Poiché il mix di fonti energetiche che alimentano le case affamate di energia, le imprese e l'industria arrivano a incorporare più energie rinnovabili come l'eolico e il solare, la società deve fare i conti con dove rivolgersi quando il vento e il sole si placano. Cosa ci vorrà perché le fonti più verdi non solo si uniscano ai combustibili fossili nella rete elettrica americana, ma eventualmente spostarli?

A febbraio 2019, Los Angeles ha annunciato l'intenzione di eliminare gradualmente tre centrali elettriche a gas naturale entro il 2029 e di sostituirle con una combinazione di energia rinnovabile e accumulo di batterie. Qualche mese prima, l'utility californiana Pacific Gas &Electric ha ottenuto l'approvazione normativa per piani simili. Sperava di sostituire un trio di impianti di gas naturale con sistemi di accumulo a batteria su scala industriale, compreso un progetto da 730 megawattora che sarà progettato e costruito dalla società di auto elettriche Tesla Motors. Per confronto, i due piccoli impianti previsti per il pensionamento nel piano di PG&E possono generare fino a 47,6 megawatt di elettricità quando necessario, mentre un più grande impianto di gas naturale nel progetto può produrre fino a 606 megawatt.

L'idea alla base di entrambi i piani è che la natura capricciosa dell'energia proveniente dal sole e dal vento crea un problema per gli operatori che devono far corrispondere la quantità di energia fornita in ogni momento alla quantità della domanda. Le tecnologie di accumulo, comprese le batterie, offrono un modo per mantenere l'equilibrio tra domanda e offerta prelevando elettricità dalla rete quando le energie rinnovabili sono abbondanti e rimandandola indietro quando la domanda aumenta o la produzione delle rinnovabili diminuisce.

Entrambi i piani di Los Angeles e PG&E hanno alcuni fattori insoliti. Ma anche così, possono offrire scorci di un futuro in cui l'accumulo di batterie su larga scala aiuta ad agevolare il tipo di mix energetico richiesto da un numero crescente di stati. La California ha imposto l'anno scorso che tutta la sua elettricità provenga da fonti a emissioni zero entro il 2045. E la legislazione sull'elettricità pulita è sul tavolo quest'anno in stati tra cui Minnesota, Nuovo Messico, New York, e stato di Washington. In California, le autorità di regolamentazione richiedono anche a PG&E e alle altre due società di servizi di proprietà degli investitori di procurarsi almeno 1,3 gigawatt di capacità di accumulo di energia per la rete statale entro il 2020.

Tuttavia, le batterie devono affrontare ostacoli significativi se vogliono aiutare le energie rinnovabili a sostituire i combustibili fossili. Qui, Simona Onori, un assistente professore di ingegneria delle risorse energetiche presso la School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth), e Frank Wolak, che dirige il Programma sull'Energia e lo Sviluppo Sostenibile dell'Istituto Freeman Spogli, discutere alcune delle promesse e delle insidie ​​dell'impiego di batterie per lo stoccaggio in rete, oltre a valide alternative.

Dal punto di vista delle prestazioni, quali tipi di batterie sono più adatte al compito di fornire accumulo di energia alla rete?

Simona Onori:Rispetto ad altre tecnologie di batterie, le batterie agli ioni di litio sono leggere e compatte con un'elevata capacità di archiviazione per le loro dimensioni. Sono più resistenti ai danni causati da scariche eccessive e temperature estreme, hanno una vita utile più lunga e possono ciclare più volte senza perdite significative di capacità. I sistemi di accumulo di energia agli ioni di litio richiedono poca manutenzione e poche parti di ricambio e le batterie hanno una struttura modulare che si presta ad applicazioni su larga scala sulla rete.

