Conservare elettricità e calore

Se in futuro la Svizzera si affiderà maggiormente al fotovoltaico, in estate a mezzogiorno ci sarà più elettricità del necessario. ? quindi necessario uno stoccaggio a breve termine per rendere disponibile l'energia solare di mezzogiorno giorno e notte. "In Svizzera, tuttavia, lo stoccaggio a lungo termine è la grande sfida", spiega Hug.

In inverno produciamo già troppo poca elettricità e copriamo l'aumento della domanda con le importazioni. Questo squilibrio stagionale sarà ulteriormente aggravato dalla svolta energetica. Gianfranco Guidati, esperto di modellazione dei sistemi energetici presso l'ESC, spiega: "Il fotovoltaico, in particolare, genera surplus in estate; in inverno, quando il sole è debole e le pompe di calore riscaldano le case, c'è il rischio di un gap generazionale di elettricità".

Si pone quindi una domanda fondamentale per la Svizzera: come si può trasferire l'energia solare in eccesso dall'estate all'inverno? Una cosa è certa: Il bisogno di accumulo sta crescendo. Per Hug è necessario investire sia nelle tecnologie di accumulo consolidate che in quelle future. "Perché non esiste ancora una soluzione di accumulo brevettata".

Tuttavia, lo stoccaggio non deve essere fine a se stesso, aggiunge Guidati. "L'obiettivo della Svizzera è l'azzeramento dei gas serra entro il 2050, e lo stoccaggio è un mezzo importante, ma non l'unico, per raggiungere questo obiettivo". "Abbiamo bisogno di un potpourri di approcci diversi", afferma il modellatore di sistemi. La seguente panoramica mostra quali potrebbero essere questi approcci:

Centrale elettrica fluviale e accumulo con pompaggio

Per Robert Boes, l'ETH, professore di ingegneria idraulica, l'energia idroelettrica è la spina dorsale del sistema elettrico svizzero: "Con una quota di circa il 60%, è la nostra più importante fonte di energia elettrica rinnovabile e ha funzioni di stoccaggio fondamentali per la svolta energetica".

Centrali elettriche ad acqua fluenteLe centrali di pompaggio turbinano direttamente l'acqua in entrata e forniscono energia rinnovabile a banda larga per coprire il carico di base, ma non hanno funzione di stoccaggio. Le centrali ad accumulo, invece, dispongono di un serbatoio che le rende flessibili. I grandi laghi artificiali delle Alpi servono principalmente come depositi stagionali di energia: "Raccolgono le piogge e l'acqua di fusione in primavera e in estate per produrre elettricità in inverno", spiega Boes. I grandi laghi, invece, non possono immagazzinare elettricità.

Solo gli impianti di pompaggio sono in grado di farlo: pompano l'acqua da un bacino inferiore fino a un serbatoio. Quando c'è bisogno di elettricità, svuotano il bacino tramite le turbine. L'accumulo per pompaggio è attualmente l'unica tecnologia collaudata in grado di assorbire e rilasciare grandi quantità di elettricità con breve preavviso. In quanto sistemi di stoccaggio dell'elettricità potenti e flessibili, sono perfetti per bilanciare le fluttuazioni diurne e notturne del fotovoltaico. Tuttavia, il loro volume di accumulo è solitamente troppo piccolo per immagazzinare elettricità su larga scala su base stagionale.

Un numero maggiore di laghi di accumulo, invece, potrebbe contribuire a colmare il gap elettrico invernale. Ma la loro espansione è controversa. I progetti spesso si scontrano con la conservazione della natura e suscitano opposizione. "Il potenziale è limitato", conferma Boes. "L'energia idroelettrica è tecnicamente matura e molto efficiente. Tuttavia, gli aspetti ambientali, come la presenza di una quantità sufficiente di acqua residua, sono stati considerati meno importanti", afferma Boes.

I ricercatori del Laboratorio di Idraulica, Idrologia e Glaciologia (VAW) dell'ETH di Zurigo sono quindi alla ricerca di soluzioni per rendere l'energia idroelettrica più ecologica. Tra gli esempi vi sono i tunnel di deviazione ottimizzati, attraverso i quali i sedimenti vengono trasportati ulteriormente, o i rastrelli di guida che guidano i pesci in modo sicuro oltre le prese dei serbatoi e le turbine. "Se l'energia idroelettrica vuole essere accettata, deve proteggere la biodiversità", sottolinea Boes.

