Sistemi di Accumulo di Energia verso una rete carbon neutral

Le energie rinnovabili sono un elemento sempre più strategico per garantire la sicurezza energetica e la neutralità climatica dell’UE come evidenziato anche dalla relazione sullo stato dell’Unione dell’energia 2024 pubblicata lo scorso 9 settembre. Ma per rendere le rinnovabili sempre più un’opzione efficiente di produzione energetica un ruolo strategico lo svolgono i Sistemi di Accumulo di Energia. Questi permettono di conservare l’energia in diversi modi: chimico come con la produzione di idrogeno o tramite batterie o meccanico.

Sullo sviluppo di questi sistemi è in corso un continuo aggiornamento tecnologico. Le sfide sul tavolo sono molte come la tipologia di materiali scelti, la loro disponibilità ma anche l’efficienza finale e i costi di ammortamento. Con Giuseppe Crimi, project manager di Stantec approfondiamo alcune di queste tematiche rispetto ai BESS per capire fino a che punto oggi questa tecnologia può fare la differenza in un sistema di reti che aspira ad essere carbon neutral.

Nello specifico cosa si intende per sistemi di accumulo elettrochimico BESS?

I sistemi di accumulo BESS (Battery Energy Storage Systems) sono sistemi di stoccaggio dell’energia che utilizzano batterie per immagazzinare energia elettrica. Questi sistemi sono progettati per raccogliere energia quando è disponibile, ad esempio durante periodi di bassa domanda o quando la produzione di energia rinnovabile, come l’energia solare o eolica, è elevata. Questa energia può poi essere utilizzata in momenti successivi quando la domanda è più alta o quando la produzione è bassa.

A che punto è la tecnologia? Ci sono problematiche legate alla scarsità di materie prime critiche e in caso come sono superate?

Per quanto riguarda le batterie al litio (LiIon), nel mondo sono installate circa 16 GW/35 GWh2 di impianti utility-scale e le previsioni stimano un target di 63 GW al 2026; a livello europeo, nel 2021 si segnalano circa 4,6 GW/7,7 GWh di installato. Inoltre, la capacità globale installata delle batterie LiIon per tutte le applicazioni (e-mobility, elettronica, accumulo residenziale, UPS, ecc.) raggiunge circa 1.500 GWh3. Solo nel 2022, si sono raggiunti i 700 GWh/anno4 di produzione globale di celle al litio (a copertura anche del settore della mobilità elettrica), con vari player attivi sul mercato da più di 10 anni.

Si può dunque affermare che, almeno per quanto concerne le batterie al litio, la tecnologia ha raggiunto un grado di maturità tale da consentirne un impiego utility scale. Infatti, tale tecnologia è stata indicata da Terna come “matura” nel suo documento “Studio sulle tecnologie di riferimento per lo stoccaggio di energia elettrica”, sulla base del quale sarà poi regolamentato il mercato di approvvigionamento della capacità di stoccaggio, che si prevede entrerà in esercizio nel 2025.

Sono presenti anche batterie che adottano altre soluzioni tecnologiche, ma quelle al litio sono al momento le più mature e diffuse e pertanto il resto della risposta si focalizza su questo specifico caso.

Le materie prime costituenti le batterie variano a seconda della tipologia specifica, ma in generale sono le seguenti: Ferro, Litio, Carbonio, Zolfo, Cromo, Neodimio, Praseodimio, Cobalto, Rame.

Seppur note come batterie agli ioni di litio, la presenza di questo minerale, almeno in termini percentuali, è estremamente limitata (2-3%). Il rapporto percentuale tra le diverse frazioni minerali varia molto a seconda del tipo specifico di batteria al litio considerato (LMO (ossidi di litio-manganese), NMC (ossido di litio-nichel-manganese-cobalto), NCA (nichel-cobalto-alluminio)).

Data la grande quantità di minerali necessari, sono diverse le problematiche in termini di approvvigionamento di materie prime, anche la principale è quello della distribuzione localizzata in certe aree (Cina, sud america, australia, USA, Africa) che rischia di portare ad una situazione di egemonia nella catena di produzione.

Per quanto concerne il litio, si trova soprattutto in Sud America (Bolivia, Cile e Argentina), ma ha anche una buona presenza in Cina e in Australia. In Europa è presente in Portogallo con un’estrazione annua non molto cospicua, ma sembra con buone riserve per il futuro. Da poco sono stati scoperti corposi giacimenti nell’est della Repubblica Ceca e in Serbia.

