da ISES – International Solar Energy Societies
Nel 2023 sarà installata una capacità di generazione solare doppia rispetto a tutte le altre tecnologie di generazione messe insieme. Il futuro della generazione di energia è il solare fotovoltaico con il supporto dell’energia eolica e l’accumulo di energia per bilanciare l’intermittenza dell’eolico e del solare.
Come minimo, è necessario uno stoccaggio di energia durante la notte. Attualmente, lo stoccaggio dell’energia idroelettrica pompata (PHES) fornisce oltre il 90% del totale globale per l’industria elettrica. Le batterie stanno diventando sempre più importanti. La gestione della domanda è uno sviluppo importante: ad esempio, i veicoli elettrici, i serbatoi dell’acqua calda e l’accumulo termico nelle fabbriche possono essere caricati quando la domanda è bassa e l’offerta è alta. I veicoli elettrici offrono anche “batterie su ruote” con il vehicle to grid (V2G).
Le centrali termiche (carbone e gas) possono seguire il carico e agire in modo simile all’accumulo. Ad esempio, nel mercato elettrico nazionale australiano, le centrali a carbone di solito riducono la produzione durante il giorno fino a dimezzarla durante il periodo di picco serale. Alcune addirittura si spengono del tutto per alcune ore a metà giornata. La motivazione è quella di evitare prezzi negativi nelle giornate di sole e di vento.
La figura mostra la produzione di energia da mezzanotte a mezzanotte del 4 ottobre 2024 nel mercato elettrico nazionale australiano (che serve 20 milioni di persone), comprendente carbone (marrone e nero), gas (arancione), energia idroelettrica (blu), eolica (verde) e solare (giallo). La domanda di energia ha raggiunto un picco di 27 GW intorno a mezzogiorno. La regione al di sotto della linea rossa rappresenta la carica dei PHES e delle batterie di accumulo. I prezzi sono stati negativi dalle 7.00 alle 16.00. La potenza del carbone è variata da 7 GW a metà giornata a 15 GW durante il picco serale.
Stoccaggio di energia
Man mano che le centrali elettriche a combustibili fossili chiudono a causa della vecchiaia e della concorrenza del solare e dell’eolico a basso costo, il vuoto deve essere colmato da un accumulo su larga scala. Quando la quantità di energia solare ed eolica è inferiore a circa il 50%, si preferiscono batterie con una capacità di accumulo di poche ore. Alla fine è necessario uno stoccaggio di energia di grandi dimensioni per coprire la notte e alcuni giorni di tempo nuvoloso. Questo è il ruolo dei PHES.
I sistemi di accumulo ibridi che combinano batterie e PHES sono superiori a una delle due tecnologie da sola. Le batterie sono relativamente poco costose per l’accumulo di potenza ($/GW), ma sono costose per l’accumulo di energia ($/GWh). Il PHES è più costoso delle batterie per l’accumulo di energia ($/GW) ma molto più economico per l’accumulo di energia ($/GWh). Un sistema ibrido ha sia energia (GWh) che potenza (GW) a buon mercato.
In un sistema ibrido, lo stoccaggio può caricare lo stoccaggio. Un grande serbatoio PHES può caricare le batterie 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per una settimana durante un periodo di calma e nuvolosità. Ad esempio, un sistema PHES con 350 GWh di accumulo di energia e 2 GW di potenza di generazione può ricaricare dodici batterie da 4 ore (48 GWh) ogni giorno per una settimana. Un sistema ibrido di questo tipo ha un accumulo di energia di 370 GWh e una potenza di accumulo di 12 GW. Un sistema di sole batterie si esaurirebbe dopo il primo giorno, mentre un sistema di solo PHES sarebbe sottopotenziato.
Un ulteriore vantaggio è che le batterie possono raccogliere prezzi negativi per quattro ore intorno a mezzogiorno con una potenza di 12 GW, e ricaricare un sistema PHES di grandi dimensioni ma a bassa potenza per le 20 ore successive – e fare questo ogni giorno per una settimana prima che il sistema PHES sia pieno. In altre parole, il sistema ibrido raccoglie i prezzi di picco dell’energia a 12 GW e si ricarica a prezzi negativi.
