alcuni impianti di accumulo di energia prodotta da fonti rinnovabili

alcuni impianti
di accumulo di energia
prodotta da fonti rinnovabili
nel mondo
Jon Garcia Aguirre
stagista progetto Fomento San Sebastian
agosto 2014
Telios
FONDAZIONE ONLUS
Per la promozione e diffusione delle energie rinnovabili, del risparmio energetico, della mobilità sostenibile
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ACCUMULO ENERGETICO
Stato attuale, i progetti in corso, un’occasione per il futuro
Un forte aumento della produzione di energia da fonti rinnovabili provoca la inevitabile
domanda di come gestire l'intermittenza della produzione, tipica di queste fonti, per
garantire la stabilità della rete elettrica. Infatti, molti sostengono che questa
intermittenza dovuta alla dipendenza climatica (sole, vento) sono motivi più che
sufficienti per non credere a un sistema futuro basato sulle rinnovabili.
L’aumento sostanziale di queste fonti energetiche rende necessario controllare e
regolare in qualche modo gli eventi di sovra- o sotto-produzione energetica.
In realtà, questo problema può essere perfettamente gestito con l’accumulo energetico.
Oggi ci sono diversi modi per immagazzinare l’energia, con una gamma di opzioni
tecnologiche più o meno sviluppate a livello sia commerciale che sperimentale. Questi
sistemi di accumulo possono essere utilizzati per immagazzinare la energia prodotta in
eccesso, ad esempio da pannelli fotovoltaici nei giorni di sole quando c’è poca
domanda elettrica, ed utilizzarla dopo quando la situazione si capovolge.
La integrazione di sistemi di accumulo sulla rete elettrica ha diversi effetti sul
funzionamento di questa. L’accumulo può essere direttamente utilizzato nella
produzione sia per immagazzinare l'eccesso che per acquistare l'elettricità a basso
costo quando non c'è una domanda diretta, per venderla più tardi quando la domanda
aumenta. L’accumulo è in grado di alimentare i servizi accessori della rete, per regolare
la offerta e la domanda, come riserva di energia per situazioni specifiche di emergenza
e come supporto alla tensione dalla rete elettrica. L’accumulo può anche contribuire a
migliorare la trasmissione e distribuzione, e la ricezione di energia da parte degli utenti.
Un sistema di accumulo integrato nella rete può effettuare diverse funzioni
contemporaneamente.
Analizzando brevemente gli attuali sistemi di accumulo, ci sono vari tipi che operano su
diversi principi fisici e scale di applicazione (a livello di piccole isole con piccoli
accumulatori o a grande scala con impianti di maggiore potenza specie di ripompaggio
idroelettrico). Di tutte queste tecnologie alcune sono allo stato sperimentale ed altre
sono state sviluppate e implementate a livello commerciale.
Nella tipologia di accumulo meccanico sono rappresentati gli impianti di accumulo di
ripompaggio idroelettrico (tecnologia matura e commerciale), l’accumulo di aria
compressa o CAES (Compressed Air Energy Storage, esistono due impianti
commerciali operativi nel mondo, in Germania ed Alabama, USA), e la tecnologia
chiamata “flywheel” in inglese (questa tecnologia basata sul principio del volàno viene
commercializzata oggi come modulare, sicura e affidabile, sostituto ottimo delle batterie
piombo – acido).
All’interno dell’accumulo elettrochimico si sono sviluppate tutta una gamma di batterie,
come quelle al piombo – acido (la tecnologia più matura e utilizzata commercialmente),
litio – ion (è la tecnologia più studiata per utilizzarla come supporto della rete elettrica e
si prevede di raggiungere 30 GWh di immagazzinamento al 2015, ci sono stati molti
progetti di dimostrazione per acquisire esperienza nel settore e portare la loro
implementazione in sistemi di rete degli Stati Uniti), batterie di sodio – solfuro (sono
state studiate e sperimentate e si producono in multipli di 1 e 6 MWh con installazione
tipiche di 2 – 10 MWh), batterie di nichel – sodio – cloruro (tecnologia limitata in fase di
sperimentazione), batterie di vanadio – redox (è la tecnologia più matura nella tipologia
di batterie di flusso o “flow batteries” ed è stata testata con successo in esperimenti su
piccola e grande scala), batterie di ferro – cromo (è una tecnologia ancora limitata in
fase sperimentale, mancano le prove conclusive), batterie zinco – bromo (queste sono
nella fase iniziale di sperimentazione e dimostrazione, ma oggi sono in commercio
moduli di 5 - 100 kWh con un tempo di stoccaggio di 2 – 6h), batterie zinco – aria
(questa tecnologia è nelle prime fasi di ricerca ed sviluppo).
