Che cos’è l’accumulo di energia termica? Una guida al futuro dell’energia pulita

La transizione globale verso un'economia energetica pulita, alimentata da fonti rinnovabili come il solare e l'eolico, è ben avviata. Tuttavia, queste potenti risorse presentano una sfida operativa fondamentale: l'intermittenza. Il sole non splende sempre e il vento non soffia sempre, creando uno sfasamento temporale tra il momento in cui l'energia viene prodotta e quello in cui viene consumata. Questa variabilità può mettere a dura prova le reti elettriche e ostacolare l'integrazione su larga scala delle fonti rinnovabili.

È in questi scenari che l'accumulo di energia termica (TES) emerge come tecnologia fondamentale. Esso fornisce la flessibilità critica necessaria per costruire un sistema energetico resiliente, affidabile e decarbonizzato. Il valore fondamentale del TES risiede nella sua capacità di disaccoppiare il momento della generazione dell'energia da quello dell'utilizzo. Un modo utile per concettualizzare questo aspetto è quello di una "batteria di calore" su larga scala. Mentre una batteria convenzionale immagazzina l'energia in forma chimica, una batteria termica la immagazzina come calore o freddo. Cattura l'energia rinnovabile abbondante e conveniente quando è disponibile e la distribuisce ore, giorni o addirittura stagioni dopo, quando è più necessaria e preziosa.

Per i proprietari terrieri, gli investitori e i responsabili politici, una chiara comprensione dell'accumulo di energia termica è essenziale per sbloccare nuovi flussi di reddito, effettuare investimenti finanziari solidi e definire una politica energetica efficace.

L'accumulo di energia termica è una tecnologia progettata per immagazzinare energia termica riscaldando o raffreddando un mezzo di accumulo, in modo che l'energia immagazzinata possa essere utilizzata in un momento successivo. Questo processo è notevolmente efficiente e può essere scomposto in un ciclo fondamentale a tre fasi.

In primo luogo, durante la fase di carica, viene utilizzata una fonte di energia per modificare la temperatura del mezzo di accumulo. Questa energia può provenire da varie fonti, ma un metodo comune è quello di utilizzare l'elettricità a basso costo o in eccesso dalla rete, spesso da fonti rinnovabili, per alimentare un riscaldatore resistivo che riscalda il mezzo. In alternativa, il sistema può catturare l'energia solare concentrata o recuperare il calore industriale di scarto che altrimenti andrebbe perso. Una volta caricata, l'energia termica è contenuta in un sistema altamente isolato durante la fase di stoccaggio per ridurre al minimo la perdita di calore nel tempo. La durata dell'accumulo è un parametro chiave della progettazione e può variare da alcune ore a molti mesi. Infine, quando l'energia è necessaria, viene estratta dal mezzo di accumulo nella fase di scarica. Ciò può comportare il passaggio del fluido caldo attraverso uno scambiatore di calore per la produzione di vapore per la generazione di elettricità, la fornitura di calore ad alta temperatura direttamente a un forno industriale o la circolazione di acqua calda o refrigerata per la climatizzazione degli edifici.

Questo semplice ciclo consente ai TES di funzionare come strumento versatile di gestione dell'energia, colmando il divario tra domanda e offerta di energia.

L'accumulo di energia termica non è una singola tecnologia, ma un portafoglio diversificato, con ogni approccio che offre caratteristiche e profili di prestazione unici. Queste tecnologie sono ampiamente classificate in tre categorie principali, in base al meccanismo fisico o chimico utilizzato per immagazzinare l'energia. Per gli investitori e gli sviluppatori, la comprensione dei diversi compromessi tra queste tecnologie è fondamentale.

