L' accumulo di energia consiste nell'impostare una quantità di energia di riserva da una fonte in un determinato luogo, in una forma prontamente utilizzabile, per un uso successivo. Occorre valorizzare con efficienza le energie rinnovabili e pulite quando sono intermittenti , come l' energia eolica e solare . Immagazzinare il calore o l' elettricità può stabilizzare le reti energetiche e appianare le irregolarità di produzione/consumo nell'ambito dello sviluppo delle energie rinnovabili, soprattutto nei siti insulari o isolati.
Ci interessa qui principalmente l'operazione consistente nella creazione di uno stock dall'energia disponibile, e non direttamente nella gestione delle scorte (in particolare scorte di combustibili fossili ), né nel destocking.
Per la produzione di energia lo stoccaggio è fondamentale: in realtà, quella che comunemente ed economicamente viene chiamata “produzione di energia” è:
Lo stoccaggio è la costituzione di una riserva energetica da flussi energetici di cui non abbiamo immediato utilizzo, per averla successivamente, quando la richiesta è maggiore.
Natura immagazzina l'energia naturale, ad esempio con (non fossile) “nuovo” biomassa , della Terra ciclo climatico (pioggia, neve, ecc), le maree, ecc Certain stoccaggio naturale avviene solo. 'Sulla scala dei tempi geologici ( formazione di carbone , petrolio e gas ) o risultano da fenomeni stellari ( nucleosintesi di elementi radioattivi ). Oggi le scorte di combustibili fossili si stanno esaurendo, il loro rinnovamento è infinitesimale sulla scala temporale della vita umana, motivo per cui queste risorse sono considerate non rinnovabili .
Nel XXI ° secolo, l'accumulo di energia è una questione di vitale importanza per le società umane e l'industria. Per gli stati, l'indipendenza energetica è strategica ed economicamente essenziale. Per privati e aziende, l'energia deve essere imperativamente disponibile su richiesta, senza tagli imprevisti. Qualsiasi interruzione della fornitura ha un costo economico e sociale elevato, così come la salute e la sicurezza, ecc. ; ad esempio, un'interruzione di corrente in un ospedale può avere conseguenze disastrose, motivo per cui è dotato di diversi generatori di emergenza e scorte di carburante.
L'accumulo di energia risponde a tre motivazioni principali:
Nel 2015, l' Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA) ha stimato che per un obiettivo di tasso di penetrazione del 45% delle energie rinnovabili entro il 2030, il fabbisogno globale di stoccaggio di energia corrisponderebbe a una capacità di fornire 150 GW da batterie e 325 GW da stazioni di pompaggio .
Secondo uno studio pubblicato su agosto 2019di Bank of America Merrill Lynch , il 6% della produzione mondiale di elettricità potrebbe essere immagazzinata in batterie entro il 2040. Secondo BloombergNEF , le capacità di stoccaggio installate sul pianeta aumenterebbero da meno di 10 GW nel 2019 a più di 1.000 GW nel 2040.
Un'interruzione dell'approvvigionamento energetico può perturbare gravemente l'economia di un paese e mettere in pericolo funzioni vitali: difesa, sistema sanitario, ecc. È quindi essenziale disporre di scorte sufficienti per far fronte a un taglio dei flussi di approvvigionamento, in particolare in caso di crisi geopolitica.
Il primo shock petrolifero del 1973, creato da un calo concertato delle consegne di petrolio da parte dei paesi dell'Organizzazione dei paesi esportatori di petrolio , innescando un'impennata dei prezzi del petrolio, portò le 16 nazioni più industrializzate (in seguito affiancate da ulteriori 12 membri) a creare l' Agenzia Internazionale per l'Energia , responsabile del coordinamento delle loro politiche energetiche e dell'istituzione di un'economia razionale delle risorse. Per aderire all'AIE, un Paese deve dimostrare di avere riserve di petrolio pari a 90 giorni di importazione, immediatamente a disposizione del governo nel caso in cui l'AIE decidesse misure di emergenza; deve inoltre aver sviluppato un programma di razionamento in grado di ridurre del 10% il consumo nazionale di petrolio.
Nel 2011, quando la prima guerra civile libica ha causato un calo della produzione in quel paese, l'Aie ha deciso di prelevare 60 milioni di barili da queste riserve strategiche.
La più importante riserva strategica di petrolio, quella degli Stati Uniti, ha raggiunto i 696 milioni di barili a fine 2011, ovvero 82 giorni di importazioni nette.
Le scorte di gas svolgono un ruolo importante nel funzionamento e nella sicurezza del sistema del gas in Francia, i 13 impianti di stoccaggio sotterranei per un totale di 144 TWh di capacità di stoccaggio, pari al 30% delle importazioni nette di gas nel 2012.
La politica dell'Unione europea in materia di sicurezza dell'approvvigionamento energetico è definita nel Libro verde del 2006 intitolato "Una strategia europea per un'energia sicura, competitiva e sostenibile", raccomandando in particolare "una nuova proposta legislativa sugli stock di gas che darebbe all'UE i mezzi per reagire secondo il principio di solidarietà tra gli Stati membri in caso di emergenza ”. Questo nuovo regolamento, adottato nel 2010, impone a ciascuno Stato membro di designare un'autorità competente responsabile della definizione dei piani di emergenza e delle valutazioni dei rischi e di richiedere alle società del gas di adottare le misure necessarie per garantire la sicurezza dell'approvvigionamento, senza fissare obiettivi di stoccaggio specifici. Soprattutto, promuove misure per diversificare l'approvvigionamento (gasdotti che bypassano la Russia da sud, porti GNL ) e per migliorare le capacità di scambio, in particolare la natura bidirezionale dei gasdotti.
Nell'energia nucleare, l'uranio contenuto nella parte a monte del ciclo del combustibile nucleare (conversione in esafluoruro di uranio , arricchimento , fabbricazione di assemblaggi , combustibile nel reattore) rappresenta diversi anni di consumo, il che garantisce un'elevata resistenza a un'interruzione dell'approvvigionamento.
Una delle regole fondamentali della sicurezza delle centrali nucleari è la ridondanza dei dispositivi di emergenza: ogni impianto deve avere più fonti di energia elettrica, ad esempio gruppi diesel con le relative scorte di combustibile, per subentrare alla rete elettrica per mantenere il raffreddamento pompe del circuito in funzione.
L'adeguamento della produzione elettrica alla domanda avviene principalmente attraverso l'utilizzo di mezzi di produzione modulabili a piacimento, in particolare centrali a gas; Anche la cancellazione di contratti conclusi con consumatori in grado di interrompere in tutto o in parte i propri consumi durante i periodi di forte domanda contribuisce, ancora marginalmente, a questo aggiustamento. Si prevede di andare oltre nel controllo della domanda di energia utilizzando le reti intelligenti .
Vengono utilizzati anche mezzi di stoccaggio, come scorte di carbone o gas sul sito di centrali elettriche. I principali mezzi di immagazzinamento dell'elettricità sono:
Le centrali idroelettriche dotate di invasi hanno rappresentato in Francia, nel 2012, il 70% della potenza del parco idroelettrico, ma solo il 48% della produzione; il restante 52% ( impianti “ad acqua fluente” ) non è modulabile, e insieme agli aerogeneratori e al solare fa parte delle energie rinnovabili con produzione cosiddetta “fatale” nel senso che non può essere controllata o modulata.
Tra gli impianti dotati di invaso, gli impianti di pompaggio , di cui in Francia i sei principali hanno totalizzato 4.173 MW nel 2012, giocano un ruolo cruciale nell'adeguamento domanda-offerta utilizzando le eccedenze di produzione non di punta per pompare acqua dalle loro minori accumulano al loro serbatoio superiore, creando una riserva di energia potenziale che può poi essere utilizzata per coprire parte del fabbisogno orario di punta.
