Senza stoccaggio non può esserci una transizione energetica efficace.
di Frank Thelen | 29.03.2020
La svolta energetica è una questione che sta molto a cuore a Freigeist.
Salvare il nostro pianeta attraverso l'innovazione tecnologica è una delle aree di investimento principali di Freigeist. Oltre alle nuove soluzioni nel campo della mobilità, come Lilium Aviation, da tempo guardiamo all'intero settore dell'energia: a partire da approcci innovativi alla produzione di energia, fino all'accumulo di energia e alla gestione efficiente dell'energia.
Il consumo globale di energia è aumentato drasticamente negli ultimi decenni e si prevede che aumenterà di un ulteriore 30% entro il 2040. Le ragioni di questo fenomeno sono l'aumento della popolazione, la crescente tecnologizzazione e la crescente urbanizzazione. Il consumo di elettricità, in particolare, è destinato ad aumentare drasticamente nei prossimi anni, rappresentando il 40% della crescita del consumo finale di energia entro il 2040.
L'impatto del nostro crescente consumo di energia sul clima è drammatico e stiamo già iniziando a vedere cosa significa il cambiamento climatico per gli ecosistemi, le economie e le società.
Dobbiamo finalmente renderci conto della portata di questo problema e trovare il modo di ridurre le emissioni di carbonio e fermare il cambiamento climatico. Un fattore cruciale per questo e per un futuro sostenibile è la transizione energetica, il passaggio alle energie rinnovabili.
Perché abbiamo bisogno di immagazzinare?
Le fonti di energia rinnovabile, come l'energia eolica e solare, sono molto "pulite", ma hanno ancora quello che Bill Gates ha definito un "problema di affidabilità". Le condizioni meteorologiche sono fluttuanti. Il vento per le turbine eoliche soffia indipendentemente dalla domanda di elettricità e anche il sole per l'energia solare splende o meno, indipendentemente dal momento in cui la domanda di elettricità è più alta. Di conseguenza, anche la fornitura di energia eolica e solare è volatile e quindi "inaffidabile".
Abbiamo quindi bisogno di tecnologie che consentano la flessibilità per soddisfare in modo affidabile la domanda 24 ore su 24 con l'elettricità proveniente da fonti rinnovabili. Un approccio promettente è l'accumulo di energia, che è ideale per bilanciare le fluttuazioni dell'alimentazione da energie rinnovabili.
Un recente studio stima che entro il 2050 saranno necessari circa 15.000 TWh di capacità di stoccaggio dell'energia se vogliamo passare al 100% di energia rinnovabile in tutto il mondo. Per l'Europa, la capacità di stoccaggio necessaria sarebbe di circa 2.250 TWh. La maggior parte della capacità rimanente necessaria proverrebbe dall'Asia nordorientale (circa 5.000 TWh) e dall'Asia meridionale (circa 3.000 TWh). Anche se una transizione al 100% verso le energie rinnovabili è probabilmente difficile da realizzare, la capacità di stoccaggio richiesta è enorme.
Nel 2015, tuttavia, la capacità di stoccaggio globale era di soli 29 TWh, per lo più provenienti da impianti di pompaggio. Si tratta solo dello 0,2% del fabbisogno entro il 2050.
Esistono diverse aree di applicazione per l'accumulo di energia, di cui le due più importanti sono l'integrazione delle energie rinnovabili e le applicazioni per la stabilità della rete.
L'accumulo di energia consente l'integrazione delle energie rinnovabili
L'energia solare ed eolica sono volatili in momenti diversi del giorno e dell'anno. Il fenomeno quotidiano della mancata coincidenza tra le ore di maggiore richiesta di energia elettrica e quelle di maggiore produzione da fonti rinnovabili è noto, tra l'altro, come "curva dell'anatra californiana". Mentre la produzione di energia solare è massima verso mezzogiorno, la domanda di elettricità è più alta nelle ore serali.
La "curva dell'anatra californiana" mostra la domanda netta di elettricità da fonti non rinnovabili in California, a seconda dell'ora del giorno, se la domanda di elettricità da fonti rinnovabili (in questo caso l'energia solare) viene completamente immessa nella rete. Si può notare che la domanda di energia elettrica da fonti non rinnovabili diminuisce molto intorno alle ore di mezzogiorno, poiché la produzione di energia solare è molto elevata. Nel complesso, questo dimostra il pericolo di una sovrapproduzione nelle ore di mezzogiorno se si considera l'offerta totale. Dopo le 15:00 si assiste a un aumento molto forte della domanda di elettricità da fonti non rinnovabili, che raggiunge il picco nelle ore serali. Più alta è la quota di energia solare, più forte è l'improvviso aumento della domanda di elettricità da altre fonti nelle ore del tardo pomeriggio. Questa brusca variazione della domanda di elettricità e, di conseguenza, dell'offerta di energia elettrica in un tempo molto breve per soddisfare la variazione della domanda è estremamente stressante per la rete elettrica.
