In base alle diverse forme di accumulo dell’energia,tecnologie di stoccaggio dell’energiapossono essere suddivisi in cinque categorie: tecnologia di accumulo dell'energia meccanica, tecnologia di accumulo dell'energia elettrochimica, tecnologia di accumulo dell'energia elettrica, tecnologia di accumulo dell'energia chimica e tecnologia di accumulo dell'energia termica.
◇Tecnologia di accumulo dell'energia elettrica
◇Tecnologia di accumulo dell'energia chimica
◇Tecnologia di accumulo termico
Tecnologia di accumulo meccanico dell'energia
Come è noto, in natura esistono diverse forme di energia cinetica e potenziale, come i corsi d'acqua, il vento naturale, le maree e le onde; le attività umane generano anche una grande quantità di energia cinetica e potenziale, come lo spostamento di persone, veicoli, navi e fluidi. Tutte queste energie, sia quelle generate in natura che quelle generate dalle attività umane, sono fonti energetiche rinnovabili. L'energia meccanica è la somma dell'energia cinetica e potenziale, una quantità fisica che rappresenta lo stato di movimento e l'altitudine di un oggetto. L'energia cinetica e potenziale di un oggetto possono essere convertite l'una nell'altra; nel processo di conversione reciproca tra energia cinetica e potenziale, la quantità totale di energia meccanica rimane costante, cioè l'energia meccanica viene conservata.
L'accumulo di energia meccanica è una tecnologia che converte l'energia in energia meccanica per l'accumulo e quindi la riconverte in energia elettrica quando necessario. I metodi comuni di stoccaggio dell'energia meccanica includono lo stoccaggio idroelettrico con pompaggio, lo stoccaggio dell'aria compressa e lo stoccaggio dell'energia tramite volano. Le tecnologie di stoccaggio meccanico dell’energia hanno in genere un’elevata densità di potenza, capacità di risposta rapida e una lunga durata, che le rendono adatte alla regolazione della rete e all’alimentazione di emergenza. Il tempo e la scala di stoccaggio variano a seconda della tecnologia specifica, da minuti a giorni, e possono soddisfare diverse esigenze di stoccaggio dell'energia.
Accumulo idroelettrico con pompaggio:
Lo stoccaggio idroelettrico mediante pompaggio è attualmente la tecnologia di stoccaggio energetico su larga scala-più utilizzata. Utilizza l'elettricità per pompare l'acqua da un serbatoio di basso-livello a un serbatoio di alto-livello, immagazzinandone l'energia potenziale. Durante i periodi di picco della domanda di elettricità, l’acqua viene rilasciata per generare elettricità attraverso le turbine. Questo metodo ha un'efficienza di conversione relativamente elevata (tipicamente 70%–85%), è adatto per regolare le differenze di picco-valle nella rete elettrica e offre un'ampia capacità di stoccaggio e un funzionamento stabile.
Lo stoccaggio idroelettrico tramite pompaggio viene spesso utilizzato per supportare l’integrazione della rete di energia rinnovabile, bilanciare le fluttuazioni dell’offerta e della domanda e possiede una lunga durata di stoccaggio e una forte capacità di riserva. Il suo principio è mostrato nella Figura 1-1.
Accumulo di energia nell'aria compressa:
L'accumulo di energia tramite aria compressa prevede la compressione dell'aria mediante un compressore elettrico e il suo stoccaggio in caverne sotterranee, serbatoi o recipienti a pressione. Quando la domanda di elettricità aumenta, l'aria compressa immagazzinata viene rilasciata, riscaldata e utilizzata per azionare una turbina per generare elettricità. Lo stoccaggio dell'energia tramite aria compressa offre in genere capacità di stoccaggio dell'energia su larga-scala e a lungo-termine, con efficienze che generalmente vanno dal 50% al 70%. Queste efficienze possono essere ulteriormente migliorate se combinate con tecnologie di recupero del calore. È adatto per l'integrazione con centrali elettriche a energia rinnovabile su larga scala-per migliorare la flessibilità e la stabilità della rete.
