Nello studio i ricercatori statunitensi presentano un quadro teorico per calcolare come lo stoccaggio di energia influisca sull’energy return on energy investment (Eroi) per quanto riguarda eolico e fotovoltaico ed analizza le condizioni nelle quali sia più favorevole immagazzinare energia o ridurre semplicemente la produzione di energia elettrica. Ne viene fuori che le tecnologie di stoccaggio basate sull’elettrochimica hanno un rapporto Eroi molto più piccolo delle grandi tecnologie di stoccaggio “geologiche” come il compressed air energy storage (Caes) ed il pumped hydroelectric storage (Phs), ma soprattutto che quando le fonti di energia rinnovabili, come gli impianti fotovoltaici ed eolici producono più elettricità di quella di cui hanno bisogno i consumatori, stoccare l’eccesso non sempre ha senso.
Il team della Stanford ha esaminato diverse tecnologie emergenti, tra le quali cinque tipi di batterie: al piombo, al litio, al sodio-zolfo, al vanadio-redox ed allo zinco-bromo. In uno studio precedente era stato calcolato che il costo energetico per costruire e mantenere ognuno dei cinque sistemi di batterie per lo stoccaggio grid-scale”: e batterie al piombo hanno il più alto costo energetico, quelle agli ioni di litio il più basso.
Il principale autore dello studio, Charles Barnhart, del Global Climate and Energy Project (Gcep) della Stanford University, spiega: «Abbiamo esaminato le batterie ed altre tecnologie promettenti per immagazzinare l’energia solare ed eolica sulla rete elettrica. Il nostro obiettivo primario è stato quello di calcolare il costo energetico complessivo, cioè, la quantità totale di combustibile e di energia elettrica necessaria per costruire e gestire queste tecnologie di stoccaggio. Abbiamo scoperto che quando si tratta del fattore costi energetici, le batterie grid-scale hanno senso per lo stoccaggio del surplus di energia solare, ma non per l’eolico». Infatti, secondo i ricercatori, «Economicamente, ha più senso fermare la produzione di energia eolica, quando la domanda dei consumatori è bassa, che mantenere sistemi di batterie per immagazzinare l’eccesso di energia eolica. Ma lo stoccaggio nelle batterie ha senso per gli impianti fotovoltaici, perché i pannelli solari e le fattorie solari richiedono più energia per essere costruiti che per la loro manutenzione. Abbiamo calcolato quanta energia viene utilizzata nel pieno del ciclo di vita della batteria, dall’estrazione delle materie prime all’installazione del dispositivo finito. Le batterie con un alto costo energetico consumano più combustibili fossili e quindi rilasciano più anidride carbonica durante la loro vita. Se il costo energetico di una batteria è troppo alto, il suo contributo generale al global warming potrebbe annullare i benefici ambientali che l’eolico o una fattoria solare dovrebbero garantire».
La maggior parte dell’energia elettrica negli Usa è prodotta da centrali a carbone e a gas, che contribuiscono in modo significativo al global warming emettendo grandi quantità di CO2, mentre solare ed eolico sono ad emissioni zero. Barnhart evidenzia che «Perché la rete funzioni in modo efficiente, l’alimentazione deve soddisfare la domanda di energia in ogni momento, ma questo non è sempre il caso con le energie rinnovabili. Per esempio, i parchi eolici a volte producono troppa energia elettrica di notte, quando la domanda è bassa. Quindi l’energia in eccesso deve essere conservata o utilizzata altrove. Altrimenti andrà persa. Tuttavia, la rete Usa ha una capacità di stoccaggio molto limitata».
