Questo fenomeno sta causando la perdita di gran parte di questa energia elettrica. In una situazione del genere, potrebbe sembrare logico sfruttare questo surplus di energia rinnovabile per produrre calore ed elettricità quando necessario. Tuttavia, ci troviamo di fronte a un problema tecnologico: ci manca un sistema in grado di immagazzinare e produrre questa energia su richiesta in modo economicamente vantaggioso.
 
I ricercatori dell'Istituto di Energia Solare del Politecnico di Madrid (IES-UPM) hanno trovato una possibile soluzione: un sistema in grado di immagazzinare grandi quantità di energia rinnovabile per lunghi periodi di tempo in modo molto economico e di fornire calore ed elettricità su richiesta.
 
Il sistema, descritto in un recente articolo pubblicato su Joule, utilizza l'energia in eccesso prodotta da fonti rinnovabili intermittenti, come l'energia solare o eolica, per fondere metalli economici, come il silicio o le leghe di ferrosilicio, a temperature superiori a 1.000 °C. Le leghe di silicio possono immagazzinare grandi quantità di energia durante il processo di fusione. Questo tipo di energia è chiamato "calore latente". Ad esempio, un litro di silicio immagazzina più di 1 kWh di energia sotto forma di calore latente, che è esattamente la quantità di energia contenuta in un litro di idrogeno pressurizzato a 500 bar. Tuttavia, a differenza dell'idrogeno, il silicio può essere immagazzinato a pressione atmosferica, rendendo il sistema potenzialmente più economico e sicuro.
 
Un aspetto chiave del sistema riguarda il modo in cui il calore immagazzinato viene convertito in elettricità. Quando il silicio fonde a oltre 1000 °C, brilla come il sole. Pertanto, è possibile riconvertire il calore irradiato in elettricità utilizzando celle fotovoltaiche. I cosiddetti generatori termofotovoltaici sono come mini-impianti fotovoltaici in grado di produrre fino a 100 volte più energia di una centrale solare convenzionale. In altre parole, se un metro quadrato di pannello solare produce 200 W, un metro quadrato di pannello termofotovoltaico ne produce 20 kW. E non solo la potenza erogata, ma anche l'efficienza di conversione è maggiore. L'efficienza delle celle termofotovoltaiche varia dal 30% al 40%, a seconda della temperatura della fonte di calore. In confronto, i pannelli solari fotovoltaici commerciali hanno un'efficienza compresa tra il 15% e il 20%. L'utilizzo di generatori termofotovoltaici, al posto dei motori termici convenzionali (come i cicli Stirling, Brayton o Rankine), evita l'uso di parti in movimento, fluidi o complessi scambiatori di calore. Ciò consente all'intero sistema di essere economico, compatto e silenzioso.
 
Secondo lo studio, le batterie fotovoltaiche a calore latente potrebbero immagazzinare grandi quantità di elettricità rinnovabile in eccesso. "Gran parte di questa elettricità verrà prodotta quando non c'è domanda, quindi verrà venduta a prezzi molto bassi sul mercato elettrico", afferma Alejandro Datas, ricercatore presso l'IES-UPM e responsabile del progetto. "Pertanto, è fondamentale immagazzinare questa elettricità in un sistema molto economico, poiché non avrebbe senso immagazzinare qualcosa di così economico in un contenitore molto costoso. Ecco perché immagazzinare l'elettricità in eccesso sotto forma di calore ha perfettamente senso, in quanto è uno dei modi più economici per immagazzinare energia", continua il ricercatore. In particolare, le leghe di silicio e ferrosilicio possono immagazzinare energia a un costo inferiore a 4 euro per kWh, ovvero 100 volte più economico rispetto alle attuali batterie stazionarie agli ioni di litio. Il costo totale sarà più elevato considerando il contenitore e l'isolamento termico. Tuttavia, secondo lo studio, sarebbe possibile raggiungere costi intorno ai 10 euro per kWh se il sistema fosse sufficientemente grande, in genere superiore a 10 MWh, poiché il costo dell'isolamento termico rappresenterebbe una piccola frazione del costo totale del sistema.
 
Il fatto che solo una frazione del calore immagazzinato venga riconvertita in elettricità non è necessariamente un problema. Se il sistema è sufficientemente economico, recuperare solo il 30-40% dell'energia sotto forma di elettricità lo renderebbe preferibile ad altre tecnologie più costose, come le batterie agli ioni di litio. Inoltre, il restante 60-70% del calore non convertito in elettricità può essere fornito direttamente a edifici, fabbriche o città, riducendo il loro consumo di gas naturale. Il calore rappresenta oltre il 50% della domanda energetica globale e il 40% delle emissioni globali di CO2. Pertanto, l'immagazzinamento dell'energia eolica o solare fotovoltaica in batterie a accumulo di calore latente (LHS) non solo consentirebbe un notevole risparmio sui costi, ma soddisferebbe anche parte dell'elevata domanda di calore proveniente da fonti rinnovabili. Di conseguenza, "lo sviluppo di questo tipo di sistemi potrebbe essere fondamentale per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili, non solo nel settore elettrico ma anche in quello del riscaldamento", conclude Datas.
 
Il primo prototipo in scala di laboratorio del sistema, realizzato nell'ambito di un progetto europeo (AMADEUS), è ora disponibile presso l'IES-UPM e i primi risultati sperimentali sono stati pubblicati nello studio. Questo rappresenta il culmine di oltre 10 anni di ricerca presso l'IES-UPM. Tuttavia, la tecnologia richiede ancora investimenti significativi prima di poter raggiungere il mercato. Ad esempio, l'attuale prototipo di laboratorio ha una capacità di accumulo inferiore a 1 kWh, ma sono necessarie capacità di accumulo energetico superiori a 10 MWh affinché questa tecnologia sia economicamente vantaggiosa. Pertanto, la prossima sfida è quella di scalare la tecnologia e testarne la fattibilità su larga scala. A tal fine, i ricercatori dell'IES-UPM stanno già formando il team che renderà possibile tutto ciò.

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