Ci sono altri modi di immagazzinare energia come l’energia solare o l’accumulo di
idrogeno.
Lo schema seguente mostra l’uso di diversi tipi di accumulo di energia a seconda della
capacità energetica e il tipo di applicazione e del tempo di scarica. (UPS: Utility Power
Service ovvero servizio di livello utente; applicazioni di bassa potenza), T&D Grid
Support: Transmission and distribution (trasmissione e distribuzione nella rete), Bulk
Power (Potenza lorda, lo stoccaggio diretto dalla produzione).
Fonte: DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA
La tecnologia che oggi può essere utilizzata per immagazzinare grandi quantità di
energia è quella di ripompaggio. Anche se la tecnologia CAES potrebbe essere
utilizzata con questo scopo, oggi ci sono solo due impianti al mondo funzionanti, e si
stanno studiato altri tipi di sistemi CAES più avanzati.
Il diagramma qui sotto mostra lo stato attuale delle diverse tecnologie di accumulo
energetico (stato di ricerca ed sviluppo, stato di dimostrazione tecnologica ed stato di
commercializzazione) e un rapporto tra il capitale richiesto e il rischio relativo.
fonte: IEA, Energy Storage Technology Roadmap, 19 marzo 2014
Come già detto, la maggioranza dei progetti collegati ai sistemi di accumulo elettrico
sono dimostrativi (tecnologia CAES, batterie di NaS, batterie di flusso come quelli di
Vanadio – redox e batterie agli ioni di litio), mentre l’accumulo idroelettrico di
ripompaggio è una tecnologia matura. Tuttavia, alcuni come le batterie di NaS o litio ion vengono già commercializzati.
L’opzione per accumulare l’energia prodotta a livello di utente è una realtà, con diversi
produttori come Sony che vendono sistemi di accumulo elettrochimici che possono
essere integrati ai pannelli fotovoltaici installati sui tetti delle case.
Esistono anche diversi progetti in tutto il mondo che dimostrano la possibilità di
utilizzare diversi sistemi di accumulo integrati con fonti intermittenti di energia su
grande scala. Il sistema di accumulo si utilizza in questi progetti con diversi scopi, per
integrare la produzione di energie rinnovabili, per compensare i picchi di produzioni
delle energie rinnovabili, per aiutare a regolare la rete elettrica o per avere una riserva
energetica per le emergenze. I principale leader in questo settore sono Stati Uniti,
Giappone, Cina e Germania.
Sono stati anche realizzati impianti di sale fuso in paesi come Spagna e Stati Uniti, di
accumulo di idrogeno in Norvegia (Utsira) e Germania, ed altri tipi di progetti di
accumulo di ghiaccio, “flywheels”, super-condensatori e superconduttori.
Il completamento di questi progetti ed i risultati ottenuti dimostrano la possibilità di
utilizzare l’accumulo in applicazioni reali e la sua fattibilità come supporto alle energie
rinnovabili. Nel futuro sarebbe quindi possibile basare i sistemi elettrici sull'energia
rinnovabile, poichè le fluttuazioni e le intermittenze non sarebbero più un fattore
proibitivo. Tuttavia, per fare ciò necessita l’ammodernamento della rete e implementare
il concetto di “smart grid” o rete intelligente con la presenza di sistemi di accumulo
energetico diffusi sul territorio e integrati con la cosiddetta "generazione distribuita".
Il concetto di “smart grid” si riferisce ai sistemi di produzione, trasmissione e
distribuzione interconnessi elettronicamente tra essi, con i loro sistemi di
comunicazione e di controllo per ottimizzare la gestione della distribuzione elettrica
nella rete. E' probabile che questo tipo di sistema costituisca la forma migliore per
gestire la distribuzione elettrica nel futuro. Questo, insieme con l’ulteriore sviluppo delle
fonti intermittenti di energia rinnovabile, lo sviluppo delle micro reti (piccole utenze
energetiche interconnesse ed autosufficienti) e altri tipi di driver renderanno
indispensabile l’integrazione dei sistemi di accumulo.
La possibilità tecnica è oggi una realtà e la sua redditività è stata o sta per essere
dimostrata, quindi il futuro è concreto. In effetti, l'obiezione della dipendenza climatica
delle fonti rinnovabili come limite per utilizzare quella energia in futuri sistemi elettrici a
larga scala può essere contrastata facilmente prendendo in considerazione i progetti
menzionati sopra. Esistono diverse tecnologie che sono state utilizzate per anni e che
hanno dimostrato di essere ottime soluzioni per immagazzinare l’energia.
