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Il sole, il vento, il movimento di masse di acqua e altre fonti energetiche rinnovabili sono entrate già da tempo nel comune dibattito riguardo l’approvvigionamento di energia di un paese. L’esperienza ci ha insegnato che è necessario dotarsi anche di un sistema di accumulo di energia per superare l’inconveniente dell’intermittenza delle fonti rinnovabili. Comprimere e espandere aria a piacimento potrebbe essere una soluzione.

Alle energie da fonti rinnovabili è ormai pratica comune associare concetti come sostenibilità, ambiente, energie verdi, ecologia ecc. Il recente diffuso uso delle tecnologie di produzione da fonti non fossili ci ha reso consapevoli anche di un altro concetto ad esse associate: l’intermittenza. La mancanza del totale controllo in termini di approvvigionamento di molte fonti rinnovabili (pochissime eccezioni come biomasse e geotermico) richiede il ricorso ad un sistema di stoccaggio energetico al fine di poter tempestivamente soddisfare la richiesta di energia da parte dell’utente. Su scala molto grande, a livello di reti di trasporto e distribuzione nazionale, si ricorre spesso all’uso di sistemi di immagazzinamento di energia con accumulatori di carica elettrica o attraverso il pompaggio idroelettrico. Il primo sistema è generalmente poco sostenibile economicamente, mentre il secondo lo diventa se non disponibile nelle vicinanze.

Confronto tra efficienze di sistemi di accumulo energetico

CAES, comprimere aria per accumulare energia

Lo stoccaggio di energia tramite aria compressa CAES (Compressed Air Energy Storage) potrebbe fornire una facile soluzione, permettendo la coincidenza delle esigenze economiche con l’adeguata fornitura di energia nei momenti di assenza di fonte rinnovabile [1].

Il cuore di un impianto CAES è un grande spazio capace di immagazzinare aria compressa ad alta pressione. A monte di questo grande serbatoio opera un sistema di compressione e raffreddamento dell’aria, utilizzando l’energia elettrica prodotta in eccedenza dalle fonti rinnovabili. Quando la rete richiede un surplus di energia, l’aria compressa viene convogliata verso un impianto posizionato a valle del serbatoio, costituito da una riscaldatore e una turbina; quest’ultima, azionata dall’aria riscaldata e depressurizzata, fornisce energia alla rete. Le esigenze ingegneristiche di impianto ci restituiscono una realtà più complessa fatta di diversi stadi, sia a monte sia valle del serbatoio, ognuno dei quali dotato di valvole e misuratori di pressioni per il controllo del processo.

Schema impianto CAES

Un aspetto molto importante, non ancora esplicitato degli impianti di CAES, è che il grande spazio utilizzato per immagazzinare l’aria compressa è spesso individuato all’interno di montagne (caverne o vecchie cave dismesse) o nel sottosuolo. Nulla vieta di costruire dei serbatoi all’esterno con un inevitabile aumento dei costi.

La versione AA-CAES (Advanced Adiabatic – CAES) è una tecnologia più avanzata di un impianto di stoccaggio di energia con aria compressa, in cui la fase di compressione avviene attraverso un processo adiabatico (assenza di dispersione di calore all’esterno) estraendo il calore prodotto, conservandolo in un “contenitore” separato e riutilizzandolo durante la fase di espansione adiabatica nella turbina per la produzione di energia. Il processo succitato “ricicla” quindi il calore in gioco nelle due fasi, rendendo il tutto sia particolarmente virtuoso, con emissione di CO2 praticamente nulla, sia più efficiente. Studi di rendimento hanno infatti calcolato che l’implementazione del processo da CAES a AA-CAES permette di passare da un’efficienza di processo (KWh in uscita / KWh in ingresso) di circa il 40% al 75%.

Impianto AA-CAES

Altri tipi di immagazzinamento di energia attraverso la compressione di aria sono stati studiati per ottenere delle efficienze sempre maggiori, come per esempio il ricorso a processi isotermici (compressione e espansione a temperatura pressoché costante) che aspirano alla realizzazione di una trasformazione reversibile e quindi esente da perdite, con un efficienza del 100%. Tale tecnologia non ha trovato grande riscontro per realizzazioni su larga scala, ma solo a livello di sperimentazione.

Valori delle grandezze in gioco

La nostra concentrazione è stata sino ad ora rivolta ad una descrizione della tecnologia puramente qualitativa. Ma quali sono realmente i valori delle due grandezze in gioco, ovvero pressione e temperatura?

