Il futuro appartiene alla batteria

Per una transizione energetica efficace è necessario potenziare in modo sostanziale le capacità degli accumulatori d’energia. A questo proposito, le batterie svolgono un ruolo fondamentale. L’idrogeno assume il ruolo del jolly.

Una delle principali sfide della transizione energetica è rappresentata dalla produzione volatile di energia rinnovabile. La possibilità di ricavare elettricità da fonti quali l’energia eolica e solare è soggetta a fluttuazioni dovute alle condizioni meteorologiche, all’alternarsi delle stagioni e allo scorrere delle ore durante il giorno. Poiché non è sempre possibile produrre energia pulita sufficiente a soddisfare il fabbisogno giornaliero o stagionale, l’accumulo temporaneo dell’energia, solitamente sotto forma di elettricità, avrà un ruolo decisivo nel sistema energetico del futuro.

Le batterie sono favorite dal boom della mobilità elettrica

L’elettrificazione del trasporto privato procede rapidamente e stimolerà questa crescita nei prossimi anni. Al centro c’è il motore elettrico alimentato a batteria, che dovrebbe dominare le tendenze di sviluppo grazie alla sua efficienza e ai suoi vantaggi in termini di costi. Nel suo scenario di base, l’Agenzia internazionale dell’energia (AIE) prevede che entro il 2030 saranno impiegati almeno 140 milioni di veicoli elettrici in tutto il mondo. Nello scenario ottimistico saranno 245 milioni. Nel 2019 solo 7 milioni di auto elettriche circolavano sulle strade. 

Numero di veicoli elettrici a batteria immatricolati a livello mondiale

La batteria è al centro dello sviluppo della mobilità elettrica. I progressi tecnologici degli ultimi anni, unitamente ai programmi statali di incentivazione, hanno contribuito all’affermazione della propulsione elettrica a batteria. In particolare, il netto miglioramento della densità energetica ha consentito di aumentare l’autonomia – un criterio fondamentale per il trasporto individuale. L’espansione della produzione ha ridotto i costi di realizzazione al punto che le auto elettriche non devono più temere il confronto di prezzo con i veicoli diesel e a benzina. Con il trionfo della mobilità elettrica, la domanda di batterie aumenterà rapidamente.

Domanda di batterie per i veicoli elettrici

La batteria agli ioni di litio domina il mercato

Per molto tempo lo sviluppo della cella agli ioni di litio è stato influenzato dall’elettronica di consumo: dai lettori CD degli anni Novanta ai notebook e ai cellulari della moderna epoca digitale, tutti hanno tratto l’energia necessaria dalle batterie agli ioni al litio. Da oltre dieci anni, la mobilità elettrica ha assunto il ruolo di motore dell’innovazione e ha determinato l’ottimizzazione della batteria agli ioni di litio per l’impiego come accumulatore mobile di energia.

Nel settore dei trasporti domina la batteria agli ioni di litio. La sua densità energetica elevata rispetto ad altri accumulatori rende possibile un dimensionamento relativamente ridotto, mentre la sua lunga durata utile la predestina all’impiego come accumulatore mobile di energia nelle auto elettriche. Già entro pochi anni la batteria agli ioni di litio dovrebbe sostituire la batteria al piombo-acido, la classica «batteria per auto», nel ruolo di accumulatore di energia più diffuso nel settore della mobilità. 

La batteria agli ioni di litio ha ancora un grande potenziale di sviluppo. Considerando le domande di brevetto, in aumento da anni, risulta evidente che questa tipologia domina la ricerca nel settore delle batterie. Indubbiamente vi è concorrenza, ma sotto molti aspetti è ancora in uno stadio iniziale. La batteria a stato solido ha un potenziale assolutamente dirompente. In essa, a differenza dell’odierna batteria agli ioni di litio, tutte le sostanze chimiche utilizzate sono allo stato solido. I suoi principali vantaggi sono rappresentati dalla densità energetica potenzialmente molto più elevata e dalla forte riduzione dell’infiammabilità, che limita al minimo il rischio d’incendio e semplifica notevolmente il riciclaggio. Inoltre, la sua produzione richiede meno materie prime e la sua vita utile risulta più lunga. Tuttavia, le prime applicazioni commerciali non sono attese prima del 2025. 