Sembra che oggi il principale svantaggio di questi sistemi di accumulo sia il costo, ed in
particolare il costo delle tecnologie che sono ancora in fase sperimentale o dei progetti
di dimostrazione (come le batterie agli ioni di litio, le batterie di NaS ecc.). Nel 2011
l’Agenzia per l'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha osservato che alcune di queste
tecnologie non erano competitive per penetrare il mercato attuale.
Quando si parla dei costi collegati a questi sistemi di accumulo si può parlare di costi di
installazione ($/kW), di capacità di rendimento ($/kW anno) che si riferisce ai profitti
annuali necessari per soddisfare tutti i costi fissi e variabili dell'intero ciclo di vita
dell’impianto, di costi dell'energia ($/MWh) collegati ai benefici necessari in termini di
energia fornita per affrontare l’intero ciclo di vita dell’impianto, di valore attuale del ciclo
di vita ($/kW installato) che comprende l’intero costo di installazione e di tutti i costi fissi
e variabili di esercizio della vita utile o lo stesso parametro in termini di energia ($/ kWh
installati).
Nel documento “DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with
NRECA” redatto da Sandia National Laboratories negli Stati Uniti, si possono vedere le
stime fatte relative ai costi collegati a diverse tecnologie (differenziati con il criterio di
cui sopra) di accumulo di energia secondo la sua applicazione (trasmissione e
distribuzione, servizi agli utenti, stoccaggio della energia prodotta, regolazione della
rete, applicazioni commerciali ed industriali, applicazioni a livello di utente, ecc.). In uno
studio fatto da KEMA (una società di consulenza energetica degli Stati Uniti), vi sono
calcoli e stime che dimostrano che il costo totale per immagazzinare energia è almeno
di $2500/kW in termini di potenza installata dell'intero impianto di produzione ed
accumulo, con variazioni a secondo dalla tecnologia considerata. Le tecnologie più
costose sarebbero quelle delle batterie di NaS e di litio – ion, mentre tecnologie come
l’accumulo da ripompaggio e CAES sarebbero più economiche.
E' probabile che i costi collegati alle diverse tecnologie varieranno in futuro a seconda
del loro maggiore o minore sviluppo. Per esempio, l’ulteriore sviluppo delle batterie fa
stimare una diminuzione del loro costo, e quindi le possibili installazioni future
potrebbero avere un costo inferiore.
Tuttavia, al di là dei relativi costi di installazione e gestione, si dovrebbero tenere anche
in conto i relativi benefici collegati alla autosufficienza energetica. Soluzioni locali di
sistemi di generazione energetica intermittente (fotovoltaico ed eolico) con sistemi di
gestione integrati di accumulo, monitorati continuamente, possono costituire il futuro
della produzione di energia elettrica. Da un punto di vista tecnico questi sistemi
sarebbero più efficienti, con relativi benefici ambientali collegati alla produzione di
energia pulita.
Conclusione
Il mondo dell'accumulo energetico è un campo nuovo, con alto potenziale di sviluppo
collegato ai nuovi concetti di gestione dalla rete elettrica, “smart grid” o rete intelligente,
che potrebbero costituire il futuro nei prossimi anni.
Oggi ci sono tutti i tipi di soluzioni, più o meno costosi e sviluppati, per immagazzinare
l’energia. Essi sono in crescita e miglioreranno sicuramente le future applicazioni sia a
piccola che a grande a scala.
I progetti realizzati in tutto il mondo dimostrano la possibilità di integrare i sistemi di
accumulo energetico per migliorare la rete elettrica e diventarne strumento di supporto.
Nel futuro sarà indispensabile dotare di sistemi di accumulo gli impianti di energie
rinnovabili (se si vuole continuare con una politica di sviluppo energetico sostenibile,
con una maggiore presenza di queste fonti) per arrivare in questo modo ai sistemi
elettrici modernizzati e ottimizzati da un punto di vista non solo tecnico ma anche
ambientale.
L'autosufficienza energetica passa da qui.