L'accumulo di energia elettrica può aiutare a smussare la Curva d'Anatra californiana, come mostrato nella Figura 2. Lo fanno immagazzinando l'elettricità nelle ore di mezzogiorno, quando la produzione solare è elevata e la domanda è bassa, e spostandola nelle ore serali, quando la domanda è elevata e la produzione solare è molto bassa o inesistente. In questo modo la curva è più morbida e si riduce l'improvviso aumento della domanda di generazione di energia non rinnovabile nelle ore del tardo pomeriggio.
Fonte dei dati: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems et al. (2018).
I dati del Fraunhofer Institute sul mercato tedesco dell'elettricità mostrano che la produzione di elettricità da fonti eoliche e solari non solo fluttua su base giornaliera, ma è anche molto variabile nel corso delle settimane e delle stagioni.
Dal 2008 al 2018, la quota di energia eolica e solare è cresciuta dall'8,3% al 28,8%. Si tratta di un aumento di 3,5 volte in 10 anni.
L'integrazione di queste energie rinnovabili volatili sta diventando sempre più importante e si fa sempre più urgente con l'aumento della quota di energia eolica e solare in Germania.
Solo nel 2017, la Germania ha esportato all'estero energia elettrica che sarebbe stata sufficiente ad alimentare 15,4 milioni di famiglie per un anno.
Una pratica comune per i giorni di produzione (troppo) elevata è attualmente il cosiddetto derating, in cui gli impianti vengono temporaneamente spenti o la loro produzione viene ridotta, ad esempio per evitare un sovraccarico della rete elettrica.
Un'altra opzione, spesso utilizzata, è l'esportazione di energia elettrica, che però mette a dura prova le reti elettriche dei Paesi vicini e incide sui loro prezzi. Nessuna delle due opzioni è particolarmente utile per raggiungere gli obiettivi climatici in modo sostenibile.
L'immagazzinamento dell'elettricità può eliminare la necessità di riduzione e di esportazione dell'elettricità, poiché l'elettricità in eccesso può essere facilmente immagazzinata per un uso successivo.
Nella sola Germania, nel 2017 sono stati ridotti 5,5 TWh di elettricità da fonti rinnovabili e sono stati esportati circa 77 TWh. Per dare un esempio e un'idea dei numeri: Una famiglia di 4 persone in una casa monofamiliare consuma circa 4-5 MWh all'anno. Ciò significa che l'elettricità esportata avrebbe potuto fornire elettricità (gratuita) a 15,4 milioni di famiglie tedesche per un anno. Invece, abbiamo esportato l'elettricità a prezzi prevalentemente negativi. In altre parole, abbiamo pagato altri per comprare la nostra elettricità, mentre allo stesso tempo le famiglie devono pagare prezzi dell'elettricità sempre più alti.
Inoltre, nei giorni in cui la produzione di elettricità da fonti rinnovabili è bassa, vengono accese le centrali elettriche per i picchi di carico. Si tratta di centrali elettriche che vengono utilizzate solo pochi giorni all'anno e che di solito hanno costi marginali molto elevati che vengono trasferiti sotto forma di prezzi dell'elettricità più alti. Inoltre, di solito sono gestiti con risorse limitate. In Germania, il carico di picco di 82 GW è coperto prevalentemente da centrali a gas, carbone e nucleari ed è spesso usato come argomento contro una rapida eliminazione del carbone. L'accumulo di energia elettrica può aprire la strada all'abbandono del carbone e alla transizione energetica, offrendo una soluzione più sostenibile rispetto alle centrali di picco e sostituendole completamente nel lungo periodo.
L'accumulo di energia alleggerisce la nostra rete e ne promuove la stabilità
Ma le strutture di stoccaggio dell'elettricità sono necessarie ed estremamente utili anche dal punto di vista degli operatori di rete.
Riducendo il carico del sistema nei momenti di picco, possono prolungare la vita della rete senza sprecare energia elettrica.
