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L’indomabile energia elettrica

 By Eniday Staff

Di energia ne abbiamo bisogno tutti. Ne ha bisogno ogni persona, anzi ogni vegetale e ogni animale, per il suo ciclo vitale. Ne ha bisogno, a maggior ragione, ogni organizzazione, dalle più semplici, come il nido delle formiche, alle più complesse, come le società moderne, i grandi paesi, il mondo intero, nell’irrefrenabile attività di alcuni miliardi di esseri umani, che brulicano gomito a gomito con milioni di miliardi di altri esseri viventi…

Si potrebbe dire che l’energia è il punto di partenza di ogni cosa, di ogni esistenza. E, dunque, si potrebbe aggiungere che la sua conservazione è una condizione essenziale per il buon funzionamento di qualsiasi organizzazione. Così fanno le formiche, stoccando cibo di riserva (almeno finché non arrivano le voraci cavallette, come in “A Bug’s Life”), così fanno gli umani, su scala individuale, tenendo nel congelatore derrate alimentari di riserva, e su scala collettiva, stoccando nei serbatoi importanti quantità di combustibili liquidi, nei giacimenti esausti diversi miliardi di metri cubi di gas naturale, in innumerevoli depositi le riserve di combustibili solidi, siano essi carbone, lignite, biomassa. Insomma, l’uomo si è organizzato per non rimanere troppo facilmente a secco. E ci riesce piuttosto bene. Salvo che in un caso, quello dell’elettricità, che è anche la forma di energia più comoda da utilizzare. Perché mettere da parte l’energia elettrica è complicato e costoso. A meno che le tecnologie non ci vengano finalmente in aiuto. Ed è quel che sta accadendo.

Un grattacapo elettrico

Partiamo anzitutto da un assunto: l’energia elettrica, come tale, non si conserva in alcun modo, non può essere messa da parte e non può essere riposta in un serbatoio o in un deposito. Il fatto è che l’energia elettrica immessa nella rete deve essere esattamente quella che è richiesta in ogni istante, né un po’ di più né un po’ di meno, pena un inevitabile blackout. Tutto quello che si può fare è trasformarla in qualcos’altro a sua volta riutilizzabile per generare nuovamente energia. Il caso più diffuso è quello dei bacini idroelettrici di pompaggio. Ce ne sono a migliaia sparsi in tutto il mondo e sono utilissimi per bilanciare il sistema elettrico. Consistono, di norma, in due bacini a due quote differenti: quando l’energia elettrica avanza, essa viene utilizzata per alimentare pompe che riportano l’acqua verso il bacino superiore. Quando l’energia elettrica è richiesta, si apre la condotta e l’acqua muove le turbine poste prima del bacino inferiore per generare corrente.

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Schema di un impianto idroelettrico (everenergy.it)

Un sistema prezioso, ma che può essere implementato soltanto in condizioni geografiche particolari, così che, nel mondo, il totale dei sistemi di pompaggio arriva ad avere una potenza massima di meno di 100 mila megawatt, che equivale all’incirca al totale di tutta la potenza di generazione elettrica installata in Italia. In ogni caso, questi impianti contribuiscono in maniera significativa al mantenimento, in condizioni di equilibrio tra domanda ed offerta, del sistema elettrico europeo. Un altro sistema di accumulo che inizia a trovare diffusione è costituito dalla produzione di idrogeno, separato dall’acqua utilizzando energia elettrica e poi utilizzato come combustibile.

Batterie? Non per tutti

Ora, racchiudere un sistema idroelettrico di pompaggio dentro uno smartphone e dentro un’automobile o in un bus elettrici non è fattibile né pensabile. Si stanno facendo passi avanti con l’idrogeno (qualche prototipo di vettura di questo tempo è stato realizzato con successo da diversi grandi costruttori) ma siamo ancora lontani dal disporre di una tecnologia matura e affidabile. Per questi usi, come sappiamo tutti, l’accumulo di energia elettrica si realizza attraverso le batterie, che vanno da quella che ci consente di mettere in moto la nostra vettura a quelle ormai davvero sottili e leggere che equipaggiano i nostri telefoni. Le batterie, in fondo, funzionano come i bacini di pompaggio: invece di trasformare l’energia elettrica in energia meccanica e poi di nuovo in elettricità, nelle batterie l’energia elettrica viene trasformata in energia elettrochimica e successivamente viene prelevata dai morsetti nella sua forma originale. Tutto semplice? Non proprio. Se per richieste di energia limitate, come quelle dello smartphone, la batteria agli ioni di litio va benissimo, per muovere le automobili o gli autobus urbani serve un sistema di accumulo molto più grande, costoso, pesante e ingombrante. Tanto che a tutt’oggi una parte molto importante, fino a un terzo, del costo di una e-car è costituito dal sistema di accumulo.

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La Porsche Taycan rappresenta una nuova generazione di veicoli elettrici con batterie di grandi dimensioni (Porsche)

E non è il solo problema: i tempi di ricarica sono relativamente lunghi (se si vuole ottimizzare il ciclo d’uso delle batterie la ricarica deve essere abbastanza lenta, nell’ordine di alcune ore) e la loro densità energetica, intesa come rapporto tra peso e volume del dispositivo e quantità di energia che racchiude, non è ancora ottimale, così come non lo è la loro densità di potenza, intesa come rapporto tra peso e volume e potenza disponibile.

Condensatori e batterie a flusso

Di qui un’idea che comincia a fare breccia, soprattutto per i veicoli a trazione elettrica (non solo automobili, ci sono anche i minibus per i centri storici, i carrelli elevatori, i trattori aeroportuali e tanti altri): ricorrere ai condensatori. Un condensatore è, schematicamente, un dispositivo costituito da due piastre separate da un dielettrico. Se si applica corrente, le piastre si caricano elettricamente e questa carica può essere successivamente utilizzata. Certo, la densità energetica di un condensatore non è paragonabile a quella di una batteria, ma la sua densità di potenza è di molto superiore. Unico problema: servirebbero dei veri super condensatori, ad elevatissima capacità, da utilizzare insieme alle batterie, al fine di bilanciare il sistema di erogazione dell’energia verso il motore elettrico. Ed è quello che stanno facendo molte imprese, tanto i giganti nipponici e cinesi, quanto alcune piccole imprese italiane, come CapTop, nata come start up dell’Università Federico II di Napoli, che sta lavorando proprio intorno alla produzione di condensatori di notevole capacità, ma grandi come una lattina di birra, che potrebbero in futuro compensare pienamente le debolezze delle batterie agli ioni di litio.

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Unità capacitive montate in un banco di rifasamento ad alta tensione (Terna Spa)

Un’alternativa sicura ed economica rispetto alle tradizionali batterie al litio è rappresentata dalle batterie a flusso che, sicure e prive di autoscarica, consentono un controllo separato di capacità di stoccaggio e potenza erogabile. La ricerca di Eni sta studiando l’implementazione di queste batterie ricaricabili che convertono, quando serve, l’energia chimica in energia elettrica e viceversa nei momenti in cui la produzione di energia supera il fabbisogno. Insomma, un mix di tecnologie per compensare i problemi che ciascuna di esse, isolatamente, non è in grado di risolvere.

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