Sul retro di un'officina delle dimensioni di un magazzino, circa una dozzina di ingegneri in elmetti protettivi stanno costruendo una gigantesca macchina blu. Sei cilindri, ciascuno più alto di una persona, e un folto di tubi, tubi e valvole si estendono verso l'alto da un motore diesel marino circondato da un'impalcatura a tre piani.
Concepita dalla startup SustainX a Seabrook, nel New Hampshire, la macchina è progettata per immagazzinare energia comprimendo l'aria. Un motore elettrico gira l'albero motore del motore per azionare i pistoni nei cilindri sopra. I pistoni spremono una miscela di aria e acqua schiumosa e pompano l'aria pressurizzata in grandi serbatoi d'acciaio dove può essere trattenuto come una molla a spirale. Quando un'utility elettrica ha bisogno di energia, i serbatoi verranno chiusi, permettendo all'aria di fuoriuscire, alimentare il motore e generare elettricità per i clienti dell'utility.
La posta in gioco è alta. Se un'azienda come SustainX è in grado di fornire un sistema in grado di immagazzinare energia in modo economico anche per poche ore alla volta, trasformerebbe il vento e il solare in affidabili fornitori di energia, più come gli impianti a combustibile fossile. Le fluttuazioni del vento e dell'emissione solare potrebbero essere attenuate e l'energia in eccesso dei venti notturni, ad esempio, potrebbe essere inviata in seguito quando la domanda è più alta.
La macchina di SustainX e altre simili sono all'avanguardia di una gara tecnologica nel campo dello stoccaggio dell'energia. Il lavoro dell'azienda, sostenuto da oltre $ 30 milioni in fondi privati e governativi, rappresenta una scommessa secondo cui ingegneri intelligenti che utilizzano materiali economici e facilmente disponibili come aria e acqua batteranno le legioni di scienziati che inseguono una svolta nelle batterie.
La macchina SustainX, nella foto qui a maggio del 2013, utilizza la tecnologia isotermica dell'aria compressa per immagazzinare energia. (Foto: SustainX) Lo stoccaggio di energia attira così tanta attenzione perché una svolta in termini di costi e prestazioni potrebbe rendere la rete elettrica più pulita e affidabile. Ogni giorno, i servizi pubblici svolgono un costante equilibrio: per garantire un servizio affidabile, la quantità di energia generata nelle centrali elettriche deve corrispondere a ciò che viene consumato nelle case e nelle aziende. Se c'è un picco nella domanda da parte dei condizionatori d'aria in una calda giornata estiva, ad esempio, le centrali elettriche devono estrarre più elettricità e ridurla quando la domanda diminuisce di notte.
Lo stoccaggio di energia funge da riserva o da un conto bancario dell'energia. Durante i periodi di picco della domanda, lo stoccaggio può fornire energia al posto degli impianti a picco di combustibile fossile. La tecnologia può consolidare la produzione variabile da parchi eolici e solari o aumentare la capacità delle sottostazioni al massimo che forniscono energia ai quartieri locali. Se collocato all'interno o in prossimità di edifici, lo stoccaggio di energia può fornire backup durante un'interruzione di corrente. Molte di queste applicazioni, tuttavia, richiedono un dispositivo in grado di fornire energia per alcune ore o forse mezza giornata. E deve essere fatto in modo sicuro ea basso costo.
Per lo stoccaggio di più ore, ci sono validi motivi per perseguire sistemi di stoccaggio meccanici su batterie elettrochimiche, affermano i dirigenti del settore. Le batterie richiedono materiali più costosi, come litio o cobalto, che possono essere soggetti a vincoli di alimentazione. A differenza di un sistema meccanico, la capacità di conservazione di una batteria ricaricabile diminuisce nel tempo, come molti utenti di computer portatili hanno riscontrato.
Poi c'è il ritmo dell'innovazione. In generale, il ritmo di sviluppo della ricerca sulle batterie è lento, misurato in anni anziché mesi, e spesso i miglioramenti delle prestazioni sono incrementali. Inoltre, realizzare nuovi tipi di batterie in grandi volumi richiede ingenti investimenti iniziali nelle fabbriche. Un innovativo sistema meccanico, al contrario, potrebbe essere assemblato da motori leggermente modificati, serbatoi di gas industriali e altre attrezzature che sono già ben comprese e prodotte su larga scala.
"È una sorta di [a] sfida di integrazione dei sistemi, piuttosto che dover inventare e costruire un dispositivo particolare per far funzionare tutto", afferma Gareth Brett, CEO di Highview Power Storage, con sede a Londra, che utilizza aria liquefatta, pressurizzata ad aria e raffreddato fino a quando non diventa liquido, per immagazzinare energia sulla griglia. "La nostra proprietà intellettuale è il modo in cui il sistema è progettato e riunito in modo efficiente ed economico".
