All’inizio del 2010 Nature ha pubblicato un articolo firmato da David Lindley (fisico inglese) sui cinque metodi principali per immagazzinare energia, tradizionali e non, fornendo un riassunto interessante per un problema così attuale.

Bacini idroelettrici

Un concetto tanto semplice quanto efficiente se si hanno montagne (o comunque dislivelli) a sufficienza: quando si ha energia in surplus si pompa l’acqua verso l’alto e la si immagazzina dentro una diga, poi al bisogno la si fa ridiscendere attraverso una turbina producendo energia. Il loro svantaggio è l’impatto ambientale: le dighe spesso devastano i paesaggi montani e i loro ecosistemi. L’Italia ha 541 dighe (dato aggiornato al 2008).

Aria compressa sotterranea

Sistema simile ai bacini idroelettrici ma opposto nella realizzazione: l’aria viene pompata sottoterra dentro delle caverne e quando serve viene lasciata uscire facendola passare all’interno di turbine. Sembra una soluzione alquanto strana ma, per esempio, nella città di Huntorf, vicino Brema, dal 1978 tale sistema viene usato per produrre picchi di 300 MW di potenza. Di certo la soluzione presenta molti problemi (per questo non è così comune): devono esistere delle caverne o dei bacini sotterranei e l’efficienza non è delle migliori in quanto l’aria non si immagazzina bene come l’acqua (anche se alcuni esperti dicono che l’efficienza così come i costi è paragonabile ai bacini idroelettrici). Un esempio di un parco eolico con immagazzinamento sotterraneo lo vedremo (forse) nel 2015 nell’Iowa, nell’Iowa Stored Energy Park, con un importante progetto finanziato quasi totalmente dalle municipalità presenti nell’area.

Batterie

Siamo abituati ad utilizzare le batterie nella vita di tutti i giorni, sebbene non immagazzinino molta energia sappiamo più o meno quale sia il loro funzionamento e gli svantaggi e vantaggi di ogni tipo di batteria (alcalina, ioni di litio, ecc). Le batterie NaS (sodio e zolfo) hanno un’alta densità (energia immagazzinata per ogni metro cubo) e sono utilizzate per fornire energia alla rete elettrica (ad esempio in Giappone hanno disponibile 300 MW di potenza extra), costano meno delle batterie a ioni di litio (quelle dei cellulari per intenderci) anche per motivi di sicurezza: le batterie a ioni di litio sono infiammabili e quindi richiedono particolari precauzioni. Al giorno d’oggi sono in costruzione diverse batterie a ioni di litio nell’ordine dei MW, sebbene nel campo di ci sia un gran fervore a livello scientifico.

Volani

Perché non utilizzare l’energia cinetica per immagazzinare energia? Dei grandi dischi rotanti (flywheels, volani in italiano) vengono accelerati e poi accoppiati ad un generatore per produrre energia elettrica. Ovviamente c’è bisogno di tenerli costantemente accelerati ma hanno il vantaggio di operare a gran velocità, possono immagazzinare e rilasciare elettricità in pochi secondi e proprio per questa capacità sono fondamentali per mantenere stabile la frequenza della rete elettrica. Nello stato di New York, a Stephentown, è stato inaugurato a Luglio 2011 da una compagnia elettrica locale  un impianto di 20 MW con 200 volani in parallelo. L’impianto è costato circa 70 milioni di dollari.

Smart Grids

Delle Smart Grids abbiamo già parlato molto, e come già detto la loro ‘intelligenza’ sarà proprio una gestione efficace dei carichi e dei consumi della rete, localizzata in una piccola area geografica. Per questo motivo esistono numerosi modelli che si basano sull’immagazzinamento dell’energia tramite batterie, volani, auto elettriche e tramite la gestione dei carichi intelligenti, il cui scopo è proprio quello di far tendere l’esigenza di immagazzinamento elettrico a zero, così da ridurre di molto i costi di infrastrutture e, si spera, della bolletta elettrica degli utenti.

Link aggiuntivi

1. L’articolo di Nature di Gennaio 2010
2. Registro italiano delle dighe

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La città di Boulder, Colorado, è famosa da un po’ di tempo per via del progetto SmartGridCity della compagnia statunitense Xcel Energy. La cittadina, di centomila abitanti e alla base delle Montagne Rocciose a ben 1600 metri di altezza, sarà a quanto pare la prima cittadina “smart” negli USA, un laboratorio dove sono stati investiti più di 100 milioni di dollari. Saranno installati sistemi di risparmio energetico e di generazione casalinga tramite pannelli solari ed un sistema di monitoraggio che oltre a dire ai vari utenti quanto stanno consumando/inquinando, darà informazioni utili al gestore della rete e a tutti i vari partner coinvolti nel progetto. Sebbene ci sia molto hype in questo progetto, la Xcel Energy sta affrontando varie difficoltà (vedere qui per farsi un’idea), ma comunque Boulder è un esempio di un trend mondiale di incentivi e investimenti che fa ben sperare.