Gli impianti di accumulo di energia per aria compressa nel mondo sono poche unità, e quelli che sfruttano il riciclo di calore sono solo impianti pilota. Con le dovute approssimazioni è possibile dire che l’aria prelevata dall’esterno si trova ad una pressione di circa 1 atm (tradotto in Sistema Internazionale 1013,25 hPa) e viene portata, per compressioni successive, a pressioni interne ad un intervallo compreso tra 50 atm e 100 atm a seconda dell’impianto preso in considerazione. Durante questa fase, la temperatura dell’aria può raggiungere dei valori molto alti, dai 500°C ai 800°C. L’incremento di temperatura deve essere gestito e, normalmente, si provvede all’estrazione di calore scambiandolo con un sistema (oli minerali) capace di restituirlo in un secondo momento, quando sarà necessario riscaldare l’aria compressa per produrre energia elettrica.

L’esperienza di ALACAES

Già da qualche anno, la società svizzera ALACAES [2] ha concentrato i suoi sforzi nello sviluppo di un sistema di accumulo energetico su larga scala, basato sulla tecnologia AA-CAES. Nel 2016, dopo due anni di lavori per l’istallazione, la società d’oltralpe ha testato con successo il primo impianto pilota a livello mondiale con una tecnologia AA-CAES. Il sito di istallazione è stato individuato nelle alpi svizzere, presso la cittadina di Biasca nel Canton Ticino, sfruttando un tunnel in disuso del progetto di trasporto ferroviario ad alta velocità AlpTransit. L’impianto è stato costruito in una sezione lunga 120 m di una galleria avente un diametro di circa 5 m e può generare un’energia di 1 MWh (circa il fabbisogno energetico di 6 famiglie per un giorno). L’aria, ad una pressione di circa 7 bar (sufficiente per i test) e ad una temperatura di circa 10-12°C maggiore di quella esterna, viene inserita all’interno del serbatoio subito dopo aver scambiato calore con un sistema di accumulo di energia termica, posizionato direttamente nella zona a più alta pressione. Durante la fase di decompressione il processo viene invertito.

Serbatorio Impianto pilota ALACAES

Dopo aver concluso i cicli di test dell’impianto pilota, il progetto di ALACAES prevedere di utilizzare le cavità delle montagne come camere di pressione e realizzare un impianto con un rendimento del 72%, eliminando qualsiasi tipo di emissioni di gas serra.

Il progetto RICAS2020

Il progetto RICAS2020 [3], finanziato con quasi un milione di euro all’interno di Horizon2020, prevede di istallare un’infrastruttura di ricerca europea nel sottosuolo, finalizzata allo studio dell’immagazzinamento di energia per aria compressa (AA-CAES). Tale centro di ricerca ha la finalità di aggregare le varie esperienze internazionali e il know-how per formare una conoscenza uniforme su tale tecnologia, al fine di promuovere lo sviluppo di tecnologie di energia rinnovabile e per aumentare la consapevolezza (pubblica) di questioni energetiche.

Uno dei tunnel utilizzato per gli studi del progetto RICAS2020

Le informazioni ricercate saranno di tipo tecnico, legale, istituzionale e finanziario, necessarie alla realizzazione di impianti in maniera standardizzata, a prescindere dalle condizioni geologiche incontrate. Per raggiungere questi risultati, le linee di ricerca riguarderanno temi diversi quali: l’interazione termica con la roccia e i materiali di rivestimento, nuove tecniche ecosostenibili di scavo, nuovi materiali economici per il rivestimento capaci di sopportare alte pressioni e alte temperature, sicurezza operativa ecc.

ilpositivismo.com

Fonti e Approfondimenti

[1] http://energystorage.org/energy-storage/storage-technology-comparisons/caes
[2] https://alacaes.com/
[3] http://www.ricas2020.eu/

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Luca Pandolfi
Laureato in Chimica Industriale, Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali. Esperienza pluriennale nello studio con tecniche di caratterizzazione chimico-fisica e nella fabbricazione di materiali innovativi applicati sia nel campo della micro-nano elettronica in ambito del monitoraggio ambientale, sia come dispositivi presenti negli impianti rivolti alla produzione di energia da fonte rinnovabile. Analista chimico, responsabile di laboratorio e servizi tecnici in aziende di consulenza in Ambiente e Sicurezza nei Luoghi di lavoro. Esperienza maturata nella Buona Pratica di Laboratorio in ambito delle indagini ambientali in riferimento agli agenti chimici, cancerogeni/mutageni e a materiali contenenti amianto. Coautore di 39 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali ISI e oratore in diversi convegni internazionali riguardanti lo studio di materiali e processi innovativi.