Le scorte di gas svolgono un ruolo importante nel funzionamento del sistema del gas: consentono di adattare l'offerta di flusso di gas alle variazioni della domanda, in particolare alle sue variazioni stagionali. Ad esempio, in Francia, Storengy , controllata di Engie , e Teréga , ex controllata di Total , gestiscono rispettivamente tredici siti (114 TWh di capacità di stoccaggio) e due siti (30 TWh ), ovvero un totale del 30% delle importazioni nette di gas nel 2012; dodici siti sono in acquifero, tre in cavità saline; durante l'ondata di freddo osservata all'inizio del mese difebbraio 2012, stoccaggio fornito fino al 60% della fornitura nazionale.
L'irregolarità della produzione da centrali “ad acqua fluente” è stata a lungo compensata dall'utilizzo di mezzi di produzione flessibili oltre che dagli stock di dighe idroelettriche .
La nascita di due nuove categorie di energie rinnovabili a produzione fatale (né flessibili né controllabili): eolica e solare, ha dato una nuova dimensione alle esigenze di stoccaggio dell'elettricità.
La Danimarca è stata in grado di aumentare la sua percentuale record di generazione eolica del 33% della sua elettricità nel 2013 attraverso l'interconnessione della sua rete tramite diversi cavi sottomarini, con quelli di Svezia e Norvegia, che nella parte del mercato energetico scandinavo Nordpool, le consentono di vendere le sue eccedenze eoliche nei periodi ventosi a questi due paesi che poi riducono la loro produzione di elettricità, immagazzinando acqua nelle loro dighe, che usano per rivendere l'energia idroelettrica in Danimarca in un periodo di scarso vento; Obiettivo della Danimarca è portare la quota di energia eolica al 50% entro il 2020, sono allo studio metodi di controllo della domanda energetica e l'uso di reti elettriche intelligenti per modulare, ad esempio, la carica delle batterie dei veicoli elettrici e il funzionamento delle pompe di calore secondo la generazione del vento.
Ma altri paesi, come la Germania o il Regno Unito , non hanno la fortuna di avere un potenziale idroelettrico significativo; erano certamente dotati di impianti di pompaggio (6.352 MW in Germania e almeno 2.828 MW nel Regno Unito), ma i più recenti, quelli di Goldisthal in Germania e Dinorwig nel Regno Unito, risalgono al 2003 e 1984; i progetti in corso sono ostacolati dall'opposizione locale.
I ministri responsabili dell'energia dei tre Paesi alpini: Germania, Austria e Svizzera, riuniti il 5 maggio 2012, ha dichiarato che in futuro lo sviluppo delle energie rinnovabili, per la produzione di energia elettrica, non potrà avvenire senza un corrispondente potenziamento delle capacità di trasporto e stoccaggio, e che l'unica tecnica di stoccaggio su larga scala attualmente disponibile è quella delle centrali di pompaggio . Si sono impegnati a coordinare i loro sforzi per promuovere questa tecnica. Le associazioni professionali del settore elettrico dei tre Paesi hanno lanciato congiuntamente un'iniziativa per promuovere lo stoccaggio di pompaggio, invitando i governi a misure di agevolazione normativa e fiscale. La capacità di pompaggio dell'Europa nel 2012 è stata di 45 GW (170 centrali elettriche), di cui il 75% in otto paesi, guidati da Germania, Francia, Spagna, Italia, Svizzera e Austria; entro il 2020 sono previsti una sessantina di progetti per 27 GW , soprattutto in Spagna e nei tre paesi alpini che prevedono di aggiungere agli attuali 12,5 GW (6,5 GW in Germania, 4,3 GW in Austria e 1,7 GW in Svizzera) 11 GW aggiuntivi entro il 2020 (4 GW in Germania, 3,5 GW in Austria e 3,5 GW in Svizzera).
Sono allo studio molti progetti molto diversi tra loro, in particolare per lo stoccaggio dell'idrogeno , o l'uso di batterie per veicoli elettrici per immagazzinare l'energia eolica o solare in eccesso, modulandone la ricarica tramite reti elettriche intelligenti , nel lignaggio delle idee della terza rivoluzione industriale lanciato da Jeremy Rifkin . In Francia, il progetto Ringo per lo stoccaggio su batterie NMC agli ioni di litio (nickel, manganese, cobalto) ad alta densità energetica, avviato da RTE nel 2019, mira a sperimentare il livellamento dei surplus occasionali nella produzione eolica e solare.
Jean-Marc Jancovici fa notare che a livello globale la produzione di energia elettrica è di 23.000 TWh/anno , mentre tutte le riserve di litio conosciute permetterebbero, secondo Fabien Perdu, ricercatore specializzato nel rilascio di batterie al CEA, di raggiungere circa 250 TWh di stoccaggio (solo una volta); che rappresenta solo cinque giorni di consumo globale. Questi valori non sono sufficienti per poter prevedere lo stoccaggio interstagionale su batterie: sarebbe necessario poter accumulare almeno un mese di consumo per garantire l'approvvigionamento durante tutto l'anno.
Altri approcci sono regolare i dispositivi ad alto consumo (riscaldamento elettrico, acqua calda e impianto di refrigerazione, ad esempio) per adeguarsi alla produzione e ai consumi previsti evitando irregolarità come i picchi serali in inverno (vedi cancellare i consumi elettrici ); tuttavia una parte dei consumi non può essere spostata (ascensori, illuminazione, cottura cibi, TV, computer senza inverter o batterie, ecc. ) e il tempo di percorrenza è limitato a poche ore: non è possibile spegnere il riscaldamento per più giorni senza vento né sole.
L'accumulo di energia elettrica in casa, grazie ad una batteria installata in cantina o in garage, si sviluppa con la produzione di energia elettrica in casa, il più delle volte grazie a pannelli fotovoltaici fissati sui tetti. In Europa, secondo Wood Mackenzie, lo stoccaggio di elettricità residenziale aumenterà di cinque volte nei prossimi cinque anni (2019), raggiungendo i 6,6 GWh nel 2024. Il mercato è concentrato in Germania, dove il governo ha incoraggiato lo sviluppo dell'energia solare residenziale dal 2013. Le autorità pubbliche hanno coperto fino al 30% dei costi di installazione nei primi anni. Questa quota è scesa al 10% nel 2018 e a zero da allora1 ° gennaio 2019. Ma lo slancio è stato sufficiente per attrezzare 125.000 case, soprattutto perché il prezzo di pannelli e batterie è sceso allo stesso tempo. Secondo Wood Mackenzie, il mercato dello stoccaggio residenziale può ora crescere senza sussidi in Germania, Italia e Spagna, poiché il prezzo dell'elettricità prodotta in casa si avvicina a quello commercializzato dai fornitori; in Francia, l'incentivo è inferiore, l'elettricità venduta da EDF e dai suoi concorrenti è tra le più economiche del continente.