Come riportato dalla IEEE, nel 2010 sono stati investiti 90 miliardi di dollari in tutto il mondo sulle Smart Grid, sebbene al momento si tratti più che altro di ambizioni e prospettive, e non di reali Smart Grid funzionanti. I problemi ovviamente sono così tanti che risulta difficile anche stilarne un elenco parziale, di certo una parte consistente, quella a cui gli informatici sono più abituati, è legata a problemi di privacy e gestione dei dati fortemente connessa alla diffusione degli Smart Meter. Il Google Trend del termine ’smart grid’ degli ultimi anni riassume perfettamente l’andamento dello sviluppo di tutto il concetto di Smart Grid (si nota anche il maggior interesse della Corea del Sud al riguardo come scrivevo qui).

Molto bella, seppur breve, è lo stralcio di intervista a Gary Locke, segretario del commercio statunitense, riportata su Newsweek. Riporto qui una domanda che tra tutte riassume il senso di tutto il lavoro:

What’s the most substantial impact smart grid tech can have on the economy?
It’s going to be the invention, the production of products that will be used in our appliances as well as our homes, and the software that will be developed. People can control from their computer at work when their appliances will go on and off. Or they can say, “Hey, I want to sell electricity back from my vehicle when the cost is highest for that electricity, but don’t turn on my electric clothes dryer until the electricity charged by my utility [is] lowest.”

LINK AGGIUNTIVI

1. Articolo IEEE Spectrum sulle Smart Grid

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Ho già parlato di Smart Grid varie volte, una discussione su LinkedIn nel gruppo “SmartGrids: Energy & Water” apre la questione degli hot topic sulle Smart Grid, ovvero gli argomenti ancora aperti che meritano studi e ricerche.

Vista l’esperienza e le conoscenze dei soliti partecipanti a queste discussioni (che su LinkedIn sono approfondite e attente), ne ho approfittato per scrivere una sorta di appunti sparsi sulle tematiche più originali.

Il comportamento degli utenti. Come cambiarlo? Offrendo pochi euro si può convincere un utente a spegnere un elettrodomestico? Sono meglio sconti mensili sulla bolletta elettrica oppure conviene coinvolgere l’utente attivamente? Molti studi al riguardo sono stati fatti in Europa e in Canada, nell’individuare i fattori di motivazione e un obiettivo sarebbe anche quello di identificare il profilo dell’utente più celere ad abituarsi (l’early adapter).

A proposito di abitudini: gli utenti sono disposti a passare dall’attuale sistema flat ad un sistema dove si paga in base alla fascia oraria e ai picchi di utilizzo? Siamo sicuri che il gioco valga la candela? La maggioranza delle persone potrebbe preferire pagare una bolletta più alta (ma quanto più alta?) ma poter decidere in tranquillità a che ora del gioco accendere la lavatrice. Qui entrano in gioco sia la tecnologia, che deve aiutare a rendere questo utilizzo delle informazioni veloce e naturale, che le politiche dei singoli stati.

Fiducia e privacy. Qual è il confine della fiducia degli utenti rispetto le loro compagnie dal momento in cui queste si interessano ai loro comportamenti? Le Smart Grid introducono un grado di intrusività non trascurabile, alla base delle reti del futuro c’è l’informazione e quindi una marea di dati raccolta da sensori e contatori intelligenti (smart meters). L’utente è disposto a dare tutte queste informazioni e ad avere, ad esempio, il termostato del riscaldamento gestito a distanza per motivi di efficienza energetica? Quindi: qual è la tolleranza degli utenti nei confronti di queste tecnologie? Come si può fare in modo di farle accettare il più velocemente possibile?

Qual è il miglior modo per far capire all’utente l’impatto del suo comportamento energetico sull’intera rete?

Tralascio la discussione sull’integrazione delle energie rinnovabili e sulle auto elettriche perché servirebbe un libro intero per parlarne. Una nota a margine: sottolineo la potenza di LinkedIn, dove per via del target professionale si trovano discussioni di una ricchezza e vivacità unica.

