamente nelle ore diurne). Per gli impianti stazionari questa rappresenta la forma di accumulo di energia più diffusa, pari al 3% della potenza mondiale installata (Chen, Cong, Yang et al. 2009).

Impianti ad aria compressa. – Tali impianti solitamente utilizzano cavità sotterranee esistenti per immagazzinare gas alla pressione di circa 4-8 MPa avvalendosi di compressori alimentati da energia elettrica a basso costo pro-dotta nelle ore notturne. L’aria compressa così accumulata viene poi utilizzata in un impianto turbogas tradizionale per produrre energia elettrica. Attualmente esistono due impianti nel mondo con una potenza totale di 400 MW (Energy storage association).

Batterie ricaricabili. – Una batteria ricaricabile (o accumulatore elettrochimico) è in grado di accumulare energia chimica (processo di carica) e di rilasciarla sotto forma di energia elettrica (processo di scarica, reazione spontanea).

È costituita da una o più celle elettrochimiche e ciascuna cella consiste di un elettrolita liquido, solido o gel che separa i due elettrodi (anodo e catodo). Durante la scarica all’anodo avviene una reazione di ossidazione e al catodo una reazione di riduzione dei reagenti presenti nei due comparti elettrodici. Le reazioni sono reversibili e permettono alla batteria di essere ricaricata applicando agli elettrodi una differenza di potenziale così che durante il processo di carica la batteria funziona come una cella elettrolitica, mentre durante il processo di scarica funziona come una cella galvanica. Le reazioni ai due elettrodi avvengono a potenziali definiti dalle coppie redox presenti in ciascun comparto elettrodico e il potenziale di cella è dato dalla differenza tra il potenziale catodico (dell’elettrodo positivo) e quello anodico (dell’elettrodo negativo). Le reazioni elettrodiche provocano il passaggio di una corrente continua nel circuito esterno che determina la quantità di carica o capacità della cella (espressa in coulomb o in ampere-ora, 1 Ah = 3600 C) o, moltiplicata per il potenziale, la sua energia (espressa in joule o in watt-ora, 1 Wh =3600 J). Le prestazioni delle batterie ricaricabili dipendono quindi fortemente dalla loro chimica. Di seguito sono riportati alcuni esempi di batterie utilizzate per l’accumulo nell’elettronica di consumo, nel campo del trasporto, negli impianti stazionari e in abbinamento alle fonti di energia rinnovabili.

Batterie piombo-acido. – Il basso costo ne ha determinato un ampio utilizzo in diversi settori (per alimentare i sistemi d’avviamento e gli accessori di bordo delle automobili o come fonti di energia temporanee in caso di interruzioni della fornitura elettrica di breve durata nello stazionario). La loro bassa energia specifica, tuttavia, non ne ha precluso l’impiego in impianti di grandi dimensioni, da 55 kWh a 40 MWh, operativi fino al primo decennio del 21° sec. (Beaudin, Zareipour, Schellenberglabe et al. 2010; Doughty, Butler, Akhil et al. 2010).

Batterie sodio-zolfo e batterie sodio-cloruro di nichel. – Sono accomunate dal fatto di avere un elettrodo costituito da sodio fuso, un elettrolita ceramico di β-allumina e una temperatura di utilizzo di 300-350 °C. La tipica vita di ciclo è di 1500-2500 cicli, con un’energia e potenza specifiche di 90-240 Wh/kg e 150-230 W/kg. Sono utilizzate per migliorare qualità e stabilità della fornitura energetica delle reti elettriche, per applicazioni industriali di livellamento di carico (load-levelling) e per immagazzinare energia da fonti rinnovabili (Beaudin, Zareipour, Schellenberglabe et al. 2010; Doughty, Butler, Akhil et al. 2010).