Accumulo di energia nel volano:
Lo stoccaggio dell'energia del volano utilizza un motore per azionare un volano ad alta velocità, convertendo l'energia elettrica in energia cinetica per l'immagazzinamento. Quando necessario, il volano utilizza un generatore per convertire l'energia cinetica in energia elettrica. La tecnologia di accumulo dell'energia a volano è nota per la sua velocità di risposta estremamente rapida (in genere nell'ordine dei millisecondi) e l'elevata durata di ciclo (fino a centinaia di migliaia di cicli), che la rendono adatta per scenari di accumulo di energia a breve-termine e ad alta-potenza, come la regolazione della frequenza della rete e i gruppi di continuità (UPS). L'accumulo di energia tramite volano ha in genere un'efficienza di conversione elevata, che raggiunge l'85%–95%, ma il tempo di stoccaggio è relativamente breve e viene solitamente utilizzato per bilanciare le fluttuazioni di potenza a breve-termine. La Figura 1-2 mostra il diagramma schematico di un sistema di accumulo di energia a volano.
Tecnologia di accumulo dell'energia elettrochimica
L'accumulo di energia elettrochimica è una tecnologia che converte l'energia elettrica in energia chimica attraverso reazioni elettrochimiche, immagazzinandola e riconvertendola poi in energia elettrica quando necessario. Il suo nucleo è l'immagazzinamento e il rilascio di energia attraverso il processo di carica e scarica delle batterie. La tecnologia di stoccaggio dell'energia elettrochimica presenta vantaggi quali velocità di risposta rapida, alta efficienza, installazione flessibile e design modulare, che la rendono adatta a scenari come la regolazione della frequenza connessa alla rete di energia rinnovabile-, la regolazione del picco-valle e l'alimentazione di emergenza. Attualmente, le principali tecnologie di stoccaggio dell'energia elettrochimica includono batterie al piombo-acido, batterie al nichel-idruro metallico, batterie agli ioni di litio-, batterie agli ioni di sodio- e batterie a flusso, ciascuna con prestazioni, scenari applicativi e potenziale di sviluppo unici. Con la crescente percentuale di energia rinnovabile, lo stoccaggio dell'energia elettrochimica svolge un ruolo cruciale nella trasformazione della struttura energetica globale ed è una garanzia importante per il raggiungimento di un sistema energetico pulito, a basse-carbonio e sicuro.
Batterie al piombo-acido:
Le batterie al piombo-acido sono una tecnologia di accumulo di energia elettrochimica consolidata-da tempo e ampiamente utilizzata. Il loro principio prevede l'utilizzo del piombo e dei suoi ossidi come materiali per elettrodi positivi e negativi e una soluzione acquosa di acido solforico come elettrolita, per caricarsi e scaricarsi attraverso una reazione elettrochimica. Le batterie al piombo-presentano vantaggi quali bassi costi di produzione, tecnologia matura, elevata affidabilità e forte resistenza al sovraccarico e alla scarica eccessiva e sono ampiamente utilizzate nelle batterie di avviamento per autoveicoli, negli alimentatori di riserva e nei sistemi di accumulo dell'energia. Tuttavia, le batterie al piombo-hanno una bassa densità energetica, un ciclo di vita limitato e contengono piombo tossico, che può inquinare l'ambiente se smaltito in modo improprio. Nonostante ciò, le batterie al piombo-occupano ancora una posizione significativa in alcuni campi, soprattutto nelle applicazioni-sensibili ai costi. In futuro, il riciclaggio rispettoso dell'ambiente e il miglioramento delle prestazioni delle batterie al piombo-saranno le direzioni chiave per lo sviluppo di questa tecnologia.
Batterie al nichel-metallo idruro (NiMH):
Le batterie NiMH sono una tecnologia di accumulo di energia elettrochimica che utilizza l'idrossido di nichel come elettrodo positivo e l'idruro di nichel come elettrodo negativo. Offrono vantaggi come alta densità di energia, rispetto dell'ambiente e lungo ciclo di vita. Rispetto alle batterie tradizionali, le batterie NiMH non presentano i rischi chimici associati al cadmio e al molibdeno, il che le rende più rispettose dell'ambiente. Pertanto, sono ampiamente utilizzati negli utensili elettrici, nei veicoli ibridi e nei dispositivi elettronici portatili. Hanno inoltre un'elevata efficienza di carica-scarica e possono funzionare stabilmente in vari ambienti. Una caratteristica chiave delle batterie al nichel è la loro forte tolleranza al sovraccarico e allo scaricamento eccessivo, che le rendono eccellenti in applicazioni che richiedono carica e scarica frequenti. Sebbene l'aumento delle batterie agli ioni di litio-negli ultimi anni abbia portato a un calo della quota di mercato delle batterie NiMH, queste continuano a mantenere un posto in aree di applicazione specifiche.
