BESS: sistemi di accumulo dell’energia a batteria

La nascita dell’energia elettrica si fa risalire convenzionalmente alla pila di Alessandro Volta, sviluppata dal grande inventore italiano fra il 1799 e il 1800. Era un prototipo dell’apparecchio che oggi si chiama batteria: si può quindi affermare che le batterie sono all’origine della storia dell’elettricità. E oggi sono ancora un elemento essenziale per il sistema energetico mondiale sotto forma di sistemi di accumulo dell’energia a batteria: BESS (dall’inglese Battery Energy Storage System). Cosa sono le BESS? Le BESS sono impianti in cui le batterie, singolarmente o più spesso aggregate, sono usate per immagazzinare l’elettricità prodotta dagli impianti di generazione e renderla disponibile nei momenti di necessità. In una BESS le componenti fondamentali sono i blocchi formati dalle batterie, ma sono presenti anche altri elementi: un inverter, che converte la corrente continua delle batterie in quella alternata della rete elettrica (e viceversa); un trasformatore, per adattare la tensione del sistema a quella della rete; infine, i sistemi ausiliari (in particolare raffreddamento e antincendio). Come funzionano gli impianti di accumulo? La tecnologia dei sistemi BESS si basa sull’uso di batterie elettrochimiche, in grado di immagazzinare l’energia prodotta dagli impianti rinnovabili. Una sorta di power bank in grado di restituire l’energia accumulata, restituendola a richiesta. Sono fra i principali sistemi di energy storage, cioè appunto di accumulo dell’energia. Sono chiamati a volte anche sistemi a energia elettrochimica per distinguerli dagli altri, come quelli a energia gravitazionale (fra cui le centrali idroelettriche a pompaggio), a energia meccanica (fra cui i sistemi ad aria compressa o quelli a volano) e a energia termica (Thermal Energy Storage, TES). Come in tutti i sistemi di storage, nelle BESS l’elettricità prodotta da una centrale, o da un qualsiasi altro impianto di generazione – anche un singolo pannello fotovoltaico – viene immagazzinata per poi essere rilasciata nei tempi e nei momenti voluti. La specificità delle BESS sta nella tecnica usata per l’accumulo: dato che la corrente elettrica è un flusso di cariche elettriche, una batteria viene caricata accumulando cariche di particolari materiali (detti elettroliti) in uno dei due poli, da cui poi scorrono verso l’altro polo nella fase di scarica. Tipi di batterie Le batterie si distinguono principalmente in base agli elementi chimici usati: batterie agli ioni di litio: è la tecnologia oggi più diffusa, efficiente e sempre più conveniente economicamente; tipicamente queste utilizzano il litio in combinazione con altri materiali, come ad esempio ferro e fosfato utilizzate nelle batterie LFP. La ricerca più avanzata punta anche sulle batterie a litio-zolfo; fra le alternative al litio, sono già in uso batterie a piombo-acido e a sodio-zolfo, mentre altre sono in fase di studio, come quelle ad alluminio-zolfo; una tecnologia emergente è quella delle batterie a flusso, in cui cambia la dinamica interna: a differenza delle batterie convenzionali, gli elettroliti sono stoccati in serbatoi separati, per poi fluire in una cella centrale dove sono messi a reagire nella fase di carica e scarica. Le più comuni sono quelle al vanadio, ma la ricerca si concentra anche su modelli a zinco-bromo e a zinco-ferro. È una soluzione promettente soprattutto per la maggiore durata di vita; batterie allo stato solido: mentre le batterie convenzionali e quelle a flusso usano normalmente elettroliti allo stato liquido, in questo caso si presentano allo stato solido (per esempio materiali ceramici o sintetici). Hanno buone prestazioni ma costi ancora elevati. Vantaggi dello stoccaggio in batteria Lo stoccaggio dell’energia è uno degli elementi di primissimo piano nella transizione energetica in corso. Il suo ruolo, infatti, è sempre più determinante alla luce della diffusione su larga scala delle fonti rinnovabili intermittenti e non prevedibili. Grazie ai sistemi di accumulo, l’elettricità prodotta dagli impianti eolici e solari può essere immagazzinata e poi rilasciata nei momenti voluti: può essere dunque erogata ai clienti in qualsiasi momento, indipendentemente dall’ora del giorno e dalle condizioni meteorologiche. In pratica, lo stoccaggio è indispensabile per abilitare la penetrazione nel sistema energetico delle nuove fonti rinnovabili: è essenziale per ridurre il ricorso ai combustibili fossili, e quindi per ridurre le emissioni di gas serra in atmosfera. L’altro grande beneficio dei sistemi di storage riguarda la rete di trasmissione. L’energia elettrica immagazzinata permette di fare fronte a eventuali scompensi fra domanda e offerta sul mercato: in questo modo la rete diventa più stabile e si riducono notevolmente i rischi di disservizi o blackout. Fra tutti i sistemi di storage, le BESS hanno innanzitutto il vantaggio della convenienza economica: grazie ai rapidissimi progressi dell’innovazione tecnologica, soprattutto nel campo della scienza dei materiali e alla diffusione della produzione per il settore