09 - 2015 | e-Mobility
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Tra passato e futuro
Achille e la Tartaruga...
ovvero computer e accumulatori elettrici

dott. ing. Paolo Chiastra, Commissione Energia Ordine Ingegneri Milano

I microprocessori dei computer e gli accumulatori elettrici non partecipano a sfide dirette e neppure sono concorrenti sul piano tecnologico.
Tuttavia l’immagine legata al famoso paradosso di Zenone ben si adatta all’evoluzione delle relative prestazioni che per i primi è molto rapida (o almeno lo era fino a poco tempo fa) e che viceversa appare “esasperante” per i secondi.
Così come l’eroe dell’Iliade è perito per mano del suo creatore, lo stesso avviene per i computer resi puntualmente obsoleti dai loro fabbricanti. Per contro, la tartaruga è il simbolo che racchiude l’archetipo della longevità, della solidità, della costruzione lenta ma efficace e progressiva. Goffa ma simpatica, essa attirò l’attenzione dei saggi cinesi che addirittura la posero a sostegno della Terra. Dotata di una corazza quasi inespugnabile, capace di superare il tempo e lo spazio, ci rammenta il detto “chi va piano va sano e lontano”, detto che sembra ben adattarsi agli Accumulatori Elettrochimici ricaricabili, i quali dalla metà del 1800, quando Gaston Planté ideò il generatore “secondario” di tipo Pb-Acido, sono costantemente in evoluzione. Purtroppo non risultano ancora a punto per la Mobilità Elettrica mentre si potrebbero già utilizzare in modo massivo per l’Accumulo Energetico, argomento su cui nel seguito divagherò.

Mobilità Elettrica (e-Mobility)
I requisiti base richiesti alle batterie per Veicoli Elettrici sono essenzialmente l’elevata Energia specifica (kWh/kg) e l’alta Densità energetica (kWh/dm3). Seguono la possibilità di operare su ampi intervalli di temperatura ambiente, l’elevato numero di cicli di carica-scarica, la lunga vita intrinseca, la rapidità di ricarica e l’erogazione di elevati picchi di corrente. Ovvie le motivazioni: garantire almeno 500-600 km di autonomia con velocità anche di 120-130 km/h, lunga durata, bassa manutenzione, buona affidabilità e tempi di ricarica accettabili.
Secondo le previsioni di Exxon, per il 2040, in ambito trasporti il totale incrementato fabbisogno energetico mondiale sarà comunque soddisfatto ancora per il 90% da prodotti petroliferi (oggi 95%) ed i veicoli leggeri saranno per il 50% non convenzionali (oggi 1%), il che però non equivale automaticamente ad affermare che questi ultimi saranno tutti mossi elettricamente. Comunque, ipotizzando un parco elettrico di 400 Munità, con mediamente a bordo 100 kg di batterie a vita media di 4 anni, ogni anno dovranno essere prodotti circa 10 miliardi di kg di accumulatori in più rispetto ad oggi, che non è poco.

Accumulo energetico
Nel 1955 venne brevettata la cella fotovoltaica e nel 1958 il satellite Vanguard 1 fu il primo oggetto spaziale ad esserne dotato, dando il via ad una nuova era. Agli inizi degli anni ‘60 apparirono le prime applicazioni in campo civile soprattutto per l’alimentazione di apparati di misura e sorgenti luminose in zone remote su boe, fari e in edifici isolati. Il costo dei pannelli solari era proibitivo, la potenza disponibile perciò era limitata ed una batteria di accumulatori era sempre presente per far fronte alle ore di oscurità e ad eventuali fenomeni meteorologici avversi.
Per tanti, me compreso, il pannello fotovoltaico (FV) rappresentava un inarrivabile oggetto di culto. In quegli anni e per tutto il trentennio successivo, in campo energetico vigevano il monopolio ed il divieto di autoproduzione e, di conseguenza, nessuno installava sui tetti o nei campi metri e metri quadrati di azzurre cellette o enormi aerogeneratori. Relativamente agli impianti di produzione il motto era: “concentrato e grande è bello”. Erano si presenti alcuni soggetti autorizzati a produrre in proprio energia elettrica, ma questa poteva essere venduta solo a Enel escludendo l’immissione diretta nella rete. Il D.L. n.79-16/03/1999 - con il quale venne recepita la direttiva UE n.92-1996 sulla creazione del Mercato Unico dell’energia - segnò l’inizio del processo di liberalizzazione delle attività di produzione, importazione, esportazione, acquisto e vendita di energia elettrica. Da allora la parola d’ordine è divenuta: “distribuito e piccolo è bello”. Via via, da autogenerazioni limitate a potenze di pochi kW si è passati ai MW, sia con tecnologia FV che Eolica. Contestualmente veniva ad affermarsi il concetto rivoluzionario di Rete Intelligente (Smart Grid) in cui la generazione distribuita diventa parte dei nodi. Il Consumatore può così trasformarsi anche in Produttore (Prosumer), immettendo in rete la produzione non consumata o quella prodotta specificatamente a tale scopo.
Originariamente avevo inteso che il Prosumer potesse fare a meno del sistema di accumulo locale scaricando sempre in rete il generato, affrancandosi perciò da complessi e costosi impianti ausiliari e in effetti, allo stato attuale, così è. In verità, qualche dubbio mi era rimasto perché sapevo che per ogni kW installato da fonte rinnovabile è comunque necessaria la presenza di frazioni tradizionali di kW di riserva. Se non si vogliono costruire centrali convenzionali diventa necessario affidarsi appunto all’Accumulo che può risultare concentrato in grandi impianti oppure, laddove prevale il modello distribuito, venir basato su Stazioni di Accumulo di piccola-media taglia disseminate nella Smart Grid.
L’Accumulo permetterebbe il Livellamento del Diagramma di Carico (Energy Time Shift) e l’Integrazione delle Fonti Rinnovabili non programmabili che, detto in altri termini, è la riallocazione temporale di energia prodotta in momenti in cui la domanda è assente. Oltre a necessità tecniche contingenti, tale modalità ben si adatta a transazioni commerciali di soggetti non produttori, favorendo l’incontro tra offerta e domanda con la possibilità di acquisto dell’energia nei momenti più convenienti.

