Cos’è e come funziona lo storage gravitazionale: applicazione a piccoli impianti domestici | Articoli

Alzi la mano chi ha mai sentito parlare di questa tecnologia. Vedo pochissime mani alzate, praticamente nessuna… Nel giardino di Woolsthorpe Manor, in Inghilterra, si può ancora visitare il luogo in cui Isaac Newton avrebbe tratto ispirazione per sviluppare la teoria della gravità. Sebbene l’albero dal quale cadde la celebre mela non sia più quello originale, le mele continuano a cadere allo stesso modo. Anche se Newton è stato il primo a formulare la gravità attraverso equazioni matematiche, tutti ne fanno esperienza fin dalla tenera età. Si tratta di una delle forze essenziali dell’universo, la cui comprensione è cruciale in molti settori, inclusa l’energia.

L’energia rinnovabile è fondamentale nella transizione ecologica, ma è una fonte non controllabile e imprevedibile

Negli ultimi anni, l’energia rinnovabile si è affermata come pilastro fondamentale della transizione ecologica, accompagnata però da sfide tecniche legate alla sua adozione su larga scala. Una delle principali difficoltà è l’imprevedibilità della sua disponibilità. Fonti come il fotovoltaico e l’eolico, ad esempio, dipendono da condizioni meteorologiche che non possono essere controllate o programmate. Lo stesso vale per l’idroelettrico, particolarmente vulnerabile durante lunghi periodi di siccità.

Se consideriamo inoltre che il cambiamento climatico rende i fenomeni meteorologici sempre più imprevedibili, diventa evidente l’urgenza di sfruttare l’energia prodotta quando è disponibile. Per farlo, è essenziale disporre di sistemi di accumulo in grado di immagazzinare l’energia in eccesso e distribuirla successivamente per soddisfare la domanda della rete nei momenti di bisogno. Fra le diverse soluzioni tecnologiche già esistenti o in fase di studio, di sviluppo o di lancio, le cosiddette “batterie gravitazionali” sono sicuramente le più intriganti nonostante la semplicità del principio fisico che si cela dietro l’accumulo di energia.

Sistemi di accumulo: superata quota 500mila installazioni, per una potenza totale di 3.367 MW
In Italia si è registrato una crescita nell’installazione dei sistemi di accumulo energetico nel 2023, con una predominanza della tecnologia al litio e una forte connessione con impianti fotovoltaici. A preoccupare è il blocco di superbonus e cessione del credito, che stanno causando le prime frenate al settore.
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L’idea è semplice, ma allo stesso tempo molto affascinante: un sistema di accumulo di energia basato sul principio di usare la corrente elettrica in eccesso (per esempio quella generata di giorno da pannelli fotovoltaici o di notte dalle centrali e dai generatori di diversa tecnologia) per sollevare e accatastare delle masse, al fine di ricalarle lentamente, generando così energia elettrica, al bisogno. Nella transizione alle energie rinnovabili e pulite, i sistemi di accumulo giocano un ruolo indispensabile: fotovoltaico ed eolico, infatti, sono incostanti e hanno quindi bisogno del supporto di un apparato che accumuli l’energia che producono e che non viene consumata immediatamente e la rilasci quando serve.

Sistemi di accumulo: il MASE pubblica la guida operativa
Il Ministero dell’Ambiente ha pubblicato una guida operativa per l’autorizzazione di sistemi di accumulo elettrochimico stand-alone, semplificando il processo con requisiti minimi e una check-list online. L’iniziativa mira a favorire la diffusione di tecnologie sostenibili, offrendo supporto diretto tramite la Divisione IV del Ministero.
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Energy Vault è un’azienda svizzera specializzata in soluzioni innovative per l’accumulo di energia, basate su sistemi gravitazionali. Utilizza torri modulari composte da blocchi pesanti che vengono sollevati e abbassati per immagazzinare e rilasciare energia, offrendo un’alternativa sostenibile alle batterie tradizionali.

Nel luglio 2020 a Castione ha messo in funzione il primo impianto su larga scala di questa tecnologia, connettendolo alla rete elettrica svizzera. Si tratta di una torre-gru a tre bracci doppi e simmetrici, di diametro massimo di circa 60 metri, e alta circa 70 metri, che solleva e impila grandi masse inerti (da 35 tonnellate ciascuna per 35.000 tonnellate in totale, secondo quanto dichiarato dalla Energy Vault stessa) per accumulare energia potenziale, al fine di ricalarle con una discesa gravitazionale controllata per sfruttarne l’energia di caduta e produrre così elettricità, con un’efficienza dichiarata del 90%.

L’energia non si crea né si distrugge, ma cambia forma, si converte da un tipo ad un altro. Quando ricarichiamo una batteria, stiamo convertendo energia elettrica della presa in energia chimica, che potrà essere riconvertita in energia elettrica quando necessario grazie appunto alle reazioni chimiche tra i componenti della batteria. Un altro esempio è il processo che avviene nel motore a combustione interna della vostra automobile: qui, l’energia chimica presente nel carburante viene trasformata in energia meccanica per produrre movimento. L’energia meccanica si divide sostanzialmente in energia cinetica ed energia potenziale.