Batterie redox a flusso. – Le batterie redox a flusso hanno almeno un comparto elettrodico nel quale fluisce l’elettrolita liquido contenente la specie redox (catolita o anolita). Tale soluzione è immagazzinata in un contenitore esterno e il vantaggio di tale configurazione è il disaccoppiamento di energia (proporzionale al volume di elettrolita che circola) e potenza (proporzionale alla velocità di flusso del catolita e/o dell’anolita). Le batterie zinco-bromuro (ZBR) e quelle a base di vanadio (VRB) sono solo alcune delle tipologie di batterie redox a flusso. Sono utilizzate principalmente per il livellamento di carico, per alimentare aree remote, per stabilizzare l’energia proveniente da fonti rinnovabili e come fonti di energia nel caso di interruzioni temporanee. Hanno un’elevata vita di ciclo (alcune migliaia di cicli), ma la bassa densità di energia (15-60 kWh/m3) implica un ingombro considerevole. Sono pertanto utilizzate per sistemi stazionari di piccole e medie dimensioni (Beaudin, Zareipour, Schellenberglabe et al. 2010; Leung, Li, Ponce de Leon et al. 2012).

Batterie agli ioni di litio. – Sono le batterie disponibili sul mercato con la più alta energia specifica (200 Wh/kg). Hanno inoltre elevata efficienza e lunga vita (3000 cicli all’80% di profondità di scarica). Per tali caratteristiche dalla loro commercializzazione (1991) a oggi la domanda di batterie agli ioni di litio è aumentata esponenzialmente in mercati come quello dell’elettronica e, soprattutto, quello del trasporto elettrico e ibrido. Le prime auto elettriche risalgono alla fine dell’Ottocento, ma la loro diffusione, sebbene ancora limitata, è stata promossa da due eventi: l’introduzione sul mercato nel 1997 dei primi veicoli elettrici ibridi e la commercializzazione nel 2010, da parte della Tesla Motors, della prima auto sportiva di lusso totalmente elettrica, in grado di percorrere 320 km con una ricarica. Il successo di quest’ultima ha sicuramente richiamato l’attenzione da parte di numerose case automobilistiche verso la commercializzazione di veicoli totalmente elettrici e ibridi. Nell’ambito del trasporto elettrico il problema principale che limita un ampio utilizzo delle batterie agli ioni di litio rimane il costo, nonostante si sia ridotto da circa 1000 $/kWh nel 2008 a 325 $/kWh nel 2013 con la previsione di raggiungere 125 $/kWh nel 2022. Contestualmente la densità di energia è passata da 55 Wh/L a quasi 140 Wh/L (Beaudin, Zareipour, Schellenberglabe et al. 2010; Fenton 2015) con evidenti benefici sull’ingombro della batteria. Sebbene notevoli progressi siano stati raggiunti a livello di materiali, con attenzione soprattutto nel campo della sicurezza che è particolarmente cruciale per dispositivi di grandi dimensioni, le batterie agli ioni di litio installate attualmente su automobili utilitarie elettriche permettono autonomie inferiori a 160 km (Bruce, Freunberger, Hardwick et al. 2012). Sono in fase di sviluppo batterie agli ioni di litio anche per impianti stazionari e per la stabilizzazione delle reti. Una delle applicazioni più innovative di tali batterie è quella nelle reti intelligenti, specialmente quelle che includono fonti intermittenti di energia rinnovabile e carichi elettrici estremamente variabili (Raustad 2015). A parte alcune eccezioni, l’anodo delle batterie agli ioni litio è usualmente a base grafitica e il catodo è costituito da ossidi o da fosfati di metalli di transizione, tutti materiali a inserzione di ioni litio. Il catodo più utilizzato è costituito da LiCoO2, ma l’elevato costo, la tossicità e la bassa sicurezza ne precludono l’uso in batterie di grandi dimensioni. Un eccellente candidato è il LiFePO4 e numerosi altri materiali sono già utilizzati (LiMn2O4, LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2, LiNi0,8Co0,15Al0,05O2) o sotto studio (LiNi0,5Mn1,5O4) per applicazioni in cui è richiesta un’elevata energia specifica (Scrosati, Garche 2010).