L'accumulo di calore sensibile è la forma più matura e commercialmente più semplice di TES. Il principio è semplice: l'energia viene immagazzinata aumentando la temperatura di un mezzo di accumulo e viene scaricata estraendo il calore quando il mezzo si raffredda. La scelta del mezzo è una decisione critica per la progettazione. L'acqua è impareggiabile per le applicazioni a bassa temperatura grazie al suo basso costo e all'elevata capacità termica, che la rendono dominante nei sistemi di teleriscaldamento. Per le applicazioni ad alta temperatura, in particolare negli impianti a concentrazione solare (CSP), i sali fusi sono lo standard del settore, in grado di funzionare fino a 600°C per consentire una produzione efficiente di elettricità. Il problema principale dei sali fusi è il loro elevato punto di congelamento, che richiede sistemi di riscaldamento ausiliari per evitare blocchi. Una terza opzione prevede l'uso di mezzi solidi come rocce, sabbia e mattoni di ceramica. Questi materiali sono robusti, a basso costo e in grado di resistere a temperature estremamente elevate (oltre 1.000°C), il che li rende particolarmente adatti a fornire calore pulito e di alta qualità all'industria pesante.

I sistemi di accumulo del calore latente rappresentano un approccio più avanzato che utilizza i materiali a cambiamento di fase (PCM). Queste sostanze immagazzinano e rilasciano grandi quantità di energia nel passaggio dallo stato solido a quello liquido. Il vantaggio ingegneristico di questo processo è che il trasferimento di energia avviene a una temperatura quasi costante, il che consente un controllo termico più preciso in varie applicazioni. L'adozione su larga scala della tecnologia LHS è attualmente limitata non tanto dal concetto, quanto dalle sfide significative della scienza dei materiali. L'obiettivo principale della ricerca e dello sviluppo è migliorare la stabilità a lungo termine dei PCM, che tendono a degradarsi con ripetuti cicli di gelo/disgelo, e migliorare la loro conducibilità termica per consentire una carica e una scarica più rapide. La proprietà intellettuale e la crescita futura del mercato degli LHS risiedono nella creazione di PCM avanzati che superino queste limitazioni.

L'accumulo termochimico rappresenta la categoria di accumulo termico più avanzata e, per molti versi, più trasformativa. A differenza di SHS e LHS, che immagazzinano l'energia sotto forma di calore sensibile o latente, il TCS immagazzina l'energia all'interno del potenziale dei legami chimici reversibili. In questo processo, il calore ad alta temperatura provoca una reazione endotermica, rompendo un composto chimico in due o più prodotti separati. Questi prodotti possono essere conservati a temperatura ambiente per un tempo indefinito, con una perdita di energia praticamente nulla. Quando è necessaria energia, i prodotti vengono ricombinati in una reazione esotermica, rilasciando l'energia chimica immagazzinata come calore ad alta temperatura. Questa capacità di immagazzinare energia senza perdite per un periodo veramente lungo rende il TCS un candidato privilegiato per le applicazioni stagionali, come la cattura dell'abbondante energia solare in estate e il suo rilascio come calore in inverno. Pur essendo la meno matura delle tre tecnologie, la TCS promette di aprire un nuovo livello di flessibilità della rete.

L'accumulo di energia termica è una piattaforma versatile con un'ampia gamma di applicazioni che creano un valore distinto per diversi soggetti interessati. Dalla stabilizzazione delle reti elettriche nazionali alla decarbonizzazione dell'industria pesante, l'accumulo di energia termica è uno strumento fondamentale per la transizione energetica.

Nel caso dell'energia solare a concentrazione, l'integrazione di TES in serbatoi di sale fuso trasforma una risorsa solare intermittente in una centrale elettrica rinnovabile dispacciabile e con carico di base, in grado di fornire energia affidabile 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per la rete elettrica in generale, il TES agisce come una potente forza stabilizzatrice, assorbendo la produzione rinnovabile fluttuante e rilasciandola sotto forma di un blocco di energia regolare e prevedibile. Ciò aumenta l'affidabilità e la resilienza della rete.

Nel settore industriale, che è uno dei più difficili da decarbonizzare, il TES offre un percorso diretto ed economicamente convincente per elettrificare il calore industriale. Utilizzando l'elettricità rinnovabile a basso costo per riscaldare un mezzo di accumulo come i mattoni di ceramica, i sistemi TES possono fornire calore pulito, affidabile e ad alta temperatura su richiesta, sostituendo direttamente le caldaie e i forni a combustibile fossile e coprendosi dalla volatilità dei prezzi dei combustibili.