delle auto, i prezzi delle batterie continuano a scendere, mentre aumenta sempre più la loro efficienza. Inoltre, le BESS, grazie alla loro struttura modulare, sono caratterizzati da una grande flessibilità e scalabilità: a un impianto già in funzione si possono aggiungere facilmente altri blocchi di batterie per aumentarne la capacità. Quali sono le principali applicazioni Gli utilizzatori più naturali delle BESS sono le aziende di elettricità che dispongono di impianti eolici e solari. In questo caso le BESS sono in genere di grandi dimensioni, realizzati in prossimità dei nodi principali della rete di trasmissione o spesso installati direttamente presso gli impianti di generazione elettrica. Sono molte altre però le applicazioni possibili, e sempre più diffuse. La loro crescita è costante ed è legata anche al fenomeno dei prosumer (dall’inglese producer + consumer), cioè gli autoproduttori di elettricità: se per esempio un privato dispone di un pannello solare sulla propria abitazione, una piccola BESS gli consente di accumulare l’elettricità prodotta in eccesso durante il giorno per usarla la notte. Inoltre, gli assicura una certa autonomia in caso di blackout e la possibilità di staccarsi dalla rete elettrica. Per le industrie e le aziende commerciali, una BESS comporta vantaggi analoghi ma con una maggiore articolazione: un’azienda, soprattutto se energivora, può regolare i quantitativi di elettricità attinta dalla rete, per esempio per diminuirli nei momenti in cui i prezzi sono più alti, o in generale per evitare picchi di consumo. Inoltre può decidere in anticipo di ridurli nei momenti di picco della domanda: in questo modo non solo si garantisce una maggiore sicurezza energetica, ma può anche contribuire alla stabilità della rete assicurandosi allo stesso tempo un ritorno economico grazie al meccanismo del Demand Response. Le BESS sono poi elementi imprescindibili per le microgrid (o microreti): le piccole reti elettriche che servono per produrre e distribuire energia a livello locale (per esempio grandi fabbriche, distretti industriali o complessi residenziali). Infine, le BESS sono funzionali alle smart grid, le reti intelligenti per la distribuzione di elettricità, perché le mettono in condizione di poter attingere a una riserva in caso di necessità anche immediate. Batterie per l’accumulo del fotovoltaico Gli impianti fotovoltaici, dai singoli pannelli dei prosumer ai grandi parchi solari delle aziende di elettricità, sono fra gli utilizzatori più naturali delle BESS. Perciò molto spesso i fornitori di pannelli solari offrono pacchetti commerciali in cui sono già incluse le batterie per l’accumulo. Nella grande maggioranza dei casi si usano batterie agli ioni di litio: sono convenienti rispetto alle alternative (come quelle a piombo-acido) soprattutto per un rapporto nettamente migliore fra costo, efficienza e durata di vita. La taglia delle BESS dipende naturalmente da quella dell’impianto solare a cui è abbinato; in genere se ne sceglie uno con una potenza del 50-100% superiore rispetto alla potenza teorica massima che l’impianto fotovoltaico è in grado di erogare. Impatto economico e sociale delle BESS Le BESS hanno un impatto molto favorevole sul mercato dell’energia, grazie al loro funzionamento sono in grado di fornire servizi di rete ed energia nei momenti di domanda elevata a prezzi più competitivi degli impianti di generazione tradizionali, inoltre, favoriscono la flessibilità del sistema elettrico e la generazione distribuita, caratteristiche del nuovo paradigma. Il vecchio modello unidirezionale, con poche grandi centrali che erogavano elettricità agli utenti passivi, si sta trasformando in una rete multidirezionale con molti produttori, protagonisti attivi del mercato: un cambiamento epocale non solo dal punto di vista tecnologico ma anche sociale. Dal punto di vista economico, i beneficiari più immediati delle BESS sono i loro utilizzatori privati, che risparmiano sulla bolletta elettrica e godono di una maggiore sicurezza del rifornimento di elettricità: vantaggi rilevanti sia per il comfort dei singoli cittadini sia, a maggior ragione, per la competitività delle aziende. Inoltre, nel caso delle microgrid o delle comunità energetiche, le BESS diventano anche uno strumento di coesione sociale. Infine, le BESS hanno un impatto benefico per l’umanità dal punto di vista ambientale: favorendo la diffusione delle fonti pulite, contribuiscono a mitigare i cambiamenti climatici e a migliorare la qualità dell’aria. Il ruolo delle BESS nel sistema energetico è dunque sempre più determinante in un’ottica di sostenibilità sociale e ambientale: per portare avanti una transizione energetica equa e sicura è importante che la loro presenza sia sempre più capillare. E i miglioramenti continui in termini di costi e di prestazioni fanno legittimamente prevedere che sarà proprio così.

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BESS: sistemi di stoccaggio dell’energia a batteria (Battery Energy Storage System)

BESS: sistemi di stoccaggio dell’energia a batteria (Battery Energy Storage System)