Il Global Pumped Hydro Energy Storage Atlas elenca 820.000 siti con uno stoccaggio combinato di energia pari a 86 milioni di GWh. Ciò equivale all’accumulo effettivo di circa 2.000 miliardi di veicoli elettrici, una quantità di accumulo di gran lunga superiore a quella di cui il mondo avrà mai bisogno. Pertanto, sono necessari solo i siti migliori. I parametri di costo fondamentali sono una grande prevalenza (differenza di altezza tra il serbatoio superiore e quello inferiore, preferibilmente 600-1600 m), un grande rapporto acqua-roccia (un grande volume d’acqua viene trattenuto da una parete rocciosa relativamente piccola, preferibilmente 15-50) e gallerie in pressione brevi (pochi km).
I siti PHES straordinari hanno costi di capitale straordinariamente bassi. Le stime dei costi che si applicano ai progetti idroelettrici ordinari non si applicano ai siti straordinari. C’è una differenza di 10 volte nel costo del capitale dei siti migliori e di quelli meno buoni dell’Atlante. Poiché nella maggior parte delle regioni c’è una grande eccedenza di siti, è necessario sviluppare solo i siti migliori. È importante notare che i PHES sono investimenti ad alta intensità di capitale, ma hanno una durata di vita prevista molto più lunga delle batterie.
Siti PHES straordinariamente buoni possono essere trovati nella maggior parte delle regioni del mondo, con costi di capitale straordinariamente bassi. Ad esempio, il sistema PHES Snowy 2.0 in costruzione in Australia ha un costo di capitale previsto di 8 miliardi di dollari per 350 GWh di stoccaggio, pari a 23 dollari per kWh (8 miliardi di dollari/350 GWh). Si tratta di un costo di capitale circa 10 volte inferiore a quello di una batteria equivalente. L’Australia ha decine di siti potenziali con costi simili.
Molte regioni hanno un potenziale PHES migliore dell’Australia, comprese migliaia di siti con costi di capitale indicativi di 10-15 dollari/kWh. Si preferiscono grandi dimensioni, tra i 50 e i 5.000 GWh, che rappresentano uno stoccaggio sufficiente per 1 milione e 100 milioni di persone rispettivamente benestanti e completamente elettrificate. La figura mostra la posizione dei siti da 500 GWh nel mondo. Una regione con una notevole mancanza di siti validi è il Nord Europa. Fortunatamente, i Balcani hanno un eccellente potenziale PHES, più che sufficiente per fornire all’Unione Europea tutto lo stoccaggio di cui ha bisogno.
L’Atlante
Nell’Atlante, i siti migliori sono contrassegnati da stelle (classe di costo AAA), triangoli (classe AA) o punti rosso scuro (classe A). Greenfield significa 2 nuovi serbatoi; Bluefield utilizza un serbatoio esistente; Brownfield utilizza una miniera dismessa; Turkeynest significa terreno pianeggiante. Gli utenti possono eseguire panoramiche, zoom, rotazioni e inclinazioni. Facendo clic su un bacino idrico o su un percorso di tunnel si ottengono diversi popup informativi contenenti 26 informazioni dettagliate. Nel riquadro di sinistra è possibile selezionare diverse dimensioni, comprese tra 2 e 5000 GWh. Selezionare Impostazioni mappa/Terreno 3D per ottenere una vista 3D. Gli acquedotti o le gallerie a bassa pressione in un territorio pianeggiante spesso consentono di realizzare gallerie a pressione più corte. Il costo della nuova trasmissione può essere generalmente condiviso con i nuovi parchi solari ed eolici. La maggior parte dei siti dell’Atlante sono al di fuori dei corsi d’acqua e non richiedono nuove dighe sui fiumi. È incluso un modello indicativo dei costi.
Autori: prof. Ricardo Rüther (UFSC), prof. Andrew Blakers /ANU
L’ISES, International Solar Energy Society, è una ONG accreditata dalle Nazioni Unite e fondata nel 1954 che lavora per un mondo con il 100% di energia rinnovabile per tutti, utilizzata in modo efficiente e saggio.
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