Foglio1
Alcuni impianti di energia rinnovabile e sistemi di accumulo nel mondo
nazione
stato o regione
località
tipo di impianto di produzione di
energia elettrica: eolico,
fotovoltaico, altro
potenza installata
KW/MW
produzione annua
MWh
Germania
Thuringia
Goldishtal
idroelettrico
1060 MW
1.806.000 MWh
Stati Uniti
Giappone
Nagano & Uone
Cina
Guandong
Giappone
Okinawa
Germania
Tipologia di utenze
servite residenziali
industriali terziarie
361.000 utenze
residenziali
tipo di impianto di
accumulo: batterie,
ripompaggio, altro
potenza e capacità di
accumulo
Anno di entrata
in esercizio
ripompaggio
8 GWh
2004
Costo di
costruzione
accumulo
Costo di
costruzione
impianto
600.000.000 euro
Bath
idroelettrico
3003 MW
28.200 MWh
60.000.000 persone
ripompaggio
3 GW potenza capacità 24
GWh
1985
1.6 billion $
Minamiaiki
idroelettrico
470 MW (2005) 2820
MW (2032)
14.800 MWh
150.000 utenze
residenziali
ripompaggio
?
2005
4.9 billion $
idroelettrico
2400 MW
2.934.000 MWh
?
ripompaggio
?
2000
423.600.000 $
Kunigami
idroelettrico
30 MW
?
2.1% della domanda
della isola
ripompaggio
?
1999
?
Huntorf
Termoelettrico
321 MW
?
aria compressa
2 ore (580 MWh)
1978
?
aria compressa
26 ore (2860 MWh)
1991
$800/kW
2011
1.88 billion $
32 MW (in termine di
potenza)
2011
?
Stati Uniti
Alabama
Macintoch
Termoelettrico
110 MW
32.639 MWh
110.000 utenze
residenziali
Cina
Hebei
Zhangbei
Eolico + Fotovoltaico
216 MW (500 MW nel
futuro)
?
?
Stati Uniti
Virginia
Eolico
98 MW
260.000 MWh
?
Toronto
Supporto alla distribuzione dalla
rete elettrica
?
?
?
batterie litio ion
250 kWh
2012
Aomori
Rokkasho
Eolico + Fotovoltaico
85 MW
?
?
batterie NaS
238 MWh (34 MW)
2008
città di Presidio
500 utenze
residenziali
batterie NaS
32 MWh (4 MW)
2010
batterie NaS
7.2 MWh (1 MW)
2008
?
batterie vanadio -- redox
6 MWh (90 min) (4 MW)
2005
71.8 million $
2000
?
Canada
Giappone
batterie litio ion (ferro - 63 MWh batterie litio ion (14
MW) + 8 MWh batterie
fosfato) + batterie vanadio
vanadio - redox (2 MW)
redox
batterie litio ion
16.3 million $
(2100 $/kW)
?
Stati Uniti
Texas
Presidio
supporto alla linea di trasmisione
No
No
Stati Uniti
Minnesota
Lucerne
Eolico
?
?
Giappone
Hokkaido
Tomamaee
Eolico
34.6 MW
59.000 MWh
?
Fotovoltaico (CPV)
200 kW
?
utenze terziare
Stati Uniti
Texas
Notrees
Eolico
153 MW
?
?
piombo - acido
24 MWh
2013
Stati Uniti
New York
Stephen Town
regolazione di potenza della rete
elettrica
No
No
10 % della
regolazione di
Potenza di New York
volano (flywheel)
5 MWh con 15 min (20 MW
con 4 s di risposta)
2011
69 millioni $
Stati Uniti
Arizona
Gila Bend
Solare termica (CSP)
280 MW
?
70.000 utenze
residenziale
MSES (sale fuso)
6 ore (1680 MWh)
2013
2 billion $
Spagna
Granada
Aldeide & La
Calahorra
Solare termica (CSP)
150 MW
510.000 MWh
?
MSES (sale fuso)
7.5 ore (1125 MWh)
2011
1.23 billion $
Canada
British Columbia
Vancouver
?
?
?
Università British
Columbia
batterie nichel manganese - cobalto
1 MWh
?
?
Utsira
Eolico
600 kW
?
10 utenze residenziali
accumulo di idrogeno
2 -3 giorni
2004
?
Giappone
Norvegia
batterie vanadio -- redox 50 kW (in termine di potenza)
25 milioni $
Note a commento
7 anni di costruzione. L'impianto più grande in
Germania
http://www.nachhaltigwirtschaften.at/iea_pdf/iea_technology_roadmap
_energystorage.pdf
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/C
La produzione di energia è continuamente
monitorata in tempo reale, e calcolata la energia S.Rokkashoda erogare nel momento in cui sia neccessario Futamata_Wind_Farm___Energy_Storage_Case_Study.html
Supporto alla distribuzione elettrica dalla cità.
