Costruire parchi eolici e solari rischia di rivelarsi inutile se non disponiamo di infrastrutture capaci di conservare l’elettricità per i momenti in cui il vento si placa e cala il sole. Le attuali mega-batterie chimiche offrono un supporto prezioso, ma limitato nel tempo. Al fine di risolvere questo problema, la ricerca sta sviluppando una batteria senza litio di tipo meccanico e termico. Nelle previsioni, rivoluzionerà lo stoccaggio su scala industriale.
Il mercato energetico globale richiede – urgentemente – soluzioni capaci di coprire non poche ore, ma giorni, o intere settimane, di scarsità di risorse naturali. La tecnologia LAES, acronimo di Liquid Air Energy Storage, risponde a questa esigenza sfruttando l’atmosfera, e i principi della criogenia, per dare vita a una batteria senza litio sicura, economica e sostenibile.
Questa soluzione si candida come una delle più promettenti alternative alle diffuse batterie al litio, capace di fornire stabilità alle infrastrutture elettriche nazionali, liberandoci dalle criticità geopolitiche legate all’approvvigionamento delle materie prime rare.
Lo stoccaggio a lunga durata: il collo di bottiglia della transizione energetica
La crescente penetrazione delle fonti rinnovabili nei mercati europei sta evidenziando un problema strutturale profondo. Sole e vento sono, per loro natura, intermittenti e non programmabili. Producono picchi energetici difficili da assorbire, quando la domanda è bassa, e mancano di generare potenza quando il consumo elettrico si impenna, ovvero di sera oppure in pieno inverno. Ciò crea scombussolamenti nel bilanciamento della rete elettrica.
Come evidenziato nei dettagliati report del Long Duration Energy Storage Council, o LDES, per giungere al traguardo degli obiettivi di decarbonizzazione fissati al 2040, le reti elettriche moderne necessitano di sistemi di stoccaggio a lunga durata. Dobbiamo accumulare enormi volumi di Gigawattora, e poterlo fare per tempi prolungati.
Le tradizionali batterie elettrochimiche non sono strutturalmente idonee a questo scopo. Soffrono infatti di fenomeni di autoscarica; degradano rapidamente, dopo pochi anni di cicli continui, e presentano elevati costi di installazione, se scalate su dimensioni metropolitane. D’altro canto, i sistemi di pompaggio idroelettrico, pur rappresentando un’ottima soluzione meccanica, soffrono di vincoli geografici insormontabili, legati alla disponibilità di specifici dislivelli topografici e alla presenza di bacini idrici. Ambedue i sistemi, dunque, sono limitati in maniera considerevole.
Lo stoccaggio criogenico dell’energia supera queste limitazioni intrinseche, configurandosi come un’infrastruttura puramente termomeccanica, installabile in qualsiasi contesto geografico o industriale. Anche in prossimità delle grandi città.
Il ciclo criogenico: trasformare l’aria in una batteria senza litio in 3 fasi
Il funzionamento del sistema LAES si basa su un ciclo termodinamico chiuso diviso in tre momenti principali distinti, che convertono l’elettricità in eccesso in uno stato liquido termicamente accumulato, per poi rigenerarla, nel momento di massima richiesta da parte della rete nazionale.
1. Compressione e liquefazione
L’intero processo inizia nelle fasi di sovrapproduzione energetica, ad esempio durante le ore centrali di una giornata particolarmente ventilata o soleggiata.
L’elettricità in eccesso, che non può essere immessa in una rete già carica al massimo del suo potenziale, viene utilizzata per alimentare potenti compressori industriali. Questi aspirano l’aria dell’ambiente circostante e la sottopongono a una serie di trattamenti di purificazione, allo scopo di rimuovere l’umidità corporale e l’anidride carbonica: due elementi che congelerebbero durante le fasi successive. In seguito, l’aria viene compressa e raffreddata progressivamente attraverso scambiatori di calore criogenici, fino a raggiungere la temperatura estrema di -196°C. A questo punto subisce un cambiamento di stato e diventa liquida.
Il vantaggio ingegneristico è straordinario: allo stato liquido, il volume dell’aria si riduce di ben 700 volte, rispetto allo stato gassoso originario, consentendo di accumulare una quantità immensa di energia potenziale, in uno spazio considerevolmente ridotto.
2. Lo stoccaggio nei serbatoi isolati
L’aria liquida viene trasferita e parcheggiata, per così dire, all’interno di grandi silos metallici verticali, strutturalmente simili ai contenitori criogenici utilizzati, in ambito medico, per la custodia di ossigeno o azoto. Questi serbatoi sono dotati di un isolamento termico avanzato, a doppia parete, con vuoto interposto, progettato per ridurre al minimo gli scambi di calore con l’ambiente esterno.
Le batterie senza litio ad aria liquida rinnovabili presentano un beneficio considerevole, rispetto a quello dei sistemi chimici. Possono infatti trattenere l’energia latente sotto forma di freddo estremo, anche per intere settimane, senza subire alcun degrado dei componenti e con dispersioni energetiche minime. Inoltre, l’aria liquefatta immagazzinata non è infiammabile, diversamente dal gas, non può causare incendi e non è soggetta a fenomeni di fuga termica. Queste caratteristiche eliminano tutti i rischi di sicurezza legati alle installazioni di accumulo chimico a ridosso dei centri abitati.