Chi può usarli e in quali contesti?

Le batterie possono essere usate in molteplici contesti e da diversi utenti, principalmente con lo scopo di rendere fruibile l’energia elettrica prodotta in periodi di alta produzione e bassa domanda, anche in momenti di bassa produzione e domanda maggiore.

Questo discorso vale sia per le singole utenze domestiche (batterie accoppiate a impianti fotovoltaici), ma anche al livello di grandi impianti industriali, ossia “utility scale”.

Gli impianti di stoccaggio, secondo le analisi di Terna, avranno un ruolo fondamentale negli scenari futuri caratterizzati da una crescente diffusione delle fonti di energia rinnovabile (FER), in quanto permetteranno di fornire una serie di servizi utili al sistema elettrico, tra cui il “time-shifting” e i servizi di dispacciamento, funzionali a garantire la sicurezza e l’adeguatezza del sistema elettrico. Gli accumuli consentiranno di spostare «strutturalmente» parte della produzione delle Fonti Rinnovabili Non Programmabili (FRNP) dalle ore di alta disponibilità della risorsa alle ore di bassa o nulla disponibilità, gestendo la loro “overgeneration” in maniera efficiente e garantendo pertanto il raggiungimento dei target di decarbonizzazione.

Quanto è centrale la progettazione di un corretto dimensionamento?

Il corretto dimensionamento di un sistema BESS risulta cruciale per svariati motivi, tra i quali:

• Ottimizzazione dei costi: Un dimensionamento accurato permette di evitare sovradimensionamenti costosi e sottodimensionamenti che potrebbero non soddisfare le esigenze energetiche.
• Efficienza Operativa: Un sistema correttamente dimensionato garantisce un funzionamento efficiente, massimizzando l’uso delle risorse e minimizzando le perdite energetiche;
• Affidabilità e Stabilità: Un dimensionamento appropriato assicura che il sistema possa gestire i carichi di picco e le variazioni della domanda, contribuendo alla stabilità della rete elettrica;
• Durata del Sistema: Un sistema ben dimensionato riduce lo stress sulle batterie, prolungandone la vita utile e migliorando il ritorno sull’investimento;
• Flessibilità e Adattabilità: Un dimensionamento corretto consente di adattarsi meglio a future espansioni o variazioni nelle esigenze energetiche, rendendo il sistema più versatile e resiliente.

In virtù di quanto sopra, il corretto dimensionamento di un sistema BESS è essenziale per ottimizzare i costi, migliorare l’efficienza e l’affidabilità, prolungare la durata del sistema e garantire la conformità alle normative, assicurando così un investimento energetico sostenibile e vantaggioso.

Quali sono i vantaggi e le sfide?

I sistemi di accumulo a batterie elettrochimiche presentano una serie di vantaggi e sfide che devono essere considerati nel contesto dell’integrazione nelle reti elettriche moderne.

Vantaggi dei sistemi BESS:

• Stabilizzazione della Rete Elettrica: I BESS possono contribuire alla stabilizzazione della rete gestendo le variazioni della domanda e dell’offerta di energia. Questo è particolarmente utile per integrare le energie rinnovabili intermittenti come solare ed eolico.
• Riserva di Energia e Capacità di Backup: I BESS possono fornire riserva di energia e capacità di backup durante interruzioni di corrente, migliorando l’affidabilità del sistema energetico;
• Regolazione della Frequenza e Risposta Rapida: I BESS sono in grado di rispondere rapidamente alle fluttuazioni di frequenza nella rete, fornendo servizi di regolazione primaria e secondaria.
• Riduzione dei Costi Energetici: I BESS possono essere utilizzati per il “peak shaving”, cioè per ridurre il consumo di energia durante i periodi di picco, portando a una riduzione dei costi energetici.
• Efficienza Energetica: I sistemi BESS possono migliorare l’efficienza complessiva del sistema di distribuzione energetica, riducendo le perdite di trasmissione e distribuzione.

Sfide dei sistemi BESS:

• Costi Iniziali Elevati: L’investimento iniziale per l’installazione di un sistema BESS può essere significativo. Anche se i costi delle batterie stanno diminuendo, rappresentano ancora una barriera finanziaria importante;
• Durata e Degradazione delle Batterie: Le batterie hanno una vita utile limitata e la loro capacità di immagazzinamento diminuisce con il tempo a causa della degradazione chimica. Questo comporta la necessità di manutenzione e sostituzioni periodiche.
• Integrazione nella Rete: L’integrazione dei BESS nelle infrastrutture esistenti può essere complessa e richiede aggiornamenti tecnologici e normativi.
• Smaltimento e Impatto Ambientale: Il riciclaggio e lo smaltimento delle batterie esauste rappresentano una sfida ambientale. Le tecnologie attuali per il riciclo non sono completamente sviluppate e possono comportare costi aggiuntivi.

