Storage gravitazionale: tecnologie vecchie e nuove per l’accumulo di elettricità

Vista dall'alto del cantiere dell'impianto storage di Enel a Porto Tolle, Veneto, Italia

Nel giardino di Woolsthorpe Manor, in Inghilterra, è ancora possibile ammirare il luogo dove Isaac Newton avrebbe avuto l’ispirazione per la teoria della gravità. Se pur l’albero da cui cadde la famosa mela non è più lo stesso, le mele continuano a cadere nello stesso modo.

Anche se Newton è stato il primo a descrivere la gravità in termini matematici, tutti ne hanno esperienza diretta fin da piccoli. È una forza fondamentale della natura, e la sua applicazione è fondamentale in ambito energetico.

 

Cos’è l’energia potenziale gravitazionale

L’energia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma. Quando un oggetto è in movimento, è dotato di energia cinetica, che è direttamente proporzionale alla sua massa (cioè al peso) e al quadrato della sua velocità in ogni momento. Ma anche un oggetto fermo è dotato di energia: una forma di energia “quiescente”, che viene chiamata energia potenziale, per esprimere appunto che ha la potenzialità di trasformarsi in energia cinetica. Quando ad agire sull’oggetto è la sola forza di gravità, si parla di energia potenziale gravitazionale.

L’energia potenziale gravitazionale indica quanta energia cinetica può sviluppare l’oggetto se lo si lascia cadere, e dipende anch’essa dalla massa dell’oggetto, oltre che dall’altezza a cui è situato: maggiore è il dislivello a disposizione, maggiore è la velocità che l’oggetto può raggiungere, e quindi maggiore la sua energia cinetica.

Questo principio della fisica è chiamato conservazione dell’energia, e può essere usato per accumulare l’energia in modo da usarla nei momenti in cui se ne ha bisogno: è ciò che viene chiamato accumulo (o storage) gravitazionale.

 

Come funziona l’accumulo gravitazionale

Il funzionamento dell’accumulo gravitazionale è semplice. Si solleva un oggetto fino a una certa altezza, poi lo si lascia cadere in un dato momento: l’energia elettrica usata per sollevarlo viene immagazzinata sotto forma di energia potenziale e infine trasformata in energia cinetica. L’energia cinetica a sua volta può essere trasformata nuovamente in energia elettrica grazie a un generatore azionato dal movimento dell’oggetto in caduta.

Per poter accumulare energia elettrica in quantità notevoli, è importante che gli oggetti siano molto pesanti e sollevati a una grande altezza rispetto al punto di caduta. Per ottenere questo sono state sviluppate diverse tecniche: se il concetto di base è intuitivo, nella realizzazione pratica la sfida è tecnologica.

 

Le diverse tecnologie e i loro vantaggi

Il primo esempio, e il più usato, è il pompaggio idroelettrico: quando c’è disponibilità di elettricità, la si usa per pompare una grande massa d’acqua da un bacino inferiore a uno superiore; successivamente l’acqua viene lasciata cadere, azionando così le turbine idroelettriche per la produzione di elettricità nei momenti di maggiore richiesta. Tecnicamente è un’evoluzione della classica centrale idroelettrica, in cui però l’impianto può lavorare a circuito chiuso, senza il bisogno del flusso naturale di un corso d’acqua.

Infografica: descrizione in sezione del funzionamento della tecnologia di storage gravitazionale sotterraneo

Per poter usufruire dello storage gravitazionale anche dove non c’è disponibilità immediata di grandi quantità d’acqua, sono stati studiati vari tipi di impianti che usano il peso di oggetti solidi, e che possono essere anche chiamati batterie gravitazionali (o batterie a gravità).

Una prima possibilità è quella dell’accumulo gravitazionale “in elevazione”: consiste in una serie di sistemi di sollevamento, simili ad ascensori o montacarichi, azionati da motori elettrici, che sollevano grossi mattoni o blocchi di cemento e poi li fanno cadere a velocità controllata recuperando così l’energia precedentemente accumulata. È una soluzione che ha il grande vantaggio di poter essere applicata praticamente ovunque.

Infografica: descrizione in sezione del funzionamento di un impianto idroelettrico a pompaggio.

Un’alternativa è quella di costruire impianti nel sottosuolo, usando come pesi i materiali rocciosi presenti nei siti minerari dismessi: in questo modo non si occupa spazio in superficie e si ha un ridotto impatto visivo. Tecniche alternative consistono nel far scivolare i pesi lungo un piano inclinato, o ancora prevedono l’uso di pistoni ad acqua.

Infografica: descrizione in sezione del funzionamento della tecnologia delle torri di stoccaggio a gravità.

