Dipartimento Tecnologie Energetiche

Accumulo di Energia

La crescente penetrazione delle RES (Renewable Energy Sources) non programmabili, indispensabile per il raggiungimento degli obiettivi fissati dal recente accordo di Parigi (COP21-2015), pone già ad oggi significative sfide per la sostenibilità della rete elettrica, dovute essenzialmente alla intrinseca non programmabilità del solare fotovoltaico e dell’eolico, che rappresentano le rinnovabili più importanti in termini di volume di produzione. Uno dei problemi dell’aumento della presenza in rete delle RES, oltre alla stabilità della rete, è come sfruttare al meglio il surplus di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili non immettibile sulla rete. In conformità con i trend di sviluppo delle fonti rinnovabili in ambito europeo e con gli obiettivi dichiarati nella nuova SEN, l’accumulo dell’energia diventa un argomento fondamentale in termini di sicurezza dell’approvvigionamento e di diversificazione delle fonti, di stabilità e capacità di soddisfare la domanda sempre più ‘tempo variabile’.

Diverse sono le strade da percorrere:

 

Accumulo elettrochimico di energia (Pier Paolo Prosini)

Le attività sull’accumulo elettrochimico di energia si concentrano sulla fisica e la chimica dei materiali per lo stoccaggio dell’energia. Gli obiettivi sono quelli di: i) aumentare la densità di energia, ii) migliorare la sicurezza, iii) ridurre il costo e iv) allungare il ciclo e la durata di vita delle batterie.
All’interno del laboratorio sono attive numerose linee di ricerca per studiare nuovi materiali elettrodici ed elettrolitici. Oltre alle più conosciute batterie al litio, si stanno indagando anche sistemi post-lithium quali batterie allo zolfo e batterie agli ioni di sodio. Le prime sono dotate di elevata densità di energia mentre quelle al sodio promettono una forte diminuzione dei costi. Lo studio riguarda materiali anodici e catodici capaci di intercalare ioni sodio e sviluppare polisolfuri di litio solubili nell’elettrolita. Le batterie allo zolfo o sodio ione potranno un giorno rimpiazzare le batterie agli ioni di litio, con innumerevoli vantaggi in termini di costo, sicurezza e diffusione. Anche l’elettrolita gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento nelle batterie poiché da esso dipendono fortemente la stabilità e la sicurezza. Il laboratorio ha già prodotto studi fondamentali su elettroliti basati sui liquidi ionici e attualmente sta indagando elettroliti allo stato solido dotati di elevata conducibilità ionica anche a temperatura ambiente.
Il laboratorio effettua caratterizzazioni termiche, morfologiche e strutturali di alto livello, utilizzando strumenti quali termogravimetria, microscopio elettronico a scansione, diffrattometro a raggi X. Inoltre, per verificare le prestazioni dei materiali nelle batterie ed indagare sui meccanismi di degradazione, in funzione della loro vita ciclica, si ricorre all’utilizzo di ciclatori automatizzati a più canali dotati di differenti range di lavoro con i quali è possibile monitorare il comportamento di batterie di diversa capacità, da piccole celle a bottone fino a batterie di potenza.
Per potenziare le attività del laboratorio, si prevede di passare dalla situazione attuale, in cui i campioni sono prodotti e caratterizzati uno alla volta (try and test), ad una in cui i materiali saranno progettati tramite metodi di design of experiments. Questo permetterà di diminuire il numero di esperimenti e massimizzare il risultato della ricerca. In questo modo potranno essere prodotti e caratterizzati nuovi materiali elettrodici per batterie Li-ione o Na-ione dotati di maggiore densità di energia, basso costo e più elevata durata e sicurezza.

 

Accumulo chimico di energia “power to gas” (Paolo Deiana, Vincenzo Barbarossa)