Associato alle energie rinnovabili, lo stoccaggio a un costo economicamente interessante permetterebbe di accelerare la transizione energetica e l'uso generalizzato delle energie rinnovabili. Mentre il costo dell'energia solare è già drasticamente diminuito, il proseguimento di questa tendenza associata a un calo significativo del costo delle batterie o di altre modalità di accumulo di energia consentirebbe l'avvento di quella che Hermann Scheer chiama la "quarta rivoluzione industriale" . Infatti, secondo un rapporto di Deutsche Bank pubblicato inmarzo 2015, il costo dello stoccaggio potrebbe essere diviso per sette tra il 2015 e il 2020, da 14 a 2 c €/kWh . La riduzione congiunta del costo del fotovoltaico e dello stoccaggio raggiungerebbe il 30% dell'energia fotovoltaica nel 2050, secondo un altro rapporto della Deutsche Bank ofgennaio 2015, aprendo nuove prospettive di interesse generale in termini di sicurezza energetica e transizione energetica ed ecologica. Un costo di stoccaggio di 2 cent/kWh nel 2020 e di 4,1 cent/kWh per il fotovoltaico nel 2025 abbasserebbe il costo del fotovoltaico a 61 euro/MWh , rendendolo economico rispetto al costo pieno di altre fonti energetiche. Il costo del fotovoltaico potrebbe scendere, secondo un rapporto del Fraunhofer Institute , a 4–6 c €/kWh nel 2025 e a 2–4 c €/kWh nel 2050.
Questo calo del prezzo delle batterie consentirebbe anche l'emergere di un mercato di massa per i veicoli elettrici nel 2020, che ridurrebbe la dipendenza dal petrolio e nel medio termine la eliminerebbe, riducendo le emissioni di carbonio, i gas serra e l'inquinamento.
Fatta eccezione per i mezzi naturali di immagazzinamento dell'energia ambientale, come la luce solare nella biomassa, il vento o la pioggia, l'accumulo di energia reversibile è associato all'operazione inversa consistente nel recuperare l'energia immagazzinata (destocking di energia). Queste due operazioni di stoccaggio/recupero costituiscono un ciclo di stoccaggio. Al termine di un ciclo, il sistema di accumulo ritorna allo stato iniziale (idealmente “vuoto”); il deposito è stato quindi rigenerato.
L' efficienza energetica di un ciclo corrisponde al rapporto tra la quantità di energia recuperata rispetto alla quantità di energia che inizialmente si è cercato di immagazzinare. Questo rapporto è generalmente inferiore a uno, salvo che per i mezzi naturali di immagazzinamento dell'energia ambientale dove può essere considerato infinito (divisione per zero), poiché nessuno fornisce l'energia da immagazzinare, che di fatto è gratuita.
L' efficienza energetica di un ciclo di stoccaggio dell'energia dipende in larga misura dalla natura dello stoccaggio e dai sistemi fisici implementati per garantire le operazioni di stoccaggio e recupero.
In tutti i casi, ciascuna delle due operazioni di stoccaggio e recupero induce invariabilmente perdite di energia o di materiale: parte dell'energia iniziale non è completamente immagazzinata e parte dell'energia immagazzinata non è completamente recuperata. Ma per l'energia ambientale naturale, queste perdite influenzano principalmente l'ammortamento economico degli investimenti che potrebbero essere necessari: la luce del sole arriva anche se l'uomo non la cattura.
Su piccola scala, lo stoccaggio di energia per l'uso in forma elettrica consiste principalmente di stoccaggio elettrochimico ( celle e batterie ) ed elettrico ( condensatori e " supercondensatori "). Permette di costituire piccole riserve, ma molto importanti dal punto di vista pratico. Così, oltre alle comuni applicazioni mobili ( batterie al litio , batterie per auto , ecc. ), questo settore darebbe impulso allo stoccaggio di elettricità intermittente (soprattutto solare ed eolica). Nell'uso residenziale, permetterebbe di immagazzinare e autoconsumare la produzione elettrica di una casa dotata di collettori solari fotovoltaici , associandola ad una rete elettrica "intelligente" (parte della Terza Rivoluzione Industriale di Jeremy Rifkin ).
Lo stoccaggio sotto forma di energia chimica è ampiamente utilizzato, ad esempio nelle batterie , ma non rappresenta il metodo di stoccaggio più importante, in volume (espresso in megawattora , o MWh) . Lo stoccaggio chimico di massa è possibile anche vicino alle attività industriali, che ha il vantaggio di regolare meglio le emissioni di carbonio antropogeniche . Ad esempio, la conversione di CO 2da cemento o da centrali alimentate a metano sintetico, mediante catalizzatori , ne consentono il sequestro . Si parla di “ metanazione ” quando il gas è quindi prodotto dall'elettricità e non dalla fermentazione (per metabolismo metanogeno ). Areva sta svolgendo una ricerca su questo tema con un GIE che riunisce Eurodia, Air Liquide ed Engie , con l'idea di utilizzare l'elettricità nucleare .
Biomassa da energia solareLa produzione di molecole ricche di energia dall'energia solare ( fotosintesi ) e facilmente utilizzabili è alla base della vita. L'uomo recupera questa energia immagazzinata naturalmente in varie forme, tutte combustibili:
Poiché la combustione rimane il processo energetico più comune, lo stoccaggio del combustibile è il più sviluppato . La maggior parte degli stati ha riserve strategiche di petrolio e/o carbone. Questi combustibili fossili sono integrati dall'energia del legno , che viene immagazzinata per l'inverno, e dagli agrocombustibili .
La produzione e lo stoccaggio di energia sotto forma di biomassa richiedono diversi mesi e sono di bassa efficienza energetica : la fotosintesi recupera solo circa l'1% dell'energia solare disponibile e, inoltre, comporta costi energetici di sfruttamento non trascurabili (coltivazione, trasporto, trasformazione e combustione delle piante).
L'utilizzo dei derivati del petrolio e della biomassa come combustibile non sfrutta le interessanti proprietà delle molecole prodotte dagli esseri viventi. Per le biomasse rinnovabili c'è il problema della concorrenza con la produzione alimentare.
Per quanto riguarda le scorte di carbone, petrolio o gas di petrolio, la loro costituzione ha attraversato milioni di anni, dall'energia solare, e anche in modo meno efficiente della biomassa rinnovabile. Non avviene più. Si tratta quindi di un titolo non rinnovabile.
Per tutti questi motivi la biomassa è un metodo di stoccaggio che non ha ancora raggiunto la sua piena maturità.
Potenziale elettrochimico ed elettricitàL' energia elettrica è un'energia secondaria e un vettore energetico , derivante dalla trasformazione dell'energia primaria . Una volta prodotto, viene immediatamente consumato o perso. Non è direttamente immagazzinabile (se non in un condensatore ) e deve quindi essere convertito in un'altra forma di energia da immagazzinare.
L'immagazzinamento massiccio di elettricità da parte di accumulatori elettrochimici giganti non è mai stato tentato. Questi accumulatori sarebbero pesanti, costosi e avrebbero una durata limitata. Ponerebbero anche problemi di inquinamento ( acidi e metalli pesanti ) a fine vita e rischio di incendio o addirittura esplosione al di fuori delle normali condizioni di utilizzo.
Molti sistemi scollegati dalla rete di distribuzione elettrica , invece, utilizzano batterie di accumulatori o celle primarie . Si tratta spesso di piccoli dispositivi ( elettrodomestici , elettronica o elettronica di bordo). Le batterie al litio sono comuni nelle applicazioni elettroniche portatili, oltre il 95% per telefoni , laptop , videocamere e fotocamere , con 1,15 miliardi di batterie al litio immesse sul mercato nel 2003.
Dal 2010, queste applicazioni hanno registrato una rinascita di interesse per i veicoli elettrici . Le biciclette e i veicoli elettrici e ibridi utilizzano sempre più batterie al litio (LiPo e soluzioni principalmente LMP).
I condensatori di media e grande capacità, tipi di condensatore chimico o supercondensatore , sono un altro modo per potenziare le coppie elettrochimiche per immagazzinare energia, molto comuni nei dispositivi e nelle macchine elettriche con o senza scheda elettronica .
