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La domanda di energia a livello globale è aumentata notevolmente negli ultimi dieci anni e le ragioni sono da ricercare nella crescita economica, nell'aumento della popolazione e nell'industrializzazione dei Paesi in via di sviluppo. Questa domanda di energia deve essere soddisfatta nel modo più stabile e sostenibile possibile, utilizzando le energie rinnovabili(Proton OnSite, 2016).
La variabilità della produzione di energia elettrica è un fenomeno comune quando si tratta di risorse rinnovabili, come il vento e il sole. Di conseguenza, può verificarsi uno squilibrio tra l'energia generata e i modelli di consumo, responsabile del fatto che l'energia non viene necessariamente prodotta nel momento in cui è necessaria. Inoltre, a causa della produzione decentralizzata e diffusa di energia da fonti rinnovabili, l'energia non viene necessariamente prodotta nei luoghi in cui c'è richiesta.
I sistemi di accumulo di energia disaccoppiano la produzione e il consumo di energia e, pertanto, possono aiutare a bilanciare il sistema immagazzinando l'energia disponibile al momento, che non è immediatamente necessaria, per un uso futuro(Distributed Control Methods and Cyber Security Issues in Microgrids, 2020).
Problemi da risolvere
Indiretto grazie a una maggiore integrazione delle energie rinnovabili:
| Produzione di energia da combustibili fossili | Emissioni di carbonio | Qualità dell'aria dannosa | Dipendenza dai combustibili fossili |
Direttamente attraverso soluzioni di accumulo:
| Regolazione della tensione e della frequenza | Instabilità della rete | Squilibri geografici | Riduzione dei picchi | Efficienza delle rinnovabili | Tasso di utilizzo della produzione rinnovabile |
L'obiettivo principale dei sistemi di accumulo di energia è quello di facilitare l'utilizzo delle energie rinnovabili. Consentono di risparmiare energia e quindi di bilanciare le differenze nei tempi di generazione e consumo. Mentre alcuni benefici possono essere raggiunti con un'implementazione di base della soluzione, la realizzazione dei potenziali benefici dipende dalle funzioni implementate in un progetto specifico.
Migliorare l'efficienza dell'uso dell'energia
Aumento dell'autoconsumo fotovoltaico
Riduzione del costo della domanda
Integrazione efficiente delle energie rinnovabili
Alimentazione di riserva
Adeguatezza delle risorse
Riduzione dell'uso di fossili , Riduzione dei combustibili fossili pint
Quota crescente di energie rinnovabili
Aumentare l'autarchia energetica
Consentire nuove opportunità di business
Migliora la stabilità della rete
Riduzione delle bollette energetiche
Migliorare la qualità della vita
Riduzione dell'inquinamento atmosferico locale
Accumulo termico o elettrico per l'utilizzo posteriore
Capacità di stoccaggio sufficiente per i turni di punta
Capacità di gestire l'energia in base alla domanda e alla produzione
Visualizzazione del fabbisogno energetico del sistema alimentato
Contro l'aumento delle fluttuazioni di tensione e frequenza e la modifica dei modelli di flusso di energia.
Controllo acuto per i periodi di tempo in cui i prezzi di mercato sono bassi e alti
Esistono diverse possibilità di classificare i sistemi di accumulo di energia per creare una comparabilità. Le più note sono le classificazioni in base alle proprietà fisiche, energetiche, temporali, spaziali ed economiche. La classificazione energetica distingue le categorie sovraordinate di potenza ed energia, quella temporale in breve e lungo termine, quella spaziale in centrale, decentrale, stazionario e mobile, quella economica in mercati, costi di capitale e costi operativi. A causa della popolarità, dell'elevato numero di categorie e della comprensione tecnica, i diversi sistemi di accumulo vengono classificati e spiegati dal punto di vista fisico-energetico(Sterner, Stadtler, 2017).
I sistemi di accumulo meccanico utilizzano l'energia che un mezzo possiede grazie alla sua posizione (potenziale), velocità (cinematica) o stato termodinamico (pressione). Sono principalmente vettori di energia secondaria.