LINK CONSIGLIATI

1. OPOWER White Papers sulla conservazione dell’energia e i comportamenti degli utenti
2. Un articolo della Reuters un po’ in controtendenza sugli Smart Meters
3. Uno studio sulle attitudini dei consumatori

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Ci si può chiedere se si può migliorare la situazione, nel tempo si è proposto un modello intelligente (smart), chiamato Smart Grid. Ci si propone di: soddisfare le richieste crescenti di energia, di controllare lo stato della rete elettrica (grid), ottimizzare e controllare la produzione di energia, modernizzare il sistema di distribuzione, migliorare sicurezza e robustezza, integrare l’uso di energie rinnovabili ecc

Questo è uno schema di una Smart Grid: l’anello blu è la rete elettrica (power network) che collega le abitazioni, le industrie, gli impianti di energia rinnovabili, ognuno con uno Smart Meter, un contatore intelligente che controlla e memorizza le informazioni importanti. L’anello rosso è l’anello di comunicazione, una rete informatica che si occupa di gestire e trasportare i dati fondamentali per capire cosa sta accadendo e per inviare comandi e segnali di controllo.

Questi Smart Meter memorizzano le informazioni sull’energia elettrica nelle abitazioni e la distribuiscono alla compagnia elettrica così da permetterle di calcolare le bollette, di studiarne i dati per scopi di ricerca e per gestire al meglio la rete. L’attuale amministrazione USA vuole inserire 40 milioni di smart meter nei prossimi anni, l’Unione Europea 245 milioni nei prossimi 10 anni, ma già in Europa esistono sistemi simili (anche in Italia). Ogni consumatore produrrebbe diversi gigabyte di dati l’anno, dati che però possono essere anche critici. Se si ha una buona “risoluzione” dei dati, si può sapere quali elettrodomestici usi e per quanto, con implicazioni sulla privacy: c’è quindi bisogno di regolamentare e gestire l’uso di questi dati. Chi li utilizzerà? Come potrà accedervi la comunità scientifica?

Sull’argomento c’è molto da leggere e studiare, per i più tecnici consiglio il sito della IEEE sulle Smart Grid, ma sul Web si può trovare molto materiale, soprattutto di fonte statunitense.

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La Corea del Sud ha affermato qualche giorno fa, per voce di uno dei suoi ministri, di essere pronta alle Smart Grid per il 2030—il paese asiatico vuole essere il primo al mondo ad avere delle smart grid funzionanti ed integrate. Le industrie del paese si danno da fare per essere efficienti dal punto di vista energetico: la Samsung sta per costruire in Canada degli impianti solari dal valore di quasi 2 miliardi di dollari con l’intenzione di divenire il più grande fornitore di energia solare al mondo. Il paese si è posto l’obiettivo dell’11% di energia rinnovabile entro il 2030 prevedendo che entro tale data un’abitazione su tre sarà autosufficiente dal punto di vista energetico. Le auto elettriche, che oggi sono 500.000, in questi venti anni diventeranno più di due milioni (previsioni) con la possibilità di collegare le batterie dei veicoli alla rete elettrica. E così via, tante altre previsioni positive ed impegnative.

Ma cos’è una smart grid? Come dice il nome, è un modo più furbo di produrre e consumare energia elettrica. Questo è un diagramma che schematizza l’idea alla base di una smart grid:

Non più un sistema rigidamente monodirezionale e statico come quello attuale, dove una grande centrale elettrica produce continuamente energia che poi viene consumata (spesso in maniera sconsiderata) da utenti nel raggio di centinaia di km. Il modello Smart Grid è più locale e cerca di produrre energia in maniera più furba: producendola in loco (spesso da fonti rinnovabili) o acquistandola dalla rete elettrica quando serve e quando conviene maggiormente. Il concetto fondamentale di questo sistema è la “consapevolezza” che ha la rete dei propri consumi: il metering (ovvero la misurazione dell’energia consumata) è importante, in tal modo si tiene d’occhio l’efficienza e si definiscono le regole di produzione dell’energia. Un esempio: il picco dei consumi gli uffici ce l’hanno nelle ore intorno alle 12, quindi in quel periodo la grid potrebbe produrre energia ma poi la notte, quando i consumi sono più bassi, potrebbe acquistarla dalla rete elettrica visto che nelle ore notturne ha un prezzo minore (e quindi conviene comprarla piuttosto che produrla). Oltretutto se una smart grid si basa su energie rinnovabili deve essere in grado di gestire in maniera intelligente la produzione altalenante di energia nel caso delle fonti eoliche (cali di vento) o solari (rannuvolamenti e ore notturne).

Molti paesi stanno studiando questi sistemi in tutto il mondo, sebbene i problemi tecnici siano quasi insormontabili per una loro diffusione su larga scala (le reti elettriche nazionali spesso non sono adatte), le smart grid incarnano una filosofia di energia distribuita ed efficiente che si può considerare rivoluzionaria. Per approfondire:

1. Smart Grid Blog
2. Renewable Energies: Sources and Methods di Anne Maczulak (da cui ho tratto la figura)

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