Inoltre, contribuiscono a garantire una qualità dell'energia costantemente elevata: uno squilibrio tra domanda e offerta può avere un impatto negativo sulla qualità dell'energia. Questo può causare instabilità nella rete e anche eventuali danni ai dispositivi finali. Un esempio che probabilmente è familiare alla maggior parte dei tedeschi è quello degli orologi che si guastano. Questi orologi utilizzano la frequenza di 50 Hz per misurare il tempo. A causa delle forti fluttuazioni della rete elettrica, la tensione può variare, causando il malfunzionamento degli orologi.
Tuttavia, le fluttuazioni di tensione possono essere facilmente risolte se l'alimentatore è in grado di reagire. L'accumulo di energia può fornire soluzioni molto più economiche rispetto alle opzioni attualmente in uso.
Inoltre, lo stoccaggio dell'elettricità può essere utilizzato per mitigare gli effetti dei ritardi negli investimenti per l'espansione della rete. La Germania prevede di espandere la propria rete elettrica di 7700 km. Di questi, finora sono stati costruiti 1050 km, meno del 14%. L'investimento necessario è stimato in 50 miliardi di euro. Nel 2018 sono stati costruiti 150 km di nuova costruzione, che sono semplicemente troppo pochi.
In combinazione con la crescente domanda di elettricità, questo porta a colli di bottiglia nella fornitura di alcune aree. Questo non solo è negativo per l'affidabilità e la qualità della fornitura di energia elettrica, ma anche per la rete stessa.
I sistemi di accumulo dell'elettricità possono quindi aprire la strada alle energie rinnovabili attenuando le fluttuazioni giornaliere, settimanali e stagionali. Possono rendere superflua la riduzione delle emissioni e sostituire le centrali elettriche per i picchi di carico. Inoltre, possono aumentare la stabilità e l'affidabilità della rete e prolungarne la durata.
Kraftblock, la prima soluzione di stoccaggio economicamente ed ecologicamente sensata
Per anni, noi di Freigeist Capital abbiamo analizzato lo stoccaggio dell'elettricità e confrontato le soluzioni di stoccaggio disponibili. Finora, tuttavia, i sistemi di accumulo disponibili non erano né particolarmente duraturi né ecologicamente sostenibili a causa dei loro cicli di ricarica limitati. Inoltre, le soluzioni di stoccaggio come le batterie sono estremamente costose e sia l'ambiente che la popolazione locale risentono dell'estrazione delle materie prime necessarie.
Con Kraftblock abbiamo trovato per la prima volta una soluzione durevole, ecologicamente sostenibile, economicamente valida e scalabile. Ecco perché abbiamo investito.
Kraftblock è un sistema di accumulo di energia modulare e scalabile con capacità da 4 MWh a 10.000 MWh. La sua tecnologia innovativa la rende molto più economica delle attuali batterie agli ioni di litio e più pulita, in quanto priva di impatto ambientale: È realizzato con l'85% di materiale riciclato e quasi il 100% di risorse illimitate rispetto a quelle disponibili in modo critico, come il cobalto. Inoltre, il materiale di conservazione è riciclabile al 100%. Inoltre, ha una durata di vita praticamente infinita e non contiene sostanze tossiche. Grazie ai costi di stoccaggio molto favorevoli, pari a 1 - 4 centesimi di euro per KWh, non solo è ecologico e sostenibile, ma anche molto economico.
La particolarità di Kraftblock è il granulato di stoccaggio, che può conservare temperature estremamente elevate, fino a 1300 gradi, in uno spazio molto ridotto. La densità di stoccaggio è da 3 a 10 volte superiore a quella di sistemi di stoccaggio termico analoghi e l'elevata temperatura di stoccaggio consente una rigenerazione straordinariamente efficiente dell'elettricità. Tutti questi vantaggi rendono Kraftblock una soluzione estremamente conveniente e sostenibile, in grado di soddisfare il bisogno di accumulo di energia per consentire una transizione energetica di successo.
La transizione verso le energie rinnovabili è inevitabile se vogliamo limitare i danni che il crescente consumo di elettricità sta causando al nostro ambiente e al clima. In caso contrario, sentiremo gli effetti dell'aumento delle emissioni di gas serra sotto forma di cambiamenti climatici, che si ripercuoteranno su di noi come società, economia e individui.
L'energia solare ed eolica sono "pulite", ma sono soggette a forti fluttuazioni perché il sole e il vento non possono essere controllati. Pertanto, abbiamo bisogno di accumulare energia per garantire un'alimentazione affidabile con le fonti di energia rinnovabili. Il Kraftblock offre una soluzione ideale e rappresenta quindi un passo importante verso un futuro con un approvvigionamento energetico sostenibile e affidabile.