Accumulo decentralizzato su piccola scala

Dal punto di vista della rete, le batterie sono piccole unità di stoccaggio con pompaggio nella rete di distribuzione: se in futuro un numero sempre maggiore di piccoli impianti fotovoltaici sui tetti genererà elettricità in modo decentralizzato, saranno necessarie piccole unità di stoccaggio distribuite per tamponare la produzione a livello locale. Analogamente all'accumulo tramite pompaggio, le batterie vengono utilizzate per una rapida equalizzazione dell'energia. "Poiché la capacità delle batterie può essere facilmente regolata in base alle esigenze dell'applicazione, esse sono adatte come sistemi di accumulo decentralizzato dell'elettricità negli edifici", spiega l'ETH Vanessa Wood.

In combinazione con gli impianti fotovoltaici, le batterie possono immagazzinare temporaneamente l'elettricità in eccesso a livello locale per alcuni minuti o ore, alleggerendo così la rete. Se tutta l'energia solare dovesse essere trasportata dalle aree residenziali alle poche centrali di pompaggio in montagna nei momenti di picco, si potrebbero creare dei colli di bottiglia nella rete.

Il mercato delle applicazioni delle batterie nei veicoli e nelle abitazioni si sta sviluppando rapidamente. Esistono già le prime batterie di grandi dimensioni per i quartieri, per compensare le fluttuazioni a breve termine. "? ora importante rendere le batterie ancora più efficienti, in modo che possano affrontare più cicli di carica e scarica durante la loro vita utile", afferma Wood, che sta studiando nuovi concetti di batterie. "Allo stesso tempo, dobbiamo anche trovare materiali sostitutivi per le materie prime problematiche delle batterie e sviluppare metodi per riciclare le batterie a basso costo e con poca energia". Queste ricerche sono in corso in tutto il mondo.

In un sistema energetico ideale, l'aumento della domanda di elettricità per il riscaldamento in inverno potrebbe essere coperto direttamente con l'energia solare in eccesso dell'estate. Tuttavia, non è ancora redditizio immagazzinare grandi quantità di elettricità per diversi mesi. Un modo per utilizzare il sole estivo per l'inverno è l'accumulo di calore. "La tecnologia è disponibile, economica e già consolidata in Paesi come la Danimarca", afferma Gianfranco Guidati. In Svizzera, tuttavia, i sistemi di accumulo di calore sono ancora poco discussi.

I sistemi di accumulo di calore stagionale assorbono il calore in estate e lo rilasciano nuovamente in inverno. Ciò richiede grandi serbatoi di calore - bacini, serbatoi o strati acquiferi nel sottosuolo. Essi immagazzinano l'acqua riscaldata, che viene riscaldata in estate utilizzando pompe di calore e l'energia solare in eccesso.

Spostando la produzione di calore in estate, i serbatoi di calore riducono la domanda di elettricità in inverno e contribuiscono a evitare il deficit di elettricità. Guidati ipotizza che i sistemi di accumulo di calore svolgeranno un ruolo importante per la Svizzera in futuro.

Fonti energetiche in grado di immagazzinare energia

Nel prossimo futuro c'è un solo modo per far durare l'elettricità a tempo indeterminato: "Quando avremo esaurito tutte le opzioni di stoccaggio a breve termine in estate e ci sarà ancora elettricità in eccesso, allora potremo considerare di convertirla in fonti di energia immagazzinabili", sottolinea Guidati. Si riferisce al tanto discusso idrogeno.

L'elettrolisi utilizza l'elettricità per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno potrebbe essere immagazzinato in apposite strutture di stoccaggio e riconvertito in elettricità e calore in inverno utilizzando una turbina a gas o una cella a combustibile. In alternativa, l'idrogeno e la CO₂ produrre metano sintetico. Questo ha una maggiore densità energetica e ha il vantaggio di poter essere immesso nella rete del gas naturale esistente. Infine, in un'ulteriore fase, la CO₂-combustibili liquidi neutri per l'aviazione o le navi.

"Tuttavia, nessuno di questi processi è ancora consolidato e spesso non è ancora redditizio", afferma Gabriela Hug. Anche se i gas sintetici potrebbero servire come stoccaggio a lungo termine per l'energia solare estiva, la conversione in elettricità e calore è solitamente inefficiente. "Per ragioni di efficienza, l'elettricità in eccesso dovrebbe quindi essere utilizzata direttamente quando possibile, ad esempio per la mobilità elettrica", sostiene Hug. Tuttavia, ritiene che i combustibili sintetici siano importanti per le applicazioni difficili da elettrificare e, in futuro, anche per lo stoccaggio a lungo termine.