Le grandi batterie “grid-scale” sono in grado di immagazzinare l’energia elettrica in eccesso, ma richiedono molte risorse ed alti costi di produzione e manutenzione, a volte maggiori dell’energia che stoccano. Uno degli autori dello studio, Michael Dale, anche lui del Gcep ha detto: «Non spendi 100 dollari per una cassetta di sicurezza per custodirci un orologio da 10 dollari. Allo stesso modo, non è sensato costruire batterie energeticamente costose per una risorsa di energia a buon mercato come l’eolico. Sia le turbine eoliche che il fotovoltaico forniscono più energia di quella che serve per costruirli e mantenerli. Tuttavia, i calcoli hanno dimostrato che il costo energetico complessivo delle turbine eoliche è molto inferiore rispetto ai moduli convenzionali, che richiedono molta energia, soprattutto da combustibili fossili, per la lavorazione del silicio e la produzione di altri componenti».
Barnhart ammette che «La riduzione delle risorse rinnovabili sembra uno spreco. Ma i gestori della rete, di routine, limitano le turbine eoliche al fine di evitare un improvviso, inaspettato aumento di energia elettrica in eccesso che potrebbero ad un sovraccarico delle linee di trasmissione ed a causare black-out. La riduzione delle tariffe negli Usa probabilmente aumenterà con l’energia rinnovabile che diventa sempre più prevalente. Idealmente, il costo energetico della limitazione di una risorsa dovrebbe essere almeno pari alla quantità di energia e al costo per stoccarla. Questo è il caso del fotovoltaico, ma per i parchi eolici, il costo energetico della riduzione è molto più basso di quanto non lo sia per le batterie. Pertanto, sarebbe in realtà più energeticamente efficiente fermare una turbina eolica che immagazzinare l’energia elettrica in surplus che produce».
Ma Barnhart aggiunge che «Aumentare il ciclo di vita di una batteria sarebbe il modo più efficace per migliorare le prestazioni energetiche. Le tradizionali batterie agli ioni di litio durano circa quattro anni, o 6.000 cicli di carico-scarico. Le batterie al piombo solo durano circa 700 cicli. Per stoccare in modo efficiente l’energia sulla rete, le batterie devono sopportare da 10.000 a 18.000 cicli. Stoccare energia consuma energia, e tagliare l’energia è uno spreco. In entrambi i casi, il risultato è una riduzione del rendimento energetico complessivo dell’investimento».
Le altre tecnologie per immagazzinare energia rinnovabile, come lo stoccaggio idroelettrico attraverso il pompaggio, che utilizza il surplus di energia elettrica per ripompare acqua da un serbatoio in una diga, che per Barnhart «Funziona fantasticamente dal punto di vista energetico sia per l’eolico che per il solare. Il suo ritorno energetico sull’investimento è di 10 volte migliore rispetto alle batterie tradizionali. Ma ci sono vincoli geologici e ambientali per implementare il pompaggio. Lo stoccaggio non è l’unico modo per migliorare l’affidabilità della rete. Per esempio, l’energia che altrimenti andrebbe persa durante i periodi di eccesso potrebbe essere utilizzata per pompare acqua per l’irrigazione o per caricare una parco di auto elettriche. E’ importante che le società siano energeticamente intelligenti riguardo all’implementazione di nuove tecnologie. politici e gli investitori devono prendere in considerazione il costo energetico, così come il costo finanziario delle nuove tecnologie» Ma mette in guardia su un problema: «Se l’economia è l’unico obiettivo, allora le tecnologie meno costose, che non richiedono una notevole quantità di energia per produrle, meno manutenzione e sostituzione dovrebbero risultare vincenti, anche se, in ultima analisi, aumentano le emissioni di gas serra e negano i benefici a lungo termine della realizzazione di eolica e solare».
Sally Bensos, direttrice del Gcep e del dipartimento Energy Resources Engineering della Stanford University, conclude: «Il nostro obiettivo è quello di capire quel che è necessario per costruire un sistema energetico “scalable low-carbon”. Il ritorno energetico sull’investimento è uno di quei parametri che mette in luce i possibili ostacoli. Speriamo che questo studio fornirà un obiettivo di performance per orientare la ricerca futura sulla conservazione dell’energia grid-scale».