Meccanica
Termica
Chimica
Elettromagnetica
- CAES; Acqua calda acqua fredda, ghiaccio - Batterie - Superconduttori (SMES: Superconducting magnetic energy storage; this systems store energy in a magnetic field)
-Volano (flywheel)-accumulo criogenico con nitrogeno ogeno
- Idroelettrico di pompaggio-Sale fusoSES of direct current (DC) electricity into a super - cooled coil).
- Energia gravitazionale; capacitori (store energy in large electrostatic fields between two conductive plates, which are separated by a small distance).
Pagina 1
http://energy.sandia.gov/?attachment_id=15587
L’obbiettivo di questo progetto è ridurre la
variabilità dell’energia eolica nella rete
elettrica
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/C
S.Tomamae_Wind_Villa_Power_Plant___Energy_Storage_Case_Stud
y.html
http://www.nachhaltigwirtschaften.at/iea_pdf/iea_technology_roadmap
_energystorage.pdf
http://www.duke-energy.com/commercial-renewables/notrees-batterycontrollare le fluttuazioni dalla energia eolica
storage.asp
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/C
Capacità di immagazzinare energia per 15 min e
S.Beacon_Power_Stephentown_Advanced_Energy_Storage___Energ
di scaricarla in 5 s.
y_Storage_Case_Study.html
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/C
S.Solana_Generating_Station___Energy_Storage_Case_Study.html
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/C
S.Andasol_Solar_Power_Station___Energy_Storage_Case_Study.htm
l
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_energy_storage_projects
Progetto piloto realizzato fino al 2008, dovuto a
problemi tecnichi con la conversione di elettricità http://www.iea.org/media/topics/roadmaps/Annex_A_Technical_Annex
dal idrogeno.
_FIN.pdf
In wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_energy_storage_projects) si trovano diversi progetti realizzati a livello mondiale (Giappone, Canada, UK, Stati Uniti, Spagna, Germania, Irlanda, Chile, Cina, Corea Sud, Sud Africa, Israel, Italia ed Australia) di
maggiore o minore taglia con 175 progetti in totale (la maggior parte ubicati nei Stati Uniti).
Qui sopra, alcuni di questi progetti (con diverse tecnologie di accumulo).
Tecnologie di accumulo:
http://powerplants.vattenfall.com/node/282
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/E
nergy_Storage_Case_Studies.html &
L'impianto più grande degli Stati Uniti. Collega
60.000.000 di persone in 13 Stati e fornisce 0.47 http://en.wikipedia.org/wiki/Bath_County_Pumped_Storage_Stationhttp
://thinkprogress.org/climate/2013/08/27/2524501/hydro-pumpedkWh/anno/persona.
storage-climate-change/
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/E
nergy_Storage_Case_Studies.html &
Inizio di costruzione 1997, 470 MW in 2005,
http://www.powermag.com/kannagawa-hydropower-plantprogetto totale in 2032 di 2.820 MW.Obbiettivo di
japan/http://www.tepco.co.jp/en/press/corpregolazione di potenza, black start, distribuzione d
com/release/2012/1205253_1870.htmlhttp://www.powermag.com/kann
energia elettrica, gestione delle variazioni, ecc.
agawa-hydropower-plantjapan/http://en.wikipedia.org/wiki/Kannagawa_Hydropower_Plant
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/E
nergy_Storage_Case_Studies.html & http://www.industcards.com/pschina.htm
Impianto che utlizza l'acqua del mare. Concepito http://www.nachhaltigwirtschaften.at/iea_pdf/iea_technology_roadmap
come impianto pilota
_energystorage.pdf
http://www.nachhaltigwirtschaften.at/iea_pdf/iea_technology_roadmap
bassa efficienza (42%)
_energystorage.pdf
http://www.nachhaltigwirtschaften.at/iea_pdf/iea_technology_roadmap
bassa efficienza (54%)
_energystorage.pdf &
http://enipedia.tudelft.nl/wiki/Mcintosh_(al)_Gt_Powerplant
Accumulo riferito in termini di potenza e non in
MWh. Questo progetto dal 2011 dimostra la http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/C
possibilità di trasferire grandi quantità di energia S.Zhangbei_National_Energy_Storage_Project___Energy_Storage_C
ase_Study.html
rinnovabile intermitente nella rete
http://www.cleanenergyactionproject.com/CleanEnergyActionProject/E
nergy_Storage_Case_Studies_files/AES%20Laurel%20Mountain%20
Plant.pdf
supplemento alla energia eolica
22 millioni $
Fonte
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_energy_storage_projects