Tecnologie di stoccaggio:
Poiché l'uso di energia da fonti rinnovabili è più economico se utilizzato sotto forma di elettricità, l'accumulo elettrico è un'opzione ovvia. Il vantaggio di non dover convertire l'energia elettrica in altre forme di energia e quindi di poter evitare, in alcuni casi, elevate perdite di conversione. Il vantaggio di non dover convertire l'energia elettrica in altre forme di energia e quindi di poter evitare le elevate perdite di conversione ècompensato dallo svantaggio di una densità energetica estremamente bassa, sia in termini di volume che di peso, e di costi esorbitanti (Sterner, Stadtler, 2017). Per questo motivo, la loro applicazione è attualmente limitata ad applicazioni di nicchia.(Kurzweil, Dietlmeier, 2015)
I condensatori sono utilizzati per l'erogazione decentralizzata di corrente di cortocircuito e per le applicazioni che richiedono tempi di reazione molto elevati (ad esempio, la qualità della tensione).
Tecnologie di accumulo:
Stoccaggio a breve e lungo termine
I sistemi di accumulo elettrochimico sono costituiti da elettrodi collegati chimicamente. L'energia elettrica viene trasferita attraverso reazioni chimiche durante il caricamento e lo scaricamento. Esistono sistemi elettrochimici che possono essere solo scaricati. Questi sistemi sono chiamati batterie primarie. I sistemi che possono essere caricati e scaricati ripetutamente sono chiamati batterie secondarie (accumulatori). L'accumulo chimico, invece, coinvolge fonti di energia materiale come idrocarburi o sostanze che trasportano energia. L'energia può essere immagazzinata in mezzi gassosi (idrogeno, biogas), liquidi (carburanti come etilene, metanolo) o solidi (biomassa, carbone). I processi di carica avvengono in natura (fotosintesi) o vengono convertiti tecnicamente (energia in gas, energia in liquido). Lo scarico avviene attraverso processi di combustione o di conversione dell'energia termica in meccanica o elettrica.
Funzione:
Lo stoccaggio chimico funziona come stoccaggio a lungo termine per il settore dell'energia, ma anche come fornitore di carburante per la mobilità e il calore.
Tecnologie di stoccaggio:
Sistemi di accumulo a batteria:
Stoccaggio di sostanze chimiche:
Energia
ICT
Sistema di accumulo di energia con batterie agli ioni di litio che offre una flessibilità bidirezionale. È pensato per il ciclismo dinamico.
Energia
Mobilità
Soluzione per il riutilizzo delle batterie dei veicoli elettrici (EV). I taxi EV dell'azienda privata OU Takso di Tartu saranno parzialmente ricaricati grazie all'energia rinnovabile prodotta in loco con pannelli fotovoltaici e immagazzinata nelle batterie EV usate, migliorando il rendimento delle batterie.
Energia
Costruire
Un piano per ridurre i consumi elettrici negli edifici del terziario di Barcellona, attraverso l'installazione e l'utilizzo di pannelli solari fotovoltaici.
Esistono tre tipi principali di sistemi di accumulo di energia termica: sensibile, latente e termochimica. Mentre l'accumulo di energia sensibile funziona attraverso una variazione di temperatura, l'accumulo di energia latente funziona grazie a un cambiamento di fase del materiale utilizzato. Negli accumuli termochimici si utilizza una reazione chimica ad alta energia per immagazzinare energia. L'accumulo termico sensibile ha un alto livello di sviluppo ma una bassa densità energetica e l'accumulo termochimico viceversa. L'accumulo latente si colloca nel mezzo per entrambi i parametri.
Tecnologie di stoccaggio:
Accumulo termicosensibile
Accumulo termico latente
Accumulo termico termochimico
La soluzione di accumulo a sali fusi, menzionata nella soluzione per la flessibilità della rete, rientra nella categoria dell'accumulo di calore sensibile.