Batterie metallo-aria. – Per la loro elevata energia specifica teorica, le batterie metallo-aria (dove il metallo può essere litio, zinco, magnesio o alluminio) rappresentano una tecnologia promettente per applicazioni nell’ambito del trasporto. Il loro funzionamento è basato sulla riduzione elettrochimica dell’ossigeno a un catodo di elevata area superficiale e sull’ossidazione del metallo che costituisce l’anodo. Si stima che le batterie litio-aria (Li/O2), che sono ancora in fase di studio, possano raggiungere energie specifiche fino a 10 volte superiori rispetto a quelle delle migliori batterie agli ioni di litio oggi disponibili commercialmente (Bruce, Freunberger, Hardwick 2012; Rahman, Wang, Wenz 2013; Grande, Paillard, Hassoun 2015).

Volani. – Un volano è un dispositivo che accumula e rilascia energia in funzione della variazione della sua velocità di rotazione. Possiede un’elevata vita operazionale (15-20 anni), una lunga vita di ciclo (10.000-100.000 cicli) e un’efficienza del 90-95%. I volani, nonostante il costo elevato, stanno penetrando il mercato degli UPS (Uninterruptible Power Supply) e quello delle fonti di energia rinnovabili intermittenti (Beaudin, Zareipour, Schellenberglabe 2010).

fig. 2

Supercondensatori. – Sono sistemi elettrochimici di accumulo e conversione dell’energia noti anche come ultracondensatori o condensatori elettrochimici. Sono dispositivi di potenza caratterizzati da tempi di carica e scarica di pochi secondi. La loro energia specifica (circa 5 Wh/kg) è inferiore a quella delle batterie, ma la potenza specifica è nettamente superiore (circa 10 kW/kg; fig. 2) ed erogabile in tempi più brevi (pochi secondi). I supercondensatori colmano il divario tra batterie e condensatori elettrolitici convenzionali. Sono infatti connotati da energie specifiche 2 o 3 ordini di grandezza superiori rispetto a quella dei condensatori elettrolitici.

Come le batterie, sono costituiti da due elettrodi e da un elettrolita. Un separatore permeabile agli ioni o una membrana polimerica conduttrice di ioni separano fisicamente gli elettrodi garantendo il contatto ionico tra di essi.

I supercondensatori possono essere suddivisi in diverse classi in base alla natura dei processi elettrodici di carica/scarica. I condensatori elettrochimici a doppio strato elettrico sono i più comuni e utilizzano elettrodi di carbonio a elevata area superficiale; accumulano e rilasciano energia basandosi su un processo di carica elettrostatico, intrinsecamente veloce e altamente reversibile. Tali sistemi mostrano una stabilità a ripetuti cicli di carica/scarica di oltre un ordine di grandezza superiore a quella delle batterie. Gli pseudosupercondensatori o supercondensatori redox utilizzano elettrodi pseudocapacitivi che danno luogo a processi di carica e scarica faradici, ossia che si basano su processi di trasferimento di carica all’interfase elettrodo/elettrolita, veloci e reversibili. Ossidi di metalli di transizione (quali MnO2, Fe3O4 e RuO2), nitruri (es. VN) e polimeri conduttori elettronici (polianilina, polipirrolo, politiofene e loro derivati) sono esempi di materiali elettrodici pseudo-capacitivi. I supercondensatori ibridi combinano elettrodi positivi e negativi di natura diversa: un elettrodo è caricato e scaricato mediante un processo elettrostatico e l’altro mediante un processo faradico. Tale configurazione può anche combinare elettrodi carboniosi ad alta area superficiale, caricati elettrostaticamente, ed elettrodi utilizzati nelle batterie agli ioni di litio, puntando così a unire benefici di supercondensatori e batterie.