ll Power To Gas rappresenta un nuovo paradigma dell’accumulo di energia elettrica fornendo una capacità di stoccaggio potenzialmente illimitata, oltre ad essere una tecnologia facilmente scalabile. Il concetto alla base è lo sfruttamento diretto di risorse rinnovabili sia programmabili (biomasse di origine vegetale e/o animale) che non programmabili (eolico e fotovoltaico) con un processo di produzione sia dell’idrogeno (mediante elettrolisi dell’acqua) che di metano sintetico pronti per l’immissione nella rete di distribuzione nazionale.
In quest’ambito l’ENEA sviluppa tecnologie che accoppiano il Power To Gas al riuso ambientalmente sostenibile della CO2,  comunque catturata da sistemi basati su fonte fossile o presente in atmosfera (Direct Air Capture), per la produzione sia di combustibili ‘verdi’ che di prodotti di utilità per l’industria chimica. Poiché la combustione ed i processi di produzione rilasciano enormi quantità di CO2 in atmosfera, il suo riuso, oltre a contribuire all’obiettivo di decarbonizzazione del sistema energetico e industriale,  ci offre la possibilità di produrre una varietà di prodotti paragonabile a quelli ottenibili dai fossili, via riduzione con idrogeno.  La R&S in questo ambito ha quindi come obiettivi:

  • l’accumulo chimico del surplus di energia elettrica sulla rete proveniente da fonte rinnovabile non programmabile;
  • la riduzione delle emissioni in atmosfera della CO2, mediante stoccaggio chimico della CO2, alternativo a quello geologico;
  • la produzione di combustibili con minor impatto ambientale;
  • l’approvvigionamento di gas per aree geografiche non servite.

In particolare si studiano diverse soluzioni tecnologiche:

  • sviluppo di processi di produzione e trattamento di Substitute Natural Gas da gassificazione di carbone/biomassa, immediatamente collocabile sul mercato della distribuzione finale;
  • sviluppo di processi catalitici innovativi per la produzione di combustibili e “chemicals”, come il metanolo ed il dimetil-etere o altri chemicals di utilizzo sia nel settore civile che nell’industria chimica. In particolare, attualmente si sta studiando un nuovo processo di produzione di dimetil-etere; quest’ultimo ha come possibili applicazioni sia l’autotrazione, in sostituzione del gasolio, sia l’uso come gas domestico ed ancora come sorgente di idrogeno per celle a combustibile. Il processo che si intende sviluppare presenta caratteristiche di economicità e sostenibilità ambientale (evitando il passaggio attraverso la produzione di metanolo) migliore rispetto agli attuali.

 

Accumulo termico di energia (Tommaso Crescenzi)

La tecnologia ha il beneficio di migliorare la dispacciabilità dell’energia, aumentare il numero di ore di esercizio degli impianti, ridurre i consumi di energia da fonte fossile e il relativo impatto ambientale. L’accumulo termico a calore sensibile può avvenire sia in mezzi liquidi che solidi: l’uso di sale fuso e di cemento consente di ottenere sistemi a basso costo. L’accumulo termico a calore latente ha il vantaggio di possedere un’alta densità di energia accumulata e, di conseguenza, consente la realizzazione di sistemi di accumulo compatti e di basso impatto visivo. Inoltre, sfruttando il cambio di fase del materiale di accumulo, fornisce calore a una temperatura sostanzialmente costante, aumentando l’efficienza complessiva del sistema di utilizzo.
Si studiano e sviluppano sistemi di accumulo a calore latente che utilizzano come mezzo di accumulo il calcestruzzo, materiale a basso costo e larga disponibilità. E’ stata studiata una particolare tipologia di calcestruzzo adatto a lavorare a tra i 150 ed i 400°C con adeguate caratteristiche termiche e meccaniche. Un particolare elemento di accumulo termico in calcestruzzo con tubo di scambio immerso è stato sviluppato ed è in corso un’accurata campagna di caratterizzazione utilizzando l’impianto sperimentale Solteca3. Sono in fase di studio nuove tipologie di miscele con aggiunta di materiali a cambiamento di fase per incrementare la capacità termica del sistema.
Si sta sviluppando una nuova tipologia di sistema di accumulo a calore latente utilizzante un fascio tubiero a sviluppo verticale immerso in un materiale a cambiamento di fase (PCM). Tale sistema ha la caratteristica di migliorare le condizioni di trasferimento e prelievo dell’energia, sfruttando i moti convettivi della fase fluida al momento della fusione del mezzo di accumulo. La caratterizzazione di questo sistema avviene in un impianto sperimentale dedicato, denominato ATES, operante sino a temperature di circa 300°C. Vengono anche studiate soluzioni con tubi alettati al fine di promuovere la conduzione del calore nel PCM oppure particolari tipologie di PCM in cui vengono disperse delle nanoparticelle per incrementarne le caratteristiche termiche (NEPCM).