Un oggetto in movimento ad una certa velocità possiede energia cinetica, che dipende direttamente dalla sua massa (ossia il suo peso) e dal quadrato della sua velocità in ogni istante. Anche un oggetto immobile, però, possiede energia: questa energia “latente” è detta energia potenziale, poiché può trasformarsi in energia cinetica, se l’oggetto lascia il suo stato di quiete e con una forza iniziale viene messo in movimento ad una certa velocità.

Quando l’unica forza coinvolta è quella gravitazionale, ed è essa a disturbare l’oggetto dal riposo per metterlo in movimento, si parla di energia potenziale gravitazionale. L’energia potenziale gravitazionale misura quanta energia cinetica un oggetto potrebbe acquisire se venisse lasciato cadere. Questo valore è determinato sia dalla massa dell’oggetto, sia dall’altezza da cui può cadere: maggiore è il dislivello, maggiore sarà la velocità raggiunta, e di conseguenza, l’energia cinetica sviluppata.

Questo principio fisico, noto come conservazione dell’energia, viene utilizzato anche per accumulare energia da impiegare quando necessario, attraverso sistemi definiti di accumulo gravitazionale.

Chiarite queste distinzioni, comprendere il principio dell’accumulo gravitazionale diventa piuttosto intuitivo. Una massa viene sollevata a una certa altezza, immagazzinando l’energia elettrica utilizzata per azionare gli argani di sollevamento sotto forma di energia potenziale (conversione dell’energia da elettrica a potenziale).

Quando l’oggetto viene lasciato cadere, l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica (nuovamente, conversione), che può essere convertita nuovamente in energia elettrica tramite un generatore alimentato dal movimento della caduta. Per accumulare grandi quantità di energia, è essenziale utilizzare oggetti molto pesanti e portarli a un’altezza significativa rispetto al punto di rilascio. Sebbene il concetto sia semplice, la realizzazione pratica richiede soluzioni tecnologiche avanzate per ottimizzare il processo e aumentarne l’efficienza.

Quanta energia si può produrre con questa tecnica? Proviamo a partire dai princìpi di base, di meccanica classica da terzo anno di Liceo Scientifico o da corso di Fisica 1 al primo anno di una qualsiasi corso ad indirizzo scientifico universitario. La formula alla base di questo calcolo è quella classica dell’energia potenziale:

energia potenziale (in joule) = massa (kg) x 9,81 m/s² di accelerazione gravitazionale x altezza (mt)

Una tonnellata (1.000 kg) di massa (acqua, ferro, cemento o qualunque altro materiale) alzata di un metro acquisisce un’energia potenziale di 9.810 joule, ossia 2,725 Wh. Applicando questo principio, vuol dire che per usare un asciugacapelli da 1 kW per un’ora (1 kWh), servirebbe sollevare e rilasciare cadere un’utilitaria (diciamo da 1.000 kg) per circa 370 metri. A ben vedere in effetti non è altro che l’evoluzione del 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 generato con una diga su un lago o in un fiume.

In alternativa alla costruzione di altissime torri, questi impianti possono essere costruiti anche nel sottosuolo, sfruttando magari i pozzi verticali frutto di passate trivellazioni e 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.
Le batterie gravitazionali hanno 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. Possiamo verificarlo analizzando per esempio i dati forniti dalla Energy Vault riguardo ai primi test effettuati sull’impianto svizzero. Come abbiamo detto, la torre è alta circa 70 metri e ognuna delle 3 gru doppie ha un’ampiezza fino a 66 metri, mentre i blocchi in cemento hanno una massa di 35 tonnellate ciascuno. Nel dicembre 2020, singoli blocchi sono stati sollevati e abbassati per 42 metri in circa 1 minuto a una velocità di 0,7 m/s, e l’energia prelevata e restituita alla rete nazionale è stata registrata. Per raggiungere l’energia potenziale teorica massima di 3,906 kWh a questa altezza sono stati necessari 4,124 kWh di elettricità, con un’efficienza di circa il 95%.

Durante l’abbassamento è stata registrata una produzione di 3,106 kWh, con una potenza media prodotta di circa 186 kW e un’efficienza di circa il 79,5%, dando un’efficienza totale di ciclo completo di circa il 75%. Le fotografie dei primi giorni di vita della torre ci mostrano circa 28 blocchi disponibili al livello più basso. Con ciascun blocco che pesa circa 340 kN e misura, si suppone, 5 m di altezza, è possibile immagazzinare un’energia potenziale di 340 kN x 5 m = 1.7 MNm = ~0.47 kWh per ogni blocco sollevato di un livello. Altre fotografie del gennaio 2022 mostrano 8 blocchi al secondo livello, 4 al terzo livello e 2 al quarto e ultimo livello. Complessivamente essi immagazzinano un’energia di 1.7 MNm x (8 + (2 x 4) + (3 X 2)) = 37.4 MN = ~10.4 kWh.

Le dimensioni della torre consentono di impilare almeno 8 strati. Lo strato di base non immagazzina energia. Se i 7 strati attivi sovrastanti contengono ciascuno 28 blocchi, con ogni strato che pesa circa 9,5 MN, e ciascun blocco può essere abbassato al suolo fuori dallo strato base originale, lo strato al secondo livello può essere abbassato di un livello (supponendo 5 m), il terzo di 10 m, il quarto di 15 m e così via. Questo dà una somma di 140 m x 9.5 MN = 1330 MNm = ~370 kWh.