Batterie al litio-ferro-fosfato (LFP) in nanoparticelle. Questo è il progetto della filiale Aquitaine Energy Factories, di Hydro-Quebec , creata a Lacq con la regione dell'Aquitania . Questi materiali sono abbondanti e poco costosi. Queste batterie immagazzinerebbero energia dieci volte meglio degli "ioni di litio"; supporta 30.000 cicli di ricarica, rispetto ai 1.000 delle batterie agli ioni di litio. La loro durata sarebbe di dieci anni, contro i tre anni delle batterie agli ioni di litio. Consentirebbero entro cinque anni, 500 km di autonomia per un'auto elettrica. L'obiettivo è produrre cinque milioni di celle di batteria al mese, che dividerebbero il loro prezzo per tre o cinque; la produzione dovrebbe iniziare nel 2017. Un totale di 545 milioni di euro dovrebbe essere investito in sei anni. Al progetto hanno aderito la Commissione per l'energia atomica e le energie alternative e il gruppo Arkema .
Gli sviluppi tecnologici riguardano i materiali stessi delle batterie, ad esempio con l'utilizzo delle nanotecnologie . Ad esempio, nel 2017, NaWa Technologies si prepara a industrializzare la produzione di batterie al carbonio; l'azienda annuncia tempi di ricarica 1.000 volte più brevi rispetto a una batteria convenzionale, con un milione di cicli di ricarica. Nanomakers, una startup del CEA , cerca di migliorare la densità degli anodi utilizzando una nanopolvere di carburo di silicio invece della grafite per rendere le batterie agli ioni di litio "dieci volte più efficienti" e prevede risultati entro la fine del 2017.
L'accumulo di energia tende ad aumentare in capacità e reattività (tempo di reazione dell'ordine del millisecondo annunciato). Ad esempio, Akuo Energy ha commissionato una batteria veloce da 4 MWh a Mauritius .
Esiste un dibattito sull'interesse a rendere lo stoccaggio dell'energia elettrica un'attività competitiva (tendenza incoraggiata dalla liberalizzazione del mercato dell'energia), o non competitiva (al fine di attenuare i fallimenti del mercato, in particolare nel contesto di "congestione della rete, sistemi isolati , potere di mercato” ).
GasL'energia disponibile può essere utilizzata per sintetizzare gas combustibili, da molecole meno ricche di energia (o meno convenienti da usare). Il metano o idrogeno o anche un prodotto intermedio quale ammoniaca , sono contemplate.
MetanoIn vista di una transizione verso le energie rinnovabili, i ricercatori dell'azienda austriaca Solar Fuel Technology ( Salisburgo ), in collaborazione con il Fraunhofer Institute for Wind Energy Research di Lipsia (IWES), il centro di ricerca sull'energia solare e l'idrogeno di Stoccarda (ZSW ) e l' Università di Linz hanno sviluppato una soluzione per immagazzinare energia sotto forma di metano . L'energia elettrica in eccesso di origine eolica o fotovoltaica viene utilizzata per scomporre l'acqua in idrogeno e ossigeno ( elettrolisi dell'acqua ), quindi l'idrogeno viene combinato con anidride carbonica per metanazione ( reazione di Sabatier ).
Uno dei principali vantaggi di questo processo è l'utilizzo delle infrastrutture esistenti (serbatoi e tubi del gas), la cui capacità di stoccaggio sarebbe sufficiente a coprire il fabbisogno di metano della Germania per diversi mesi, ad esempio nei periodi in cui solare ed eolico non possono soddisfare il fabbisogno energetico .
Un consorzio industriale francese guidato dalla compagnia di trasporto del gas GRTgaz , controllata del gruppo Engie, ha lanciato ufficialmente ildicembre 2015un manifestante chiamato “Jupiter 1000”, situato a Fos-sur-Mer (Bouches-du-Rhône). Si tratta di immagazzinare elettricità sotto forma di gas naturale. Questo processo di conversione dell'elettricità in gas (in inglese power to gas ) consiste nell'utilizzare l'elettricità per elettrolisi dell'acqua e ottenere idrogeno, che verrà poi combinato con la CO 2., da trasformare in metano sintetico da un'unità di metanazione progettata nell'ambito di una partnership tecnologica tra la Commissione francese per l'energia atomica e le energie alternative e Atmostat . Questo metano sintetico sarà immesso nella rete di distribuzione del gas. Il dimostratore, la cui messa in servizio era prevista per metà 2018 a fine 2015, avrà una potenza elettrica di 1 MW per un investimento di 30 milioni di euro.
IdrogenoL' idrogeno come combustibile è stato proposto come soluzione ai problemi energetici. Può essere utilizzato anche come combustibile o per la produzione di energia elettrica da una cella a combustibile o prodotto per elettrolisi dell'acqua per “immagazzinare” energie intermittenti (eolica, solare) in zone isolate della rete.
L'accumulo di energia può essere realizzato in diverse forme, che hanno una bassa efficienza di conversione.
Gas idrogenoQuesto metodo di archiviazione è il più semplice tecnologicamente, ma presenta degli svantaggi. La maggior parte dei materiali è infatti porosa rispetto all'idrogeno (fenomeno di diffusione intraatomica dovuto alle dimensioni molto ridotte del nucleo di idrogeno, passa attraverso le maglie cristalline dei metalli e della materia condensata. in genere), che genera perdite durante lunghi periodi di conservazione a termine. Inoltre, questo metodo di stoccaggio richiede una grande massa e volume di stoccaggio e una compressione molto costosa in termini di energia. Tuttavia, lo stoccaggio a 350 bar e 700 bar con materiali compositi ha permesso di fornire flotte sperimentali di veicoli in Europa dal 2000, in particolare gli autobus dei progetti europei Ectos, CUTE, Hyfleet Cute e presto CHIC.
Cella a combustibileQuattro case automobilistiche stanno pianificando un lancio in serie di auto a celle a combustibile nel 2015: Mercedes-Benz, Honda, General Motors e Hyundai. La Mercedes " fuel cell " classe B è stata noleggiata a Oslo dalgennaio 2011. Ventidue stazioni di servizio di idrogeno istituite nel 2010 e un totale di 212 nel mondo distribuiscono idrogeno a 350 e/o 700 bar e/o in forma liquida.
Idrogeno liquidoLa liquefazione dell'idrogeno (intorno a -252 °C ) permette di superare parzialmente il problema del volume di stoccaggio del gas (sebbene la densità dell'idrogeno liquido sia di soli 70 g/l ) ma richiede che l'idrogeno sia raffreddato e mantenuto a temperatura molto bassa: questo stoccaggio è complicato, consuma molta energia e forse pericoloso. È generalmente riservato all'uso spaziale, ma viene utilizzato anche per le auto a idrogeno liquido, come una versione (non disponibile per la vendita) della BMW serie 7 .
Un'alternativa promettente è quella di introdurre (in una sorta di stoccaggio diffusivo ) l'idrogeno nella rete pubblica del gas naturale, che può riceverne fino al 5% senza alcun problema. Questa soluzione sarà testata nel 2013 (360 m 3 di H2 iniettato all'ora) dal gruppo E.ON nella Germania nord-orientale (a Falkenhagen tramite un'installazione pilota). Aumentando la quota dal 5 al 15%, che sembra tecnicamente fattibile, "tutta l'attuale produzione (2011) di energia elettrica da fonti rinnovabili potrebbe essere stoccata nella rete del gas tedesca" .
Il progetto “Grhyd”, lanciato nel 2014 da Engie e dieci partner, è stato collegato alla rete del gas della comunità urbana di Dunkerque e ha iniettato il 12 giugno 2018le prime molecole di idrogeno prodotte da un impianto “ power to gas ” che utilizza l'elettricità di una sorgente eolica per elettrolizzare l'acqua; l'idrogeno viene stoccato in forma solida ( idruri ) mediante il processo McPhy , quindi immesso in rete ad una velocità che può variare fino al 20%, in deroga alla normativa francese che lo limita al 6%.