Quando si tratta di immagazzinare elettricità per l'uso sulla rete elettrica, l'energia idroelettrica per lo stoccaggio delle pompe è considerata lo standard di riferimento, una tecnologia relativamente economica che fornisce energia negli Stati Uniti da oltre 80 anni. Come suggerisce il nome, l'acqua viene pompata in salita verso un serbatoio quando la domanda di elettricità è bassa e rilasciata quando necessario per generare elettricità attraverso una turbina idroelettrica. Le centrali idroelettriche pompate possono erogare grandi esplosioni di energia per diverse ore, consentendo agli operatori di rete di colmare le lacune nella fornitura di energia elettrica senza dover sfruttare le centrali elettriche a combustibile fossile. Sono per lo più limitati, tuttavia, ai terreni montuosi, che forniscono il dislivello necessario tra i bacini idrici e le revisioni ambientali richiedono molti anni.
L'altro metodo comprovato, a basso costo, per lo stoccaggio di grandi quantità è lo stoccaggio dell'energia dell'aria compressa, o CAES, in cui i compressori pompano l'aria nelle caverne sotterranee. Quando è necessaria energia, l'aria in pressione viene rilasciata e riscaldata bruciando gas naturale. Quell'aria viene quindi fatta esplodere in una turbina per generare elettricità. Esistono due impianti geologici di accumulo dell'energia dell'aria compressa nel mondo, di cui uno aperto in Germania nel 1978 e un altro aperto in Alabama nel 1991. Entrambe le unità funzionano ancora e sono considerate di successo. Ma nessun altro è stato costruito perché è difficile trovare luoghi con una formazione geologica adeguata e finanziare questi progetti. Un terzo impianto potrebbe unirsi ai loro ranghi in Texas, con piani che prevedono un progetto da $ 200 milioni per immagazzinare fino a 317 megawatt, paragonabili alla produzione di una centrale elettrica di medie dimensioni.
Gli innovatori delle startup energetiche hanno tratto ispirazione da entrambe queste tecniche, ramificandosi in una varietà di direzioni. SustainX e Berkeley, con sede in California LightSail Energy, propongono di comprimere l'aria per la conservazione, ma di tenerla in serbatoi fuori terra, il che significa che non si limitano a luoghi con caverne sotterranee. La Compression generale di Newton, con sede nel Massachusetts, ha sviluppato un sistema di accumulo dell'aria compressa che si collega direttamente alle turbine eoliche.
La differenza fondamentale rispetto ai tradizionali CAES in questi approcci, chiamati accumulo isotermico di energia dell'aria compressa, è che non è necessario bruciare combustibile sul posto. Al contrario, queste società CAES di seconda generazione catturano e riutilizzano il calore generato quando l'aria viene messa ad alta pressione. LightSail Energy intende spruzzare una sottile nebbia d'acqua mentre l'aria viene compressa e conservare l'acqua calda fino a tardi. Quando viene rilasciata aria in pressione per generare elettricità, l'acqua calda, anziché un bruciatore a gas naturale, riscalda l'aria attraverso uno scambiatore di calore.
Un approccio CAES potenzialmente più economico è la conservazione dell'aria compressa in sacchi di tessuto sott'acqua. Quando si immagazzina aria in serbatoi di acciaio, l'acciaio deve essere abbastanza spesso da contenere aria ad alta pressione. Invece la pressione dell'acqua potrebbe fare il lavoro, gratuitamente. Mentre lavorava ad una startup solare, l'ex ingegnere missilistico Scott Frazier prevedeva la necessità di un sistema di stoccaggio economico che potesse essere posizionato praticamente ovunque. E nel 2010, ha co-fondato una società, Bright Energy Storage Technologies, per perseguire l'idea di immagazzinare aria compressa in grandi vesciche ancorate al fondo dell'oceano o al fondo dei bacini d'acqua dolce.
"Se ho un serbatoio fuori terra, devi pagare di più per una pressione maggiore. Più aria aspiro, più acciaio ho bisogno - è piuttosto lineare", afferma Frazier. Il primo prototipo dell'azienda, costruito per la Marina degli Stati Uniti alle Hawaii, utilizzerà un motore di camion modificato per pressurizzare l'aria nei serbatoi fuori terra. Se i meccanici di quella macchina si dimostrano pratici, la compagnia e la Marina progettano di costruire un secondo prototipo che immagazzini aria sott'acqua.
Anche i progetti di stoccaggio di massa più semplici potrebbero sfruttare la gravità come fanno le stazioni idrauliche pompate. Advanced Rail Energy Storage, con sede a Santa Barbara, in California, sta cercando di costruire progetti in cui l'energia proveniente da parchi solari o eolici spingerebbe un treno di vagoni su una collina quando c'è poca domanda di energia sulla rete. Quando è maggiormente necessaria l'energia, i vagoni ferroviari viaggiano in discesa e generano energia. I motori di trazione elettrici che spingono le auto in salita funzionano in retromarcia quando scendono in discesa e funzionano come generatori, allo stesso modo in cui un'auto ibrida carica una batteria durante la frenata. In un concetto simile, EnergyCache, fondata da un ingegnere meccanico del MIT e finanziata da Bill Gates, ha costruito un sistema di stoccaggio dimostrativo in cui la ghiaia viene trasportata su e giù usando attrezzature di risalita modificate.