3. L’espansione e la turbina
Quando la rete di trasmissione nazionale sperimenta un picco di domanda, e richiede l’immissione immediata di nuova energia, il sistema avvia la sua terza e ultima fase. L’aria liquida accumulata nei silos viene pompata ad alta pressione, prima di essere inviata verso uno scambiatore di calore. Qui entra in contatto termico con l’aria a temperatura ambiente.
Lo sbalzo termico improvviso e violento fa letteralmente bollire l’aria liquida, che torna istantaneamente allo stato gassoso. Durante questa transizione di fase, l’aria si espande, in modo repentino, riacquistando il suo volume originario. Questo flusso di gas ad altissima pressione viene incanalato direttamente verso le pale di una turbina, collegata a un generatore elettrico. La rotazione meccanica della turbina rigenera l’elettricità pulita e questa viene immediatamente immessa nella rete di distribuzione, allo scopo di soddisfare i consumi civili o industriali.
Chi sta costruendo gli impianti LAES oggi?
La transizione dai modelli teorici di laboratorio alle installazioni commerciali su scala reale di batteria senza litio sta registrando un’importante accelerazione. Ciò si deve a pionieri industriali e consorzi ingegneristici internazionali.
Highview Power e la gigafactory criogenica di Carrington per lo sfruttamento della batteria senza litio
Il punto di riferimento globale per lo sviluppo della tecnologia LAES e la realizzazione di una batteria senza litio è l’azienda britannica Highview Power. Dopo aver completato con successo i test operativi, su impianti pilota, ha avviato la realizzazione del primo impianto commerciale di grandi dimensioni. Lo ha collocato a Carrington, nei pressi di Manchester. Questo cantiere, finanziato dal governo del Regno Unito e da importanti istituti di credito, prevede una potenza installata di 50 Megawatt. La capacità di accumulo complessiva è di 300 Megawattora.
L’infrastruttura sfrutta serbatoi criogenici di dimensioni industriali, per stoccare l’aria fredda, garantendo approvvigionamento elettrico costante. Migliaia di abitazioni della regione, durante i periodi di picco della domanda, ne potranno fare uso. La gigafactory di Carrington dimostra la fattibilità economica dei sistemi termomeccanici su scala metropolitana.
Le partnership globali
Il successo commerciale della tecnologia LAES e delle batterie senza litio sta spingendo importanti colossi mondiali dell’ingegneria pesante a stringere alleanze strategiche. Al fine di replicare il modello di Carrington in diversi mercati, aziende come la multinazionale dell’energia Sumitomo SHI FW hanno siglato accordi di collaborazione e sono alla ricerca di nuovi partner per integrare i sistemi LAES all’interno delle reti di distribuzione internazionali.
Tra i progetti della società figurano installazioni in Cile, dove lo stoccaggio criogenico viene integrato ai grandi parchi fotovoltaici nel deserto di Atacama per alimentare attività minerarie durante le ore notturne, e in Spagna, dove la tecnologia supporta la stabilità della rete iberica. Queste collaborazioni internazionali stanno spianando la strada per future applicazioni industriali anche nel contesto italiano. Nel nostro Paese, la necessità di stoccaggio a lungo termine è cruciale per la gestione dell’energia proveniente dal Mezzogiorno.
Possiamo dunque attenderci, in tempi relativamente brevi, il varo di parchi e centrali che sfruttino l’avanzata tecnologia della batteria senza litio.
L’efficienza circolare della batteria senza litio: recuperare il freddo e il calore di scarto
Storicamente, il principale argomento di discussione attorno allo stoccaggio criogenico riguardava l’efficienza complessiva del ciclo di conversione. Nei primi prototipi, si attestava intorno al 50-60%, un valore inferiore rispetto al rendimento delle batterie al litio. Questo limite è stato superato applicando i principi dell’economia circolare e dell’integrazione termica all’interno del layout degli impianti moderni.
Durante la prima fase del ciclo, la compressione dell’aria genera un’elevata quantità di calore residuo; anziché disperderlo in atmosfera, come avveniva in principio, ora lo si cattura e immagazzina in serbatoi termici dedicati, contenenti acqua o materiali solidi ad alta capacità termica. Lo stesso approccio viene applicato in senso inverso, durante la fase di espansione. L’aria che esce dalla turbina conserva una temperatura estremamente fredda. Di nuovo, invece di dissiparla, la si recupera e conserva per agevolare il successivo ciclo di liquefazione.
Il recupero incrociato dell’energia termica di scarto ottimizza le prestazioni energetiche complessive dell’infrastruttura. La soluzione porta l’efficienza complessiva del sistema LAES a livelli vicini a quelli dei bacini idroelettrici di pompaggio. Ciò consolida la sua posizione come possibile pilastro tecnologico per le reti del futuro.