L'accumulo sotto forma di energia meccanica consiste nel trasformare l'energia in eccesso sotto forma di energia potenziale o cinetica .
Energia potenzialeL'energia viene immagazzinata sotto forma di un fluido (acqua o aria compressa ) o di masse solide.
IdraulicoLe dighe sono riserve d'acqua, cadendo in condotti, azionano turbine , convertendo la loro energia potenziale gravitazionale in energia meccanica fornita al generatore di energia elettrica .
L'ottimizzazione del sistema consiste nel riutilizzare l'acqua immagazzinata in un serbatoio a valle o da un fiume ai piedi della centrale idroelettrica. La risalita dell'acqua mediante accumulo pompato in laghi diga , o altri serbatoi sopraelevati, consente di immagazzinare energia quando c'è una sovrapproduzione di elettricità. Questa tecnica, già ampiamente utilizzata per la regolazione e il bilanciamento delle reti elettriche , viene realizzata mediante stazioni di trasferimento di energia pompate, o STEP. Il quotidiano curva di carico , vale a dire la necessità di energia elettrica, può quindi essere "lisciata": l'acqua viene pompata e restituito al alta quota dighe quando la domanda sulla rete è basso (durante le ore di punta , le notti e nei fine settimana , in particolare) , utilizzando la produzione eccedentaria di fonti energetiche non regolabili ( idroelettrico sull'acqua , solare , eolica ...) oa basso costo ( nucleare ); durante i picchi di consumo , quest'acqua ridiscende in pressione e produce nuovamente energia elettrica.
Questo dispositivo elettromeccanico reversibile, che produce energia elettrica nelle turbine e la consuma per pompare acqua, ha un rendimento energetico abbastanza buono , dell'ordine del 75-80% per un ciclo pompa-turbina e ai terminali dell'impianto, tenendo conto delle pompe/ turbine che consumano la maggior parte dell'energia consumata, perdite di carico nel tubo, le perdite di motori / alternatori (la cui efficienza è circa 98%) e trasformatori. D'altra parte, relativamente pochi posti sono adatti a tali installazioni, il serbatoio di accumulo deve essere significativo e il dislivello tra le dighe inferiori e superiori / riserve d'acqua importante.
L'impianto più potente di questo tipo , quello di Bath County negli Stati Uniti, ha 3.003 MW , e il più potente d'Europa, quello di Grand'Maison , 1.800 MW . Sono inoltre in costruzione 14 centrali da oltre 1.000 MW ; Si citano anche 20 centrali europee di minore potenza, 12 delle quali superano i 500 MW .
Utilizzata anche una variante di questo dispositivo nella centrale mareomotrice della Rance in Francia: alta marea, l'acqua non viene immagazzinata passivamente, ma pompata durante le ore non di punta per aumentare la riserva, quindi viene rilasciata vantaggiosamente con la bassa marea. L'acqua così si alzava di qualche metro, poi scendeva per altri dieci metri .
Un'altra variante consiste nell'installare una centrale elettrica in riva al mare (WWTP marino), ai piedi di una scogliera. Su questa scogliera c'è un serbatoio in cui l'acqua di mare viene pompata durante i periodi di forte vento o bassa richiesta, acqua che verrà turbinata durante i periodi di bassa o forte richiesta. Un tale impianto è in funzione nell'isola giapponese di Okinawa , che può fornire 30 MW su un salto di 150 m e molti progetti sono in fase di valutazione, ad esempio in Francia per i dipartimenti d'oltremare (in Guadalupa, in un progetto da 50 MW per 50 m di testa, e in Réunion), sulle coste della Manica e in Bretagna. Un progetto dettagliato è stato realizzato dall'INP - ENSEEIHT , una scuola pubblica di ingegneria, che conclude sulla sua fattibilità tecnica, il suo ridotto impatto ambientale, ma la sua mancanza di redditività nelle condizioni attuali, conclusione che potrebbe cambiare con l'aumento del costo dei vincoli dovuti a l'integrazione della produzione di turbine eoliche nella rete.
Infine, in assenza di falesie, sono stati considerati atolli artificiali, circondati da dighe alte 50 m , il vicino mare costituendo poi il secondo bacino.
masse solideÈ possibile immagazzinare l'energia potenziale della gravità sotto forma di masse solide la cui posizione può variare in base a un gradiente di altezza. Questo principio è, ad esempio, implementato in orologi come il " Comtoise clock ", con masse che vengono avvolte. I dislivelli possono essere sfruttati, ad esempio, lungo terreni accidentati come scogliere, nei pozzi di miniere dismesse o in mare, sfruttando il dislivello tra la superficie e il fondale.
Un argano può quindi essere utilizzato per sollevare o abbassare le masse una per una. Questo verricello è collegato ad una macchina elettrica rotante operante in modalità motore per elevare le masse (accumulo, consumo di energia elettrica) o in modalità generatore per abbassamento delle masse (smaltimento, produzione di energia elettrica).
Chiatte galleggiantiLa società Sink Float Solutions offre un dispositivo marittimo che consente di mantenere le masse in superficie quando sono in posizione elevata e quindi sfruttare dislivelli di diverse migliaia di metri moltiplicando il numero delle masse e riducendo così il costo di investimento. un dispositivo di archiviazione. Un documento tecnico pubblicato sul proprio sito annuncia che è così possibile, senza barriere tecnologiche, immagazzinare energia elettrica per un investimento inferiore a 25 $/kWh con un'efficienza energetica complessiva superiore all'80% e quindi ridurre notevolmente il costo di stoccaggio rispetto ad una stazione di pompaggio . Nel caso di questo dispositivo, le masse comprendono una cavità riempita d'aria, il cui volume può essere riempito d'acqua man mano che queste masse scendono e la pressione corrispondente comprimerà l'aria in esse contenuta.
Tuttavia, questo sistema richiederebbe profondità superiori ai mille metri, il che in certi casi porterebbe a dover installare questi sistemi lontano dalla costa.
Gravità beneLa società Gravity Power ha immaginato di installare masse inserite in un pozzo dell'ordine di 500 m di profondità. Il sistema di recupero energetico sarebbe idraulico. Un pistone pesantemente appesantito mette sotto pressione l'acqua del pozzo durante la produzione; l'acqua così scaricata permette di azionare un generatore elettrico all'interno di un circuito idraulico. Per lo stoccaggio, la pressione idraulica viene invertita e fa salire il pistone.
Treni che salgono su una rampaLa start-up californiana ARES ( Advanced Rail Energy Storage ) propone di immagazzinare energia potenziale in un sistema ferroviario che sale una rampa di circa il 7% su dieci chilometri. L'impatto sul paesaggio sarebbe piuttosto basso e il numero di siti disponibili piuttosto elevato. Il vantaggio rispetto ai pozzi o alle chiatte galleggianti è la sua natura modulare, il numero di carri e quindi le masse utilizzate per lo stoccaggio essendo adattabili, nonché la facilità di estendere la distanza di lavoro oltre i dieci chilometri, senza dover scavare un pozzo profondo o prendere una chiatta molto al largo. Ciò compenserebbe l'inconveniente della bassa pendenza. Un intervallo di sette secondi tra produzione e archiviazione renderebbe importanti servizi per la gestione della rete. Un progetto del genere potrebbe vedere la luce in Nevada nel 2017.
Sistemi a microgravitàUna lampada a LED associata a una massa che si alza ogni venti minuti, e che scendendo fornirebbe abbastanza per alimentare il LED, è stata proposta dal progetto di cooperazione GravityLight . Questo sistema è reso possibile dal bassissimo consumo di illuminazione a LED. Economico, affidabile e durevole perché privo di batterie, consentirebbe alle persone che vivono nei paesi poveri di avere luce senza dover utilizzare combustibili inquinanti responsabili di incendi e ustioni. Hai solo bisogno di appendere una dozzina di sacchi di chilogrammi ad un'altezza di circa 1,80 m . Il sistema GravityLight è stato testato in 26 paesi e dovrebbe essere prodotto in Kenya.