Funzione:
L'accumulo termico sensibile funziona come accumulo a breve termine o stagionale, spaziando dal livello di bassa temperatura per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria all'accumulo ad alta temperatura per la generazione di energia elettrica (sale fuso per le centrali solari termiche), per le applicazioni mobili e stazionarie.
La composizione del prezzo dell'elettricità può influenzare le prestazioni economiche di un sistema di accumulo di energia.
Le normative legali hanno un'enorme influenza e possono promuovere o inibire i sistemi di accumulo in paesi, regioni e città.
Poiché l'accumulo di energia elettrica è principalmente legato alle energie rinnovabili, la vicinanza a un impianto di energia rinnovabile garantisce un approccio olistico per massimizzare il risparmio di emissioni all'interno dei confini tracciati. Ad esempio, l'elettricità generata da una turbina eolica o da un impianto fotovoltaico può essere immagazzinata in un sistema di stoccaggio.
I risultati economici di molte tecnologie di generazione e stoccaggio dell'energia dipendono fortemente dal quadro normativo, soprattutto per quanto riguarda tasse e imposte. La politica climatica e le implicazioni sul prezzo della CO2 possono potenzialmente spingere le tecnologie a basse emissioni di carbonio. Quindi, il prezzo delle quote si aggiunge ai costi variabili di ogni tecnologia basata sui fossili. Ad esempio, diversi Paesi europei hanno una carbon tax. Portogallo, Svezia, Spagna e Polonia sono solo alcuni esempi (taxfoundation, 2020).
Ci sono state diverse iniziative dell'UE sulle batterie, come Batteries Europe, SET Plan action, i progetti BRIDGE sulle batterie o il progetto BATSTORM(Commissione Europea, 2020).
La maggior parte dei Paesi dell'UE non dispone di un meccanismo di sostegno specifico per i sistemi di accumulo di energia, anche se alcuni hanno implementato misure specifiche. In Germania, ad esempio, esiste un programma di sovvenzioni per la distribuzione di sistemi di accumulo a batteria. L'obiettivo è quello di garantire che gli impianti fotovoltaici abbiano un maggiore beneficio per il sistema complessivo, uniformando la loro esportazione. Mentre alcune soluzioni di accumulo di energia sono commercialmente valide senza sovvenzioni, i progetti più grandi e pesanti dal punto di vista infrastrutturale, come gli impianti di accumulo con pompaggio su larga scala, attualmente faticano ad attrarre investimenti a causa dell'elevato rischio di entrate(cms, 2018).
Mappa degli stakeholder di un sistema di accumulo di energia (BABLE, 2021)
Esistono molte proiezioni sul futuro del mercato dell'accumulo di energia. Alcune di queste differiscono in modo significativo, ma un'affermazione si ritrova in tutte le proiezioni: il mercato dell'accumulo di energia crescerà. Uno studio di Deloitte (2018) identifica diversi fattori di crescita:
Nel 2019, la domanda globale di sistemi di accumulo di energia è stata di 194,32 GW(Region, And Segment Forecasts, 2020). Secondo Bloomberg NEF, il mercato dell'accumulo di energia crescerà cumulativamente fino a 943 GW o 2.857 GWh entro il 2040. Dal 2018 al 2040 verranno investiti 620 miliardi di dollari nello stoccaggio di energia. Entro il 2040, si prevede che l'accumulo di energia rappresenterà il 7% della capacità elettrica totale installata a livello mondiale. Inizialmente, gran parte dell'accumulo di energia elettrica sarà installato dietro al contatore, ma entro la metà degli anni 2030 si prevede che la maggior parte dell'accumulo sarà nel settore utility-scale. Lo sviluppo del mercato nei singoli Paesi è illustrato nella figura seguente(BloomberggNEF, 2018).