Nell'area millenaria dello stoccaggio idroelettrico pompato, ci sono anche nuove idee, tra cui la conservazione dell'acqua nelle falde acquifere o l'ubicazione delle piante nell'oceano, come ha già fatto una società in Giappone. Questi approcci utilizzano la stessa configurazione di base - un serbatoio artificiale in una posizione elevata accanto a un serbatoio inferiore - ma potrebbero potenzialmente essere costruiti in più posizioni. Le più ambiziose sono le proposte per costruire un'isola energetica nel Mare del Nord al largo delle coste olandesi o belghe. L'idea è quella di costruire un'isola artificiale con un serbatoio e utilizzare l'energia in eccesso generata dalle turbine eoliche a tempi di bassa richiesta per pompare l'acqua per lo stoccaggio.
Tutte queste innovazioni iniziano con materiali economici ma alla fine incontrano la stessa sfida ingegneristica: efficienza. Se si perde molta energia convertendo l'elettricità in aria compressa o acqua immagazzinata e viceversa, i costi aumentano. In questo settore, le batterie competono molto bene: alcuni tipi hanno un'efficienza superiore al 90 percento nella carica e scarica.
Il trucco, quindi, per lo stoccaggio meccanico, è quello di aumentare l'efficienza nel maggior numero di modi possibile. Con lo stoccaggio dell'aria, ciò significa spesso un migliore utilizzo del calore. Mentre gli sviluppatori isotermici CAES come LightSail catturano il calore generato dalla compressione dell'aria, altri innovatori stanno raccogliendo calore da fonti esterne che altrimenti andrebbero sprecate. Nel suo progetto dimostrativo vicino a Londra, Highview Power Storage convoglia i tubi nel calore residuo di una centrale elettrica vicina quando converte l'aria liquida immagazzinata in gas ad alta pressione, che trasforma una turbina per produrre elettricità. Utilizzando una varietà di tecniche, anche immagazzinando aria fredda nella ghiaia per favorire il processo di raffreddamento, Highview Power Storage può ottenere un'efficienza di conversione energetica di oltre il 70%, afferma.
L'impianto pilota di Highview da 300 kilowatt di accumulo di energia in aria liquida (LAES) a Slough, Regno Unito. (Foto: Highview Power Storage) Un sistema meccanico non può eguagliare le migliori batterie in termini di efficienza, ma non è questo il punto, afferma Richard Brody, ex vicepresidente dello sviluppo aziendale di SustainX. Ancora più importante, in particolare per applicazioni di archiviazione di più ore, è il costo iniziale relativamente basso e il fatto che i sistemi meccanici possono funzionare per decenni senza perdere la capacità di archiviazione. Una macchina ben sintonizzata con ingredienti di base (acciaio, aria, acqua e ghiaia) non degrada il modo in cui i composti chimici negli elettrodi della batteria fanno nel tempo, sostengono i sostenitori della conservazione meccanica. "Non abbiamo visto alcuna tecnologia elettrochimica [batteria] in grado di fare ciò che possiamo fare sulla scala e sulla durata del sistema di cui stiamo parlando", afferma Brody. "Pensiamo che non sia pratico fare cose in scala megawatt con uno di questi sistemi di batterie basati su celle."
Dato il potenziale di un ampio accumulo di energia sulla rete, gli approcci che utilizzano materiali a basso costo continuano ad attirare una seria attenzione. Oltre a numerose startup, molti ricercatori stanno lavorando su aria compressa o liquefatta. L'Università di Birmingham, nel Regno Unito, ad esempio, ha creato un centro di ricerca per lo stoccaggio criogenico dell'energia e un consorzio guidato dall'utilità tedesca RWE ha impegnato 40 milioni di euro (53 milioni di dollari) in tre anni e mezzo per sviluppare un CAES ad alta efficienza sistema che immagazzinerà calore dal processo di compressione in grandi recipienti simili a thermos riempiti con materiale ceramico.
Questo ramo della tecnologia di archiviazione potrebbe aiutare anche il trasporto. La società di ingegneria Ricardo ha due progetti per esplorare come l'aria liquefatta può migliorare l'efficienza dei motori a combustione interna. Peugeot Citroen, tra le altre case automobilistiche, sta perseguendo un metodo per utilizzare un serbatoio di stoccaggio dell'aria compressa per agire efficacemente come farebbe una batteria in un'autovettura ibrida. Gran parte del fascino è la pronta disponibilità di parti e infrastrutture, afferma il dott. Andrew Atkins, ingegnere capo della tecnologia presso Ricardo. "Non hai problemi con la catena di approvvigionamento", afferma. "Dopo tutto, l'aria è tutto intorno a noi."