I supercondensatori trovano applicazione in combinazione con batterie, o in alternativa a esse, in diversi ambiti. Esempi sono l’uso per gruppi di continuità (forniture di backup utilizzate per la protezione contro interruzione di alimentazione) e del livellamento di carico nelle reti elettriche. Sono utilizzati nell’ambito del trasporto elettrico (auto, camion, treni, bus). Nei veicoli elettrici e ibridi i supercondensatori possono immagazzinare energia durante le fasi di frenata e fornire gli spunti di potenza necessari per l’accelerazione e l’accensione. Possono anche provvedere all’alimentazione e/o assistere alla propulsione di veicoli con limitata autonomia di percorso o soggetti a frequenti fermate, come, per es., in autobus elettrici. Trovano applicazione nei montacarichi, nelle gru per la movimentazione dei container nelle aree portuali, nei portelloni di emergenza degli aerei, nelle telecomunicazioni e in campo aerospaziale. Notevole è anche l’uso dei supercondensatori nell’elettronica di consumo. Infatti, l’accensione di dispositivi elettronici portatili, quali display, sensori, telefoni cellulari, richiede potenze specifiche elevate e veloce risposta. Un recente interesse è per l’utilizzo di microsupercapacitori da integrare con microsistemi di conversione del-l’energia dall’ambiente (piezoelettrici, termici, fotovoltaici, celle enzimatiche) per lo sviluppo di dispositivi autonomi, quali dispositivi biomedicali e sensori (Simon, Gogotsi 2008; Beidaghi, Gogotsi 2014).

Le batterie del futuro. – L’esigenza di avere a disposizione quantità di energia sempre più elevate, di sviluppare ambienti autonomi in termini energetici (smart environment) e sistemi ecocompatibili richiede l’esplorazione di nuovi materiali e di nuove chimiche di cella. L’evoluzione nel campo della sintesi di nanomateriali, con la realizzazione di strutture tridimensionali anche molto complesse, ha risolto molti problemi legati all’uso di alcuni materiali elettrodici. Inoltre lo studio di nuovi elettroliti e di nuove geometrie di cella ha portato a un rinnovato interesse per sistemi già studiati in passato come le batterie litio-zolfo, litio-aria, le batterie al magnesio e per le più recenti batterie agli ioni di sodio (Bruce, Freunberger, Hardwick 2012; Amine, Kanno, Tzeng 2014).

Bibliografia: P. Simon, Y. Gogotsi, Materials for electrochemical capacitors, «Nature materials», 2008, 7, pp. 845-54; H. Chen, T.N. Cong, W. Yang et al., Progress in electrical energy storage system: a critical review, «Progress in natural science»,2009, 19, pp. 291-312; M. Beaudin, H. Zareipour, A. Schellenberglabe et al., Energy storage for mitigating the variability of renewable electricity sources: an updated review, «Energy forsustainable development», 2010, 14, pp. 302-14; D.H. Doughty, P.C. Butler, A.A. Akhil et al., Batteries for scale stationary electrical energy storage, «Electrochemical society interface», 2010, 19, pp. 49-53; B. Scrosati, J. Garche, Lithium batteries: prospects and future, «Journal of power sources», 2010, 195, pp. 2419-30; P.G. Bruce, S.A. Freunberger, L.J. Hardwick et al., Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage, «Nature materials», 2012, 11, pp. 19-29; P. Leung, X. Li, C. Ponce de Leon et al., Progress in redox flow batteries, remaining challenges and their applications in energy storage, «RSC advances», 2012, 2, pp. 10125-56; Md.A. Rahman, X. Wang, C. Wenz, High energy density metal air batteries: a review, «Journal of the electrochemical society»,2013, 160, pp. A1759-71; K. Amine, R. Kanno, Y. Tzeng, Rechargeable lithium batteries and beyond: progress, challenges, and future directions, «MRS bulletin», 2014, 39, pp. 305-401; M. Beidaghi, Y. Gogotsi, Capacitive energy storage in micro-scale devices: recent advances in design and fabrication of micro-supercapacitors, «Energy & environmental science», 2014, 7, pp. 867-84; J. Fenton, Home energy efficiency retrofits and PV provide fuel for our cars, «Electrochemical society interface», 2015, 24, pp. 43-48; L. Grande, E. Paillard, J. Hassoun et al., The lithium/air battery: still an emerging system or a practical reality?, «Advanced materials», 2015, 27, pp. 784-800; R.A. Raustad, The role of V2G in the smart grid of the future, «Electrochemical society interface»,2015, 24, pp. 53-56. Si veda inoltre: Energy storage association: http://energystorage.org/ compressed-air-energy-storage-caes.

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