Figura: Proiezione della diffusione globale dello stoccaggio cumulativo per paese 2018-2030(Deloitte, 2018)
I costi delle capacità di stoccaggio sono fondamentali per un sistema energetico basato su quote significative di energia rinnovabile. La figura seguente presenta una panoramica con i prezzi specifici per kWh delle varie tecnologie di stoccaggio dell'elettricità negli ultimi anni. Tra le soluzioni attualmente più utilizzate figurano i sistemi a batteria, le tecnologie power to X (elettrolisi in colore marrone) e gli impianti di accumulo a pompa (idroelettrico pompato in colore giallo). La dipendenza tra il prezzo e la capacità installata cumulativa è mostrata sugli assi orizzontali. Si può quindi osservare una correlazione tra la capacità installata e la riduzione dei costi.
Figura: Curve di esperienza per i costi e le capacità installate cumulative di diverse tecnologie di accumulo elettrico(Schmidt, Hawkes, Gambhir, & Staffell, 2017)
Oltre alla riduzione storica dei costi specifici delle capacità di accumulo elettrico, si prevedono ulteriori riduzioni dei costi. Gli studi prevedono che il costo livellato degli accumuli (LCoS) si ridurrà almeno di un terzo o della metà entro il 2030 e il 2050. Inoltre, si prevede che gli ioni di litio diventeranno probabilmente più efficienti dal punto di vista dei costi per quasi tutte le applicazioni di batterie stazionarie a partire dal 2030(Schmidt, Melchior, Hawkes, & Staffell, 2019). L'effetto della riduzione dei costi non è dovuto esclusivamente all'economia di scala, ma anche al livello di maturità delle tecnologie. Una proiezione dello sviluppo degli LCoS è riportata nella figura seguente.
Figura: Proiezione dei costi futuri delle tecnologie di accumulo elettrico(Schmidt, Hawkes, Gambhir, & Staffell, 2017)
Modello operativo di un sistema di accumulo di energia (BABLE, 2021)
Livello UE
Francia (Norton Rose Fullbright, 2019)
Paesi Bassi(Norton Rose Fullbright, 2019)
Energia
Mobilità
Soluzione per il riutilizzo delle batterie dei veicoli elettrici (EV). I taxi EV dell'azienda privata OU Takso di Tartu saranno parzialmente ricaricati grazie all'energia rinnovabile prodotta in loco con pannelli fotovoltaici e immagazzinata nelle batterie EV usate, migliorando il rendimento delle batterie.
Energia
Costruire
Un piano per ridurre i consumi elettrici negli edifici del terziario di Barcellona, attraverso l'installazione e l'utilizzo di pannelli solari fotovoltaici.
Energia
ICT
Sistema di accumulo di energia con batterie agli ioni di litio che offre una flessibilità bidirezionale. È pensato per il ciclismo dinamico.
Energia
L'energia termica viene immagazzinata nel terreno (pozzi), dove l'energia termica in eccesso viene restituita e immagazzinata nel terreno. Una batteria elettrica a Lippulaiva viene utilizzata per ottimizzare l'uso dell'elettricità e partecipare ai mercati di riserva dell'elettricità.
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Circa un quarto del prezzo dell'energia è dovuto al trasporto della stessa. L'implementazione di un sistema energetico locale può spostare la produzione di energia da un sistema centralizzato a un sistema decentralizzato.
Secondo la Direttiva sul rendimento energetico degli edifici (EPBD), gli edifici sono responsabili di circa il 40% del consumo energetico e del 36% delle emissioni di CO2 nell'UE.
La maggior parte dei finanziamenti pubblici per l'efficienza energetica all'interno dell'UE viene proposta nel settore dell'edilizia. I fondi federali per l'efficienza energetica negli edifici residenziali ammontano a 97 milioni di euro nel 2019. Un sistema di casa intelligente è una possibilità per migliorare l'efficienza energetica residenziale.
La fornitura di energia alle famiglie, agli edifici pubblici e ai servizi rappresenta la maggior parte delle emissioni di gas serra nella maggior parte dei comuni. I sistemi di risparmio energetico comunali rappresentano soluzioni puntuali per ottimizzare il consumo energetico.
Il commercio energetico peer-to-peer (P2P) crea un mercato online in cui l'energia può essere scambiata con basse barriere. Questo rende l'energia rinnovabile locale più accessibile.