Metodi di Accumulo
In funzione della taglia e del contesto tecnico-ambientale si possono utilizzare vari metodi: Pompaggio idraulico in bacini; CAES (Compressed Air Energy Storage) con sfruttamento di cavità sotterranee, Volani meccanici (Flywheel), SC (Super Capacitor), SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), Idrogeno, Accumulatori Elettrochimici modulari: Pb-Acido, Ni-MH, Ni-Cd, Li-Ion, Na-NiCl, Na-S, VRB (Vanadium Redox Battery) e altri. Attualmente il Pompaggio rappresenta, a livello mondo, circa il 98%, su un totale di circa 125 GW. In Italia si hanno circa 7,6 GW installati, distribuiti in 26 impianti.
In generale i sistemi di Pompaggio e CAES lavorano “in energia”, prestandosi a grandi autonomie ed a grandi potenze (migliaia di ore e di MW) mentre i Volani, gli SC e gli SMES, lavorano “in potenza”, possedendo autonomie limitate non risultano adatti al Time Shift ma possono essere utilizzati per funzioni di regolazione.
Ogni sistema di Accumulo ha un proprio rendimento ηA che graverà su quello ηG del sistema di generazione a cui viene associato: ηt = ηG x ηA. Le fonti rinnovabili, che già presentano rendimenti minori rispetto ai sistemi convenzionali, non ne guadagneranno. Ma le recenti idee di Rete Intelligente e “distribuito e piccolo è bello” potrebbero rendere comunque vantaggioso il sistema a “baita isolata”, mostrandomi che avevo inteso bene ma anche che nel frattempo i punti di riferimento sono stati cambiati.
Tralasciando volutamente Idrogeno, Volani, SC e SMES, l’analisi economico-finanziaria dei sistemi di accumulo più “tradizionali” con metodo LUEC (Levelized Unit Electricity Cost), fornisce circa 100 €/MWh per Pompaggio e CAES e 300-1000 €/MWh per gli Accumulatori Elettrochimici, a seconda della tecnologia. Giocano senza dubbio fattori di scala, di materie prime e di tecniche costruttive e si intuisce che gli investimenti economici potrebbero essere consistenti.

Conclusioni
In qualsiasi nuovo progetto strategico, l’efficienza (e parimenti l’Analisi del Costo di Vita) deve sempre essere tenuta in alta considerazione ma, in mancanza di alternative tecniche o in presenza di fattori esogeni prevalenti, il valore assoluto del rendimento non sarà il fattore condizionante… lo spreco esiste da sempre e ovunque. Per esempio, muoversi singolarmente in ambito cittadino alla media di 20 km/h con un mezzo di 1500 kg fornisce un rapporto “massico” approssimativo del 4,66% (70/1500) mentre, alla stessa velocità, con una bicicletta di 15 kg si ottiene un 466% (70/15)… meglio evitare calcoli globali sui bilanci energetici. Ancora, come limite estremo, si rifletta sui conflitti armati dove distruzione equivale di fatto ad un tragico processo “zero efficiente” che va a vanificare qualsiasi precedente sforzo di ottimizzazione…

 

Bibliografia
- L’accumulo di energia elettrica aa.vv. RSEview Il Melograno Editore ISBN 978-1234567897
- http://www.esso.it 2040 Energy Highlights
- Mezzi di Trasporto ed efficienza del Trasporto Paolo Chiastra Rivista dell’Ordine Ing. Mi N. 47 Dic 2009

 

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