A che grado di efficienza di prodotto sono arrivati?

Il grado di efficienza dei sistemi di accumulo elettrochimico varia a seconda della tecnologia utilizzata.

L’efficienza si riferisce alla percentuale di energia immagazzinata che può essere recuperata durante il processo di scarica.

A seguire si riportano alcune tra le principali tecnologie di batterie elettrochimiche ad oggi sul mercato, con relativa efficienza di Carica-Scarica e caratteristiche:

• Batterie agli Ioni di Litio (Li-ion):
• Efficienza di Carica-Scarica: Tipicamente tra il 90% e il 95%.
• Caratteristiche: Alta densità energetica, lunga vita utile, ampiamente utilizzate in dispositivi elettronici, veicoli elettrici e applicazioni di stoccaggio di energia.
• Batterie al Piombo-Acido:
• Efficienza di Carica-Scarica: Circa il 70% – 85%.
• Caratteristiche: Tecnologia collaudata e relativamente economica, usata principalmente in applicazioni di avviamento automobilistico e per l’energia di riserva.
• Batterie agli Ioni di Sodio (Na-ion):

1. Efficienza di Carica-Scarica: Circa il 85% – 90%.
2. Caratteristiche: Ancora in fase di sviluppo, offrono un’alternativa al litio con potenziali costi di produzione inferiori.

• Batterie al Nichel-Metal Idruro (NiMH):
• Efficienza di Carica-Scarica: Circa il 70% – 90%.
• Caratteristiche: Utilizzate in alcune applicazioni automobilistiche e di elettronica portatile, meno efficienti e con minore densità energetica rispetto alle batterie Li-ion.

Con riferimento ad uno studio pubblicato da Terna, ad oggi la tecnologia tra quelle su menzionate che presenta una comprovata maturità tecnologia e commerciale, e di conseguenza anche di efficienza, sono le batterie agli ioni di litio.

Dai dati riportati nello studio Terna già citato, nel mondo sono installate circa 16 GW/35 GWh di impianti utility-scale e le previsioni stimano un target di 63 GW al 2026; a livello europeo, nel 2021 si segnalano circa 4,6 GW/7,7 GWh di installato. Inoltre, la capacità globale installata delle batterie LiIon per tutte le applicazioni (e-mobility, elettronica, accumulo residenziale, UPS, ecc.) raggiunge circa 1.500 GWh. Solo nel 2022, si sono raggiunti i 700 GWh/anno di produzione globale di celle al litio (a copertura anche del settore della mobilità elettrica), con vari player attivi sul mercato da più di 10 anni.

Qual è il quadro normativo europeo e italiano?

I sistemi BESS sono regolati da un quadro normativo complesso sia a livello europeo che italiano, il quale copre vari aspetti, tra cui la sicurezza, l’efficienza energetica, l’integrazione nella rete elettrica e le politiche di incentivazione.

 Tra le normative a livello europeo principali bisogna sicuramente menzionare:

• Regolamento UE 2017/2195 che stabilisce linee guida sul bilanciamento del sistema elettrico
• Direttiva UE 2018/2001 sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili (RED II);
• Direttiva UE 2019/944 sul mercato interno dell’energia elettrica (Direttiva Elettricità);
• Regolamento UE 2019/943 sul mercato interno dell’energia elettrica;

A livello italiano invece, è fondamentale menzionare:

• Decreto Legislativo 28/2011 (Decreto Rinnovabili);
• Delibera ARERA 300/2017/R/eel;
• Decreto FER 1 (DM 4 luglio 2019);
• Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima (PNIEC);
• Decreto n. 76/2020;
• Decreto n. 77/2021;
• Decreto n. 7/2022 (“Misure per garantire la sicurezza del sistema elettrico nazionale“)

Nello specifico, il Decreto n. 7/2022 (“Misure per garantire la sicurezza del sistema elettrico nazionale“) disciplina i casi in cui la realizzazione del BESS è soggetta ad autorizzazione (“Autorizzazione Unica”) rilasciata dal Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, dalla Regione o dalle Province delegate, oppure alla procedura autorizzativa semplificata di cui all’articolo 6 del D.Lgs. 28/2011.