Infine, nell'ambiente costruito, i sistemi TES offrono una potente gamma di soluzioni. Su larga scala, i sistemi TES centralizzati possono costituire il cuore delle reti di teleriscaldamento e raffreddamento. Per i singoli edifici commerciali, i sistemi di stoccaggio del freddo possono ridurre drasticamente il consumo di elettricità durante le ore di punta. Questo non solo riduce le bollette, ma aumenta anche la resilienza delle nostre comunità.

Per gli investitori, la decisione di finanziare un progetto di accumulo di energia termica si basa su una chiara motivazione economica. La redditività di un asset TES spesso non dipende tanto dalla tecnologia di base in sé, quanto dalla struttura del mercato e dalle opportunità di servizio di rete in cui opera.

Il concetto più cruciale per massimizzare il ritorno finanziario di un progetto TES è l'accatastamento dei ricavi. Affidarsi a un unico flusso di valore limita notevolmente il potenziale di guadagno di un progetto. I progetti TES di maggior successo sono concepiti per catturare più flussi di entrate contemporaneamente. Ciò include il guadagno derivante dall'arbitraggio dell'energia in base al tempo di utilizzo, caricando con energia a basso costo e scaricando quando i prezzi sono alti. Per i clienti industriali, significa generare risparmi attraverso la riduzione della domanda. Nei mercati organizzati dell'energia elettrica, si tratta di fare offerte per fornire servizi ausiliari preziosi come la regolazione della frequenza. Un sistema di gestione dell'energia sofisticato, in grado di ottimizzare il funzionamento dell'impianto in tempo reale, è la chiave per liberare tutto questo valore.

Le politiche governative di sostegno svolgono un ruolo decisivo nell'accelerare la diffusione. Negli Stati Uniti, l'Inflation Reduction Act (IRA) ha avuto un impatto particolare. Ha modificato il credito d'imposta sugli investimenti (ITC) rendendolo per la prima volta disponibile per progetti di accumulo di energia autonomi. Ciò offre un'immensa flessibilità nell'ubicazione e nella progettazione dei progetti. Il credito di base del 30%, con potenziali bonus aggiuntivi, riduce significativamente i costi di capitale iniziali e migliora l'economia del progetto. Questo sostegno federale, combinato con gli obiettivi di approvvigionamento e i programmi di incentivazione a livello statale, sta creando una forte spinta per il settore.

Sebbene molte tecnologie TES siano mature e disponibili in commercio, la strada verso una diffusione capillare è lastricata di continue innovazioni. Il futuro viene plasmato da miglioramenti incrementali dei sistemi esistenti e da ricerche rivoluzionarie nelle tecnologie di prossima generazione. Il panorama della ricerca è vivace, con sforzi concentrati sullo sviluppo di sali fusi di nuova generazione in grado di operare a temperature più elevate per una maggiore efficienza, sulla creazione di materiali a cambiamento di fase nano potenziati con stabilità e trasferimento di calore superiori e sulla progettazione di reattori termochimici avanzati per sbloccare il potenziale dello stoccaggio a lunga durata.

Questi progressi tecnologici si traducono in una robusta prospettiva di mercato. Si prevede che il mercato globale dell'accumulo di energia termica crescerà in modo sostanziale, con un tasso di crescita annuale composto di oltre il 10% fino alla fine del decennio. Questa crescita è guidata dalla crescente diffusione delle energie rinnovabili, dalla spinta alla decarbonizzazione del calore industriale e dalle politiche governative di sostegno.

In conclusione, la transizione verso un'economia basata sull'energia pulita richiede una riorganizzazione fondamentale dei nostri sistemi energetici per renderli più flessibili e affidabili. L'accumulo di energia termica non è solo un'opzione in questa transizione; è una tecnologia indispensabile e versatile, pronta a svolgere un ruolo centrale e in espansione nella costruzione del futuro energetico pulito, affidabile e prospero che tutti immaginiamo.