Compressione fluidaLa compressione dell'aria prevede la gestione del suo riscaldamento in compressione e del suo raffreddamento in espansione, ma abbinata ad una pompa di calore, il processo può quindi essere rispettivamente fonte di calore e di freddo. Lo stoccaggio in bottiglia è arrivato a 200 € / kWh nel 2015 secondo Airthium. Lo stoccaggio geologico dell'aria compressa (in vecchie cave di sale, per edifici o attività commerciali) ridurrebbe questo costo a 50 €/kWh di capacità, secondo un progetto che potrebbe vedere la luce nel 2017.
Aria pressurizzataL' aria compressa può essere utilizzata per produrre lavori meccanici. Quando c'è una forte richiesta di energia elettrica, l'aria precedentemente compressa e immagazzinata viene utilizzata per mettere in moto una turbina che, grazie ad un alternatore, produce energia elettrica. Uno dei vantaggi della soluzione è generare solo pochi rischi (nessun o pochi prodotti tossici, metalli rari, ecc. ) e non avere vincoli geografici (soluzione decentralizzata) o scala, poiché è disponibile una fonte di energia elettrica.
Diverse soluzioni sono in fase di sperimentazione o esplorazione per immagazzinare energia intermittente da fonti rinnovabili :
Inizia la società Highview Power (in)giugno 2020la realizzazione di un'unità di accumulo di energia elettrica sotto forma di aria liquida con una capacità di 250 MWh a Trafford Park nei pressi di Manchester (Regno Unito). Il suo costo è stimato in £ 85 milioni e la sua messa in servizio è prevista per il 2022.
Nitrogeno liquidoAzoto liquido a compressione isotermica: Nergitec France ha costruito un dimostratore per immagazzinare energia sotto forma di azoto liquido. Questo ha una densità di energia maggiore rispetto all'aria compressa per un costo di stoccaggio inferiore. Infatti, l'aria compressa richiede grandi quantità di fibre di carbonio affinché i serbatoi possano resistere alla pressione mentre l'azoto liquido può essere immagazzinato a una pressione prossima a quella atmosferica.
L'azoto è prodotto dall'aria utilizzando carbone la cui dimensione dei pori è uguale alla dimensione della molecola di ossigeno; l'aria passa attraverso il carbone che cattura l'ossigeno, fuoriesce l'azoto; quando il carbone è saturo di ossigeno, un soffio di aria compressa pulisce il carbone per far ripartire il ciclo a tempo indeterminato. È vero che la produzione di azoto dall'aria consuma poca energia, ma permette lo stoccaggio di energia rinnovabile. Infatti, in primavera e in estate, in Europa, la produzione di energia solare supera la domanda. L'azoto liquido consente di immagazzinare grandi quantità di energia ad un costo energetico ed economico inferiore rispetto a quelli di altri metodi di stoccaggio .
VolanoÈ un elemento praticamente obbligatorio in tutti i motori , a forma di volano , per regolare il movimento su scale temporali molto brevi, meno di un secondo. Può essere utilizzato per l'archiviazione a breve termine. Alcune valutazioni danno quantità di energia immagazzinata piuttosto basse: quindi per un'automobile da una tonnellata lanciata a 150 km/h ciò rappresenterebbe 860 kJ , ovvero meno di 0,25 kWh , come si usava in Formula 1 per un guadagno puntuale e di potenza istantanea. È stato inoltre progettato un prototipo commerciale, per l'automobile, stabilendo un risparmio del 25% di carburante.
L'energia viene immagazzinata sotto forma di energia cinetica dalla rotazione di uno o più dischi pesanti, eventualmente assemblati in un sistema controrotante per limitare gli effetti giroscopici .
Per accumulare energia, il disco viene accelerato (da un motore o da un flusso di liquido o gas). Per recuperare l'energia accumulata, freniamo il disco che rallenta rilasciando l'energia. In pratica, nel caso di accumulo di energia elettrica, il generatore può essere il motore (lo stesso dispositivo elettrico può fungere da motore o freno/generatore).
L' attrito deve essere minimo per evitare perdite. Ciò è possibile ponendo il volano nel vuoto e su cuscinetti a levitazione magnetica , sistemi che rendono il metodo costoso. Velocità del volano più elevate consentono una maggiore capacità di stoccaggio ma richiedono materiali sufficientemente resistenti da resistere allo scoppio ed evitare gli effetti esplosivi di un guasto del sistema, durante il quale l'energia cinetica di rotazione verrebbe convertita in energia cinetica di traslazione (in altre parole, il disco si trasformerebbe in un proiettile …).
In pratica, questo tipo di accumulo è molto diffuso, ma è principalmente limitato ai volani dei motori e dei dispositivi di produzione di energia; operano un livellamento a brevissimo termine per regolare la fornitura di energia. Questo è particolarmente vero per tutti i motori termici, in particolare i motori turbo diesel i cui sbalzi sono significativi, soprattutto a bassa velocità.
Diversi decenni fa, gli autobus urbani ( filobus ) funzionavano con un volano posizionato in piano sotto il pavimento, come il Gyrobus che circolò negli anni '60 in diverse città belghe. Questo sistema ha permesso di percorrere diversi chilometri senza inquinamento e in silenzio prima di una "ricarica", che veniva effettuata in pochi minuti durante le soste, in stazioni attrezzate a tale scopo. All'epoca il rilancio dell'unico grande disco avveniva con un sistema pneumatico o con un motore elettrico posto in carreggiata. La complessità tecnica di questa soluzione (le dimensioni, il peso dell'attrezzatura, i problemi di usura dei cuscinetti del volante, la complessità di utilizzo e l'effetto giroscopico che tendeva a sbilanciare i veicoli) associata ad un'economia di basso interesse ne ha impedito i primi anni Sessanta.
Gli sviluppi tecnici aggiornano questo sistema. L'utilizzo di due dischi controrotanti più leggeri, rotanti ad altissima velocità grazie a nuovi materiali più resistenti, e lanciati da un motore elettrico/generatore integrato, permette un netto miglioramento del rapporto peso a vuoto/carico utile. Questo ne consente anche l'utilizzo come rallentatore nei paesi in pendenza, dove il peso è ancora più penalizzante.
Diversi produttori stanno quindi lavorando all'applicazione del volano al trasporto pubblico, in particolare Alstom per i suoi tram, che dal 2005 sta sperimentando questa tecnica sulla rete di Rotterdam .
Sono state sperimentate anche applicazioni nel settore ferroviario . I volani sono utilizzati dal 2009 anche sulle vetture di Formula 1 (sistema SREC ) e su alcune vetture sportive per recuperare l'energia cinetica durante la frenata ( frenata rigenerativa ).
L' efficienza energetica di questo sistema, talvolta chiamato "batteria meccanica", è maggiore di quella consentita dall'uso di accumulatori chimici.
Questa tecnologia viene utilizzata anche negli alimentatori senza interruzioni statiche ( UPS ) e dinamici (ADI) ( Uninterruptible Power Supply in inglese) per compensare l'interruzione dell'alimentazione per alcuni secondi e per consentire di attendere l'inizio di un gruppo di soccorso .
L' accumulo di calore può essere ottenuto attraverso due diversi fenomeni associati ai materiali che forniscono l'accumulo. Si parla quindi di accumulo per calore sensibile e accumulo per calore latente .