Stoccaggio di aria compressa e ascensori

Esistono alternative agli impianti di pompaggio e alle batterie per l'accumulo di elettricità a breve termine. Le centrali elettriche ad accumulo a sollevamento sfruttano l'energia posizionale come l'accumulo a pompaggio, ma al posto dell'acqua lavorano con pesi come mezzo di accumulo, che vengono tirati verso l'alto da gru, ad esempio.

I sistemi di accumulo di aria compressa sono un po' meno efficienti: pompano aria in un serbatoio di accumulo e generano aria compressa, che una turbina a gas può utilizzare per generare rapidamente energia di controllo per il bilanciamento della rete quando necessario. Tuttavia, la compressione genera anche calore, che è meglio immagazzinare e rendere nuovamente disponibile quando viene scaricato.

I volani sono più efficienti, ma anche più costosi: in termini di capacità, sono più simili alle batterie, ma immagazzinano l'elettricità sotto forma di energia cinetica e solo per pochi secondi o pochi minuti, anche per stabilizzare le reti.

Reti energetiche intelligenti

Cosa sottolineano tutti i ricercatori: Oltre allo stoccaggio fisico, esistono altri approcci che agiscono indirettamente come lo stoccaggio e rendono il sistema più flessibile. Ad esempio, le reti elettriche digitalizzate e automatizzate potrebbero monitorare la produzione e il consumo in tempo reale e ottimizzare l'uso delle risorse disponibili. "Grazie a un controllo intelligente, in futuro sarà possibile gestire le reti energetiche più vicine all'utilizzo massimo della capacità", spiega l'esperto di reti elettriche Hug. Se ciò avrà successo, il sistema diventerà più efficiente e la necessità di riserve diminuirà".

Anche la domanda deve diventare più flessibile per poter prelevare l'elettricità quando è necessaria. Una gestione intelligente dei carichi può contribuire a ridurre i requisiti di stoccaggio. Gianfranco Guidati cita l'esempio della mobilità elettrica: "Le automobili elettriche sono batterie mobili che possono assorbire i picchi fotovoltaici durante il giorno", quindi sono necessarie stazioni di ricarica dove i veicoli si trovano durante il giorno: sul posto di lavoro, nei parcheggi multipiano e nei parcheggi vicini al centro città.

Energia importata

Il CES parte dal presupposto che la Svizzera dovrà aumentare la propria produzione di elettricità anche in inverno. Si potrebbero prendere in considerazione riserve di energia idroelettrica, ma anche investimenti nel fotovoltaico alpino, nell'energia geotermica o in centrali a gas per biogas o gas di sintesi. Secondo Hug, tuttavia, una produzione di energia elettrica autosufficiente non ha senso: una soluzione isolata sarebbe inefficiente ed enormemente costosa.

In futuro, quindi, la Svizzera non produrrà ancora abbastanza elettricità per soddisfare il proprio fabbisogno e continuerà a dipendere dalle importazioni di elettricità. "I nostri modelli dimostrano che un approvvigionamento elettrico sicuro ed economico richiede anche uno scambio funzionante con i Paesi vicini", afferma Hug.

A differenza della Svizzera, l'Europa settentrionale dispone di elettricità sufficiente in inverno perché Paesi come la Danimarca si affidano in larga misura all'energia eolica, che produce picchi in inverno. Ciò significa che la Svizzera potrebbe importare energia eolica in inverno ed esportare energia solare attraverso lo stoccaggio con pompaggio in estate come energia di bilanciamento veloce.

E questo è logico: se i Paesi uniformano le loro diverse capacità attraverso lo scambio di energia elettrica, tutti ne traggono vantaggio. Tuttavia, senza un accordo sull'elettricità, lo scambio con l'UE sarà difficile. "L'accesso regolamentato al mercato europeo dell'elettricità sarebbe quindi estremamente importante per la Svizzera", sottolinea il gestore della rete.

Per una svolta energetica di successo, la Svizzera ha quindi bisogno non solo di un'ampia gamma di approcci tecnologici, ma anche di soluzioni che vanno dal decentrato all'internazionale.