I costi in media in che tempi si possono ammortizzare?

L’ammortamento dei costi di progettazione e realizzazione di un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) dipende da diversi fattori, tra cui la tecnologia della batteria, la dimensione del sistema, i costi di installazione, le tariffe dell’energia elettrica e gli incentivi disponibili.

I principali fattori che influenzano il tempo di ammortamento dei costi sono:

1. Tecnologia della Batteria: come già, menzionato le batterie agli ioni di litio sono attualmente le più comuni per i BESS a causa della loro elevata efficienza e lunga durata. Altre tecnologie, come le batterie al piombo-acido o a flusso, possono avere costi e durate di vita diverse;
2. Dimensione del sistema: sistemi più grandi possono beneficiare di economie di scale, riducendo il costo per kWh di capacità installata;
3. Costi di Installazione: I costi possono variare notevolmente in base alla complessità del sito, alla necessità di infrastrutture aggiuntive e ai costi del lavoro locale;
4. Tariffe Energetiche: Il risparmio sui costi energetici e la possibilità di vendere energia immagazzinata durante i picchi di prezzo possono influenzare significativamente il tempo di ammortamento;
5. Incentivi e Sussidi: Sgravi fiscali, incentivi governativi e tariffe feed-in possono accelerare l’ammortamento dei costi;
6. Durata e Cicli di Vita: La durata di vita della batteria e il numero di cicli di carica/scarica che può sopportare influenzano il periodo di ammortamento.

Visti i fattori di cui sopra, possono essere fatte delle considerazioni, ovvero:

• I costi di manutenzione e operatività possono influenza il tempo di ammortamento e devono essere considerate nel calcolo complessivo;
• La variazione delle tariffe energetiche e di conseguenza l’oscillazione dei prezzi dell’elettricità posso influenzare il risparmio annuale previsto e quindi il tempo di ammortamento;
• La durata di vita della batteria risulta cruciale; una batteria con una vita utile più lunga riduce il costo annuale ammortizzato.

In conclusione, posto che il mercato delle batterie elettrochimiche come già ripreso nei punti precedenti, risulta in continuo cambiamento e innovazione, al momento non è possibile dare una stima esatta dei tempi di ammortamento.

Ciononostante, allo stato attuale con i giusti incentivi ed una strategia di utilizzo ottimizzata, molti sistemi BESS possono essere ammortizzati a livello di costi in un periodo compreso tra i 4 e 10 anni.

Ci sono dei fondi pubblici che sostengono questa spesa?

Esistono diversi fondi pubblici e programmi di incentivazione disponibili per sostenere la spesa di progettazione e realizzazione dei BESS.

A seguire una panoramica sia a livello europeo che italiano dei principali:

1. Horizon Europe: Il programma di ricerca e innovazione dell’Unione Europea, Horizon Europe, offre finanziamenti per progetti che includono lo sviluppo e l’implementazione di tecnologie di accumulo energetico. Le call specifiche per progetti riguardanti i BESS possono essere trovate all’interno dei work programs del programma Horizon.
2. Fondi Strutturali e di Investimento Europei (ESIF): supportano progetti che promuovono l’energia sostenibile e l’efficienza energetica, inclusi i sistemi di accumulo energetico.
3. European Investment Bank (EIB): La Banca Europea per gli Investimenti fornisce finanziamenti a progetti di energia rinnovabile e infrastrutture di accumulo energetico. La EIB offre prestiti, garanzie, e altre forme di finanziamento per sostenere i progetti BESS.
4. Innovation Fund: Il Fondo per l’Innovazione dell’UE sostiene progetti innovativi che riducono le emissioni di gas serra, compresi i sistemi di accumulo di energia. Questo fondo è particolarmente focalizzato su progetti a grande scala e dimostrazioni industriali.
5. Decreto FER 1: Incentivi per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, compresi impianti con sistemi di accumulo. Il decreto stabilisce specifiche tariffe incentivanti per l’energia prodotta e immessa in rete da impianti che integrano BESS
6. Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima (PNIEC): Include misure per promuovere l’installazione di sistemi di accumulo energetico come parte degli obiettivi di decarbonizzazione e incremento delle energie rinnovabili. Il piano prevede vari strumenti di supporto, inclusi incentivi fiscali e finanziamenti diretti.