Guardando avanti, i miglioramenti nelle batterie redox o di flusso le rendono un'opzione sempre più promettente per le applicazioni stazionarie. Una tecnologia di accumulo di energia elettrica nota come supercondensatori o condensatori a doppio strato può anche fornire grandi vantaggi per la rete, soprattutto se utilizzato in configurazione ibrida con altri dispositivi come le batterie agli ioni di litio. Con questa configurazione, i supercondensatori sarebbero usati per regolare la frequenza, grazie ai loro tempi di risposta rapidi, mentre le batterie fornirebbero energia quando la domanda raggiunge i picchi. La fattibilità di questa soluzione non è stata ancora completamente esplorata, ma è qualcosa che stiamo ricercando nel nostro laboratorio.

Quanto si sa su come le batterie agli ioni di litio resisteranno allo stress e alle richieste di stoccaggio per la rete?

Onori:Le prestazioni e la vita utile di qualsiasi batteria dipenderanno strettamente da come viene utilizzata la batteria. Più una batteria è stressata - a temperature estreme, per esempio, peggiore sarà il rendimento e più breve sarà la sua vita. Hanno bisogno di un robusto sistema di gestione della batteria che li mantenga funzionanti entro il loro punto ottimale di temperatura.

I fattori di stress della batteria sono generalmente riassunti in quello che chiamiamo ciclo di lavoro. Abbiamo una conoscenza molto solida dei cicli di lavoro nelle auto, ma non si sa molto sui cicli di lavoro della batteria per la rete, principalmente a causa della mancanza di dati sul campo. Poiché sempre più batterie vengono utilizzate nelle applicazioni di rete, verranno raccolti più dati che possono eventualmente aiutare a costruire modelli accurati.

Quali sono le alternative più valide alle batterie quando si tratta di immagazzinare energia per la rete?

Frank Wolak:Storicamente, la forma più conveniente di stoccaggio su scala di rete è stata un impianto idroelettrico di pompaggio, dove l'acqua viene pompata in salita quando i prezzi sono bassi e poi scorre in discesa attraverso una turbina per produrre elettricità quando i prezzi sono alti.

Le preoccupazioni dei gruppi ambientalisti e la mancanza di fonti di reddito affidabili hanno impedito lo sviluppo di nuove unità di stoccaggio con pompaggio in molti siti interessanti in California. Inoltre, perché lo stoccaggio pompato si basa su determinate caratteristiche geografiche, come serbatoi che sono vicini in distanza ma molto distanti in elevazione, non può necessariamente essere posizionato dove potrebbe essere più utile per mantenere una fornitura affidabile di elettricità.

Lo stoccaggio a batteria può offrire un'alternativa più economica alle centrali elettriche a gas?

Wolak:Gli investimenti nello stoccaggio hanno una ripida salita da scalare rispetto alle unità di generazione esistenti alimentate a gas naturale, che spesso producono energia elettrica a un prezzo di mercato superiore al costo marginale di produzione dell'unità di generazione, che fornisce ricavi netti per recuperare il costo fisso di queste unità di generazione.

L'economia dello stoccaggio potrebbe cambiare in futuro a favore delle batterie, ma la migliore speranza per lo stoccaggio a breve termine è un alto prezzo delle emissioni di gas serra che rende più costoso l'esercizio di impianti a gas naturale quando l'energia rinnovabile non è disponibile.

L'accumulo di energia non è l'unico modo per affrontare i cali nella produzione di energia rinnovabile. Quali sono alcune alternative promettenti?

Wolak:Potremmo spostare l'uso dell'energia in periodi con una produzione significativa di energia rinnovabile. Nella forma standard di questi programmi, i partecipanti decidono quanta elettricità consumare ogni ora in base ai prezzi al dettaglio che variano insieme al prezzo orario all'ingrosso.

In California, è più comune per i fornitori vendere riduzioni della domanda. Sotto questi schemi, se i partecipanti sono in grado di ridurre la loro domanda al di sotto di una certa linea di base, una società di servizi li pagherà per tale riduzione alla stessa aliquota come se stessero fornendo energia aggiuntiva.