ScaldabagnoL'accumulo di energia termica in un sistema termodinamico consente, ad esempio, di spostare (di quattro o cinque ore) il picco di consumo; lo scaldabagno Francia (3 GW di potenza) e forniscono un pool di 28 TWh , che corrisponde al 10% di tutto il consumo energetico dell'edificio del paese. Al di là di questa funzione cumulo, le abitazioni con elevata inerzia termica (muri spessi, buon isolamento) consentono di smussare e ridurre le esigenze di riscaldamento e raffrescamento, consentendo un risparmio diretto.
Su scala più ampiaIl calore solare può essere immagazzinato in serbatoi, dalle ore diurne alle ore notturne o, se i serbatoi sono più grandi, dall'estate all'inverno. Un edificio nel Cité internationale universitaire de Paris, rinnovato nel 2016, sta sperimentando con tale tra - calore solare stagionale di stoccaggio per il riscaldamento dell'acqua nelle 142 camere, con due serbatoi più di 15 m di altezza.
L'energia termica può anche essere immagazzinata per generare elettricità quando necessario, per regolare il guadagno solare; questo tipo di utilizzo è ancora marginale in termini di volume ma potrebbe svilupparsi con la produzione di energia elettrica da parte di un impianto solare termodinamico .
Il materiale a cambiamento di fase (PCM) può anche accumulare negli edifici scaldacqua solari termici solari individuali (CESI). I PCM consentono di livellare la produzione di energia fornita dal Sole e di aumentare la capacità di accumulo grazie alla loro elevata densità di energia in volume. Kaplan Energy è stato il primo produttore a dotare il proprio CESI e SSC (Combined Solar System) di batterie solari termiche realizzate in MCP.
Per calore sensibileIn calore sensibile stoccaggio , l'energia viene memorizzato come un aumento della temperatura del materiale di accumulo. La quantità di energia immagazzinata è quindi direttamente proporzionale al volume, all'aumento di temperatura e alla capacità termica del materiale di stoccaggio. Questo tipo di accumulo è limitato solo dalla differenza di temperatura disponibile e quella sopportata dal materiale o dal suo contenitore, dalle perdite termiche dell'accumulo (legate al suo isolamento termico ) e dall'eventuale cambio di stato (o "cambiamento di fase" ) che il materiale utilizzato per lo stoccaggio potrebbe dover subire ( fusione o vaporizzazione ).
Alcuni esempi di accumulo di calore sensibile:
In calore latente di stoccaggio , l'energia viene memorizzato come un cambiamento di stato del materiale di accumulo ( fusione o vaporizzazione ). L'energia immagazzinata dipende quindi dal calore latente e dalla quantità di materiale immagazzinato che cambia stato. A differenza della conservazione sensibile, questo tipo di conservazione può essere efficace per differenze di temperatura molto piccole. Nel caso di cambiamenti di fase solido/liquido o liquido/vapore , e per una data quantità di energia immagazzinata e un dato materiale di immagazzinamento, l'accumulo di calore latente richiede un volume inferiore rispetto all'accumulo di calore sensibile perché il calore latente è solitamente molto più alto della capacità termica.
Questi due tipi di stoccaggio possono essere utilizzati per conservare il freddo.
Alcuni esempi di accumulo di calore latente:
L' accumulo magnetico superconduttore è anche chiamato SMES per " accumulo di energia magnetica superconduttore ". Lo SMES permette di avere quasi istantaneamente una grande quantità di elettricità, ma non potrà generalizzarsi finché non si riuscirà a produrre magneti superconduttori ad alte prestazioni, durevoli e meno costosi. Permette oggi, ancora in via sperimentale, di immagazzinare energia sotto forma di campo magnetico creato dalla circolazione di una corrente continua di altissima intensità in un anello superconduttore raffreddato alla sua temperatura critica di transizione verso lo stato superconduttore. Il campo magnetico è generato dal flusso di una corrente elettrica in una bobina di materiale superconduttivo e cortocircuitato che doveva essere raffreddata a 4 K , ovvero -269 °C nei primi modelli, ma a Grenoble, l'Institut Néel e G2Elab sono riusciti a far funzionare SMES a una temperatura di -253,15 °C , rendendo il raffreddamento meno difficile e il sistema più leggero ed efficiente. È sufficiente collegare la bobina alla rete per scaricarla.
Per il momento, il costo delle apparecchiature (e l'energia necessaria per la refrigerazione) riservano questo tipo di stoccaggio ad applicazioni ad alta tecnologia, civili o militari (lanciatori elettromagnetici, ecc.).
L'accumulo di energia compete con altre due categorie di strumenti di regolazione dell'equilibrio tra domanda e offerta :
La scelta tra questi diversi mezzi viene fatta essenzialmente sulla base del rapporto economico costi/benefici, che può essere influenzato da un sistema di tassazione ecologica volto a integrare nei costi le esternalità di soluzioni il cui impatto sulla salute o sull'ambiente . è considerato dannoso.
Il rapporto ETP 2014 dell'Agenzia internazionale per l'energia pubblicato inmaggio 2014studia tre possibili scenari per l'evoluzione dei sistemi energetici fino al 2050; osserva che l' accumulo di pompaggio rappresenta attualmente il 99% delle applicazioni di accumulo di energia elettrica, che le molte altre tecnologie testate non hanno mai raggiunto dimensioni industriali; considerando che il valore della flessibilità fornita dalle tecnologie di stoccaggio aumenterà con l'aumento della quota di energie rinnovabili con produzione irregolare, ma ritiene che ciò non sarà sufficiente per renderle competitive con altri mezzi di regolamentazione; continueranno a svilupparsi per la sintonizzazione della frequenza, il tracciamento del carico e le applicazioni di sistemi isolati dalla rete, ma in altri mercati non saranno sviluppati fino a quando non saranno state massimizzate altre tecnologie a basso costo.
Un inventario delle soluzioni di stoccaggio e del loro costo è stato pubblicato da ADEME ed ENEA Consulting in Ottobre 2013. Questo rapporto presenta lo stoccaggio di prodotti chimici al piombo come la soluzione di stoccaggio alla rinfusa con il costo di investimento più basso (100 € / kWh ). Questa soluzione porta tuttavia ad un aumento del costo dell'energia elettrica rispetto al suo costo attuale. Attualmente, le batterie agli ioni di litio sono la soluzione migliore date le loro migliori prestazioni per un costo di acquisizione simile. Lo stoccaggio mediante pompaggio/turbinatura non può essere massificato perché vincoli topografici ne limitano le potenzialità di sviluppo. È, in alcuni casi, finanziariamente più vantaggioso. La stazione di pompaggio di Bath County illustra questo fatto: al costo di 1,6 miliardi di dollari nel 1985 offre una capacità di 30 GWh , che corrisponde a un investimento di 54 USD/kWh ). In mare, invece, si stanno valutando progetti che autorizzino lo sviluppo senza vincoli topografici, come nel caso di un progetto di isola energetica di 2,5 km di diametro al largo della costa belga con una capacità di stoccaggio di 5. 000 MWh . Sono allo studio altre soluzioni a costi molto inferiori, basate sull'energia potenziale della gravità .
Si possono prendere in considerazione soluzioni di archiviazione a basso costo. È ad esempio possibile, in teoria, ridurre il costo unitario di una stazione circolare di pompaggio/turbina marittima aumentandone le dimensioni, purché la profondità media rimanga costante. Ad esempio, moltiplicando per 10 il diametro (e quindi il costo) del progetto belga, si moltiplica la capacità di stoccaggio per 100. Il costo unitario viene quindi diviso per 10 (25 €/kWh di capacità). Per essere redditizio, un progetto del genere richiederebbe un fabbisogno di capacità di stoccaggio molto maggiore di quello esistente oggi in Belgio. Allo stesso modo, è teoricamente possibile utilizzare il Canale della Manica come serbatoio di stoccaggio a valle costruendo due dighe, una tra Calais e Dover e l'altra tra Cherbourg e Portsmouth. L'investimento necessario è stimato in 200 miliardi di euro per 8 TWh di capacità , che corrisponderebbe ad un investimento di 20 €/kWh . Tale progetto richiederebbe la costruzione di chiuse di grande capacità per non interrompere il traffico marittimo. Collegherebbe il Regno Unito al continente tramite due strade.