Batterie agli ioni di litio-:
Le batterie agli ioni di litio- sono una tecnologia di accumulo di energia elettrochimica che consente di caricarsi e scaricarsi attraverso l'inserimento e l'estrazione degli ioni di litio tra gli elettrodi positivo e negativo. La leggerezza e l'elevata densità di energia del litio hanno portato all'applicazione diffusa delle batterie agli ioni di litio-nei dispositivi elettronici portatili, nei veicoli elettrici e nello stoccaggio di energia rinnovabile. Le batterie agli ioni di litio-offrono vantaggi come un lungo ciclo di vita e l'assenza di effetto memoria, ma presentano anche alcuni problemi di sicurezza, come l'instabilità termica causata dal sovraccarico e dallo scaricamento eccessivo. Con i progressi tecnologici, la sicurezza e le prestazioni elettrochimiche delle batterie agli ioni di litio- sono costantemente migliorate, mentre i costi sono diminuiti, rendendole una delle batterie di accumulo di energia più utilizzate oggi sul mercato. In futuro, si prevede che lo sviluppo di tecnologie come gli elettroliti allo stato solido e gli anodi a base di silicio miglioreranno ulteriormente le prestazioni elettrochimiche e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.
Batterie agli ioni di sodio-:
Le batterie agli ioni di sodio- rappresentano una nuova tecnologia di accumulo dell'energia elettrochimica in rapido sviluppo negli ultimi anni. Il loro principio di funzionamento è simile a quello delle batterie agli ioni di litio-, dove gli ioni di litio si intercalano e deiintercalano tra gli elettrodi positivo e negativo per la carica e la scarica. I vantaggi delle batterie agli ioni di sodio- risiedono nell'abbondanza e nel basso costo delle risorse di sodio e nella loro indipendenza dalle limitazioni delle risorse di litio, che le rendono particolarmente adatte per applicazioni di stoccaggio dell'energia su larga-scala. Sebbene la loro densità energetica sia inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio-, le batterie agli ioni di sodio-mostrano buone prestazioni in termini di stabilità del ciclo, prestazioni alle basse-temperature e sicurezza, dimostrando grandi promesse per lo sviluppo futuro. Attualmente, la ricerca sulle batterie agli ioni di sodio-si concentra sul miglioramento della densità energetica, sull'estensione del ciclo di vita e sulla riduzione dei costi di produzione. Con i continui progressi tecnologici, si prevede che le batterie agli ioni di sodio diventeranno in futuro una delle soluzioni più importanti per lo stoccaggio di energia su larga scala.
Batteria di flusso:
Le batterie a flusso sono una tecnologia di accumulo di energia elettrochimica in cui l'elettrolita viene immagazzinato in un serbatoio esterno. Il loro principio prevede l'immagazzinamento e il rilascio di energia attraverso reazioni elettrochimiche tra due diversi elettroliti all'interno della batteria. Una caratteristica significativa delle batterie a flusso è la loro energia e potenza regolabili in modo indipendente; la capacità di stoccaggio può essere ampliata aumentando la quantità di elettrolita immagazzinato, rendendoli particolarmente adatti per applicazioni di stoccaggio di energia su larga-scala e a lungo-termine. I tipi comuni di batterie a flusso includono batterie a flusso redox al vanadio e batterie a flusso zinco/bromo. Le batterie a flusso offrono una lunga durata, buona sicurezza e rispetto dell’ambiente, ma il loro investimento iniziale è elevato e il sistema di batterie è complesso. Con i progressi tecnologici, il potenziale delle batterie a flusso nello stoccaggio di energia su larga-scala sta gradualmente emergendo, soprattutto nell'integrazione della rete di energia rinnovabile e nelle applicazioni di regolamentazione della rete.