Le batterie gravitazionali hanno innanzitutto il grande vantaggio di avere un’efficienza complessiva molto alta, teoricamente fino all’80-85%: perfino superiore a quella – comunque elevata – del pompaggio idroelettrico. Questo vuol dire che la percentuale di energia che viene dispersa durante l’intero processo è molto bassa. Inoltre, sono limitati gli impatti ambientali dovuti alle materie prime: la costruzione degli impianti richiede pochissimi materiali rari e i blocchi da far cadere possono essere realizzati a partire da materiali riciclati, in un’ottica di economia circolare.

 

Perché è importante l’accumulo dell’elettricità

L’accumulo gravitazionale si presenta come una soluzione promettente per affiancare le altre tecnologie di storage. Accumulare elettricità, infatti, diventa sempre più importante alla luce della transizione energetica. Dato che le “nuove rinnovabili” sono le fonti di energia più in crescita, lo storage è il modo migliore per compensare l’intermittenza di fonti come il sole e il vento: l’elettricità può essere immagazzinata nei momenti di massima produzione e poi rilasciata in rete nei momenti di maggiore richiesta, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche.

D’altra parte, avere a disposizione una certa quantità di energia da rilasciare in qualunque momento permette di assolvere anche a un altro compito: garantire la necessaria stabilità e la giusta flessibilità delle reti elettriche – reti sempre più complesse e multidirezionali a causa dei flussi crescenti di energia immessi da piccoli impianti e in particolare dai prosumer (neologismo dall’inglese producer + consumer).

Il mercato è alla ricerca di soluzioni sempre nuove per diversificare gli approcci allo storage, massimizzare l’efficienza e ridurre i costi: è quindi interessato a ogni innovazione tecnologica, comprese quindi le batterie gravitazionali.

Per Enel, attore protagonista nelle rinnovabili e nella transizione energetica, i sistemi di accumulo hanno un ruolo chiave e a essi sono state destinate importanti investimenti nel nuovo Piano Strategico 2024-2026, pari a circa il 12% del totale. Secondo i piani, la capacità totale di accumulo di Enel Green Power aumenterà di 36 volte entro il 2026 rispetto al 2021.

La nostra strategia punta sul ruolo di supporto alla generazione da fonti rinnovabili ma anche sui servizi per la rete: il nostro nuovo sistema di batterie installato a Trino Vercellese, con oltre 230 MW di capacità, è il più grande d’Europa del tipo stand-alone, cioè non direttamente integrato in un impianto di produzione.

Per quanto riguarda le tecnologie, adottiamo la soluzione più idonea a seconda della necessità, dal pompaggio idroelettrico alle batterie: vogliamo avere la possibilità di scegliere di volta in volta le più adatte ai singoli contesti dal punto di vista energetico ed economico.

 

L’evoluzione degli storage

La prima forma di accumulo dell’elettricità, in ordine cronologico, è proprio il pompaggio idroelettrico: il primo impianto in Svizzera risale addirittura all’inizio del Novecento. Come l’energia idroelettrica è la più importante fonte rinnovabile quanto a capacità installata, così il pompaggio idroelettrico è oggi la principale tecnica di accumulo dell’elettricità: costituisce più del 94% di tutto lo storage attualmente presente al mondo. Per la sua natura, però, si presta solo come supporto alla generazione.

Per questo oggi è in grande crescita il settore delle batterie, che grazie alla loro flessibilità e rapidità nell’accumulare e cedere energia sono particolarmente adatte a supportare l’equilibrio della rete. Altri vantaggi sono le loro ridotte dimensioni e la possibilità di essere usate in modo modulare, cioè con espansioni successive in base alla necessità. Inoltre, grazie all’innovazione tecnologica e alla possibilità del riciclo, utilizzeranno in misura sempre minore materiali rari.

Altri sistemi di accumulo, al momento meno diffusi, sono le batterie ad aria compressa e quelle a volano, che però richiedono macchinari altamente sofisticati. Infine, si sta facendo strada lo storage che usa come vettore energetico l’idrogeno; quando l’elettricità impiegata per produrlo proviene da fonti rinnovabili si parla di idrogeno verde: l’unico autenticamente sostenibile.

È questo il panorama in cui si inserisce la tecnologia dello storage gravitazionale, che sta maturando rapidamente: una startup svizzera, portando avanti la tecnologia a torre, ha già realizzato nel 2020 un prototipo da 5 MW e sta costruendo vicino a Shanghai, in Cina, il primo modello su scala commerciale da 25 MW. L’impianto, quasi ultimato all’inizio del 2024, sorge accanto a un parco eolico, a cui fornirà la necessaria capacità di stoccaggio dell’elettricità prodotta. La gru è dotata di sei bracci e sarà in grado di sollevare blocchi di 30 tonnellate composti di materiali di scarto locali. Ne abbiamo fatta di strada, dalla mela di Newton.