Esistono altri megaprogetti a basso costo unitario, in particolare lo sfruttamento della depressione di Qattara come stazione di pompaggio. La depressione potrebbe essere riempita d'acqua scavando un tunnel di 80 km che la colleghi al Mar Mediterraneo. La realizzazione di una diga all'altezza della strozzatura topografica della depressione consentirebbe di realizzare un invaso a monte ea valle di dimensioni pressoché uguali, con un dislivello di 25 metri. In teoria sarebbe possibile immagazzinare 3 TWh per un investimento di 20 miliardi di euro (7 €/kWh ) .
Lo sviluppo dei veicoli elettrici porta ad un significativo sviluppo delle batterie al litio nel decennio 2010-2020, economie di scala che portano ad una rapida riduzione dei costi:
Anno | costi in $ / kWh |
---|---|
2010 | 1160 |
2011 | 899 |
2012 | 707 |
2013 | 650 |
2014 | 577 |
2015 | 373 |
2016 | 288 |
2017 | 214 |
2018 | 176 |
Mentre emerge il mercato delle auto elettriche, lo Stockholm Environment Institute evidenzia (in Nature Climate Change ) un calo del prezzo delle batterie agli ioni di litio per i veicoli elettrici. Il loro prezzo è diminuito dal 2007 al 2014 ad un tasso del 14% all'anno, da 1.000 $/kWh (880 €/kWh ) a circa 410 $/kWh (360 €/kWh ). L' Agenzia Internazionale per l'Energia (AIE) ha previsto che tale livello non sarebbe stato raggiunto fino al 2020. Da parte sua, l' agenzia Bloomberg calcola che non appena il prezzo della benzina tornerà al livello del 2011, i veicoli elettrici diventeranno competitivi con i propulsori convenzionali negli Stati Uniti. Inoltre, queste batterie immagazzinano anche elettricità fotovoltaica domestica.
Il quotidiano Les Échos du17 agosto 2014 conferma questo calo (−20% in due anni) e prevede l'emergere di un grande mercato dell'auto elettrica nel 2020 (se non mancano i minerali necessari) ma anche lo stoccaggio di energie rinnovabili non controllabili come il fotovoltaico e l'eolico (il di cui anche i costi base sono in diminuzione).
Nel 2014, Tesla ha lanciato il suo progetto di impianto di batterie agli ioni di litio che dovrebbe funzionare a piena capacità nel 2020 e dovrebbe produrre più batterie all'anno di quante ce ne fossero nel mondo nel 2013, secondo il produttore.
Nel 2016Vengono lanciati due prodotti concorrenti, basati su una batteria agli ioni di litio, per immagazzinare elettricità per una casa o un'azienda, Powerwall di Tesla (dalla fine del 2015 negli Stati Uniti, Australia e Germania) ed Ecoblade di Schneider Electric . Powerwall è annunciato in 3000 $ per 7 kWh ed Ecoblade 1000 $ per 2 kWh (un kilowattora è un'ora di consumo medio di una casa).
Nel 2017La rivista Science sta trasmettendo l'annuncio di Tesla che sta pianificando l'equivalente della più grande batteria agli ioni di litio del mondo. Un gruppo di 788 sistemi Powerpack immagazzinerà l'elettricità in eccesso prodotta da un parco eolico australiano da 100 MW gestito dalla società francese di energie rinnovabili Neoen (il triplo del record esistente per lo stoccaggio di elettricità in batteria). L'operatore sarà così in grado di regolarizzare la sua produzione e immagazzinare energia elettrica quando è poco costosa per poi rivenderla con profitto durante i picchi di domanda. Questa operazione è supportata dal governo del South Australia, che mira a produrre in modo affidabile metà della sua elettricità da fonti rinnovabili prima del 2025, e che ha sofferto di un deficit di immagine nel settembre 2016 e poi nel febbraio a causa di due interruzioni di corrente legate non al l'uso di fonti rinnovabili, ma al collasso di un impianto di trasmissione in un caso ea una domanda imprevista di energia in un altro. Oltre a favorire la produzione e l'utilizzo delle rinnovabili, l'elevata capacità di potenza della nuova batteria che sarà disponibile "a scatti rapidi" consentirà di mantenere la frequenza dell'energia elettrica nell'intervallo corretto in caso di perturbazioni della rete. forte aumento della domanda. Questo annuncio contrasta con la strategia del governo federale che promuove ulteriormente i combustibili fossili e l'apertura di una nuova miniera di carbone nel Queensland come emissioni di CO 2 del Paese è aumentato di un ulteriore 1,4% nel 2016, impedendo all'Australia di rispettare l'Accordo di Parigi (diminuzione delle emissioni del 28% rispetto ai livelli del 2005 entro il 2030.
Nel 2018La New Metal Refining Company (Snam) di Viviez (Aveyron), controllata dalla holding belga Floridienne, ritira 6.000 tonnellate di accumulatori all'anno, di cui l'8% per autoveicoli; a partire dal 2018, produrrà batterie con componenti riciclati. SNAM aprirà per la prima volta un laboratorio pilota per batterie agli ioni di litio riciclate nella primavera del 2018 . Per la produzione di massa, l'azienda sta cercando un nuovo sito ad Aveyron per aprire uno stabilimento con una capacità di 20 MWh all'anno nel 2019 . Migliorerà quindi i processi a 4.000 MWh all'anno entro il 2025. Poiché i produttori di automobili non vogliono batterie riciclate, l'azienda si rivolge al mercato in crescita dello stoccaggio di elettricità nell'industria, nell'edilizia e nelle energie rinnovabili. Mira a far sì che le sue batterie riciclate siano competitive nel prezzo con batterie e generatori piombo-acido economici.
Nel 2019Tra il 2010 e il 2018 il costo di una batteria agli ioni di litio è già diminuito dell'85%, secondo BloombergNEF, e si prevede un ulteriore dimezzamento entro il 2025, in particolare grazie alle economie di scala ottenute con la crescita del parco dei veicoli elettrici: il prezzo delle grandi batterie per le aziende elettriche scenderà da 360 $ per kilowattora nel 2019 a 170 $ nel 2030. Nonostante questo calo, lo sviluppo dello stoccaggio richiederà investimenti importanti: 662 miliardi di dollari negli anni. venti anni. Secondo Bank of America , la California punta a 1,8 GW di capacità installata entro il 2020, lo Stato di New York a 3 GW entro il 2030. Anche Regno Unito, Germania, Australia, Corea e Cina stanno sviluppando progetti ambiziosi.
L'immagazzinamento di grandi quantità di energia richiede spazio e risorse e non è privo di impatti ambientali.
Una guida pubblicata nel 2016 ha lo scopo di aiutare i gestori di rete, i fornitori di energia elettrica e i progettisti di sistemi di accumulo a valutare meglio gli effetti ambientali dei sistemi di accumulo di energia disponibili e la loro integrazione in una rete elettrica. Incontri e dibattiti con scienziati ed esperti del settore (ingegneri chimici, biologi industriali, chimici, ingegneri elettrici, ecc.) e un'analisi della letteratura accademica e del lavoro di ricerca hanno portato a 12 principi (raggruppati in 3 categorie).