Sempre più richiesta anche come accumulatore stazionario di energia

I positivi effetti di diffusione, i cosiddetti effetti spillover, determinano un forte aumento della domanda di batterie agli ioni di litio come accumulatori di corrente stazionari, ad esempio nei centri elaborazione dati, nella telefonia mobile o come elementi di ottimizzazione della rete elettrica. Il fabbisogno di accumulo stazionario aumenterà ulteriormente con il passaggio all’approvvigionamento energetico sostenibile. Secondo l’AIE, gli attuali accumulatori stazionari di energia sono appena sufficienti a coprire per 7 secondi il fabbisogno globale di energia elettrica. È decisamente troppo poco per garantire un approvvigionamento stabile di energia rinnovabile. 

Oggi le centrali di accumulo a pompa d’acqua dominano il mercato dell’accumulo d’energia stazionario, con una quota globale superiore al 90%. Tuttavia, a causa del loro notevole fabbisogno di spazio e delle esigenze di tipo geografico, esse sono solo parzialmente adatte alla flessibilizzazione della moderna rete elettrica. Vi sono inoltre numerose tecnologie alternative, come ad esempio gli accumulatori ad aria compressa e a volano, utilizzabili per l’accumulo dell’elettricità in singoli sottosettori. 

Sono soprattutto la forte riduzione dei costi e la densità energetica relativamente elevata a rendere le batterie agli ioni di litio interessanti anche per l’uso stazionario. 

Costo delle confezioni di batterie agli ioni di litio

«Seconda vita»

Un buon esempio degli effetti spillover è la «seconda vita» della batteria agli ioni di litio. Le batterie che, a causa della perdita di capacità dovuta all’invecchiamento, non sono più idonee all’impiego nelle auto elettriche vengono riutilizzate come accumulatori stazionari di energia. Nella «seconda vita» esse fungono quindi da accumulatori di energia elettrica nei centri di elaborazione dati e di telecomunicazione o nelle case private con impianto solare. Quando hanno raggiunto la fine del loro ciclo di vita, le batterie agli ioni di litio possono essere ampiamente riciclate. Tuttavia, la relativa industria è ancora in fase iniziale. 

L’idrogeno come jolly della transizione energetica

Nonostante i progressi compiuti, la tecnologia degli ioni di litio da sola non è in grado di risolvere le sfide della transizione energetica nella mobilità. È qui che entra in gioco l’idrogeno. Il maggior vantaggio dell’idrogeno è rappresentato dalla sua flessibilità. Il potenziale campo d’applicazione dell’idrogeno come accumulatore di energia è estremamente ampio e va dall’uso diretto come materia prima nell’industria all’impiego come accumulatore di energia mobile o stazionario combinato con la cella di combustibile, fino ai combustibili sintetici a base di idrogeno con bilancio di CO₂ neutro (Power-to-X). All’elemento chimico più comune nell’universo spetta quindi, in un certo senso, il ruolo del jolly nella transizione energetica. 

L’idrogeno non dovrebbe essere utilizzato tanto come concorrente diretto dei supporti di accumulo alternativi come le batterie, ma piuttosto come tecnologia complementare da impiegare laddove i dispositivi alternativi di accumulo dell’energia sono meno indicati a causa di svantaggi specifici. 

Tale ambito è costituito in primo luogo, oltre che dalla decarbonizzazione dell’industria pesante, dall’elettrificazione del trasporto pesante. I propulsori basati su batteria si scontrano qui con i loro limiti, dovuti alla loro minore densità energetica e alla loro dimensione e al loro peso conseguentemente maggiori: il propulsore a celle di combustibile è molto più compatto e leggero. Ciò rende possibili maggiori carichi e maggiori autonomie di percorrenza – vantaggi decisivi nel trasporto pesante e nel trasporto pubblico di persone. Lo sviluppo di autocarri e autobus alimentati a celle di combustibile è conseguentemente molto avanzato. 

Power-to-X come sostitutivo dei combustibili fossili

Nel settore aerospaziale e marittimo, i carburanti sintetici a base di idrogeno costituiscono un’alternativa ai combustibili fossili. Questa tecnologia, denominata Power-to-Liquid, permette di produrre un carburante sintetico che può alimentare i tradizionali motori a combustione interna partendo da idrogeno verde con bilancio di CO₂ neutro. Il vantaggio è evidente: l’infrastruttura esistente può essere riutilizzata, con notevole riduzione dei costi di decarbonizzazione. 

Se invece l’idrogeno verde viene trasformato in gas a bilancio di CO₂ neutro, come il gas naturale sintetico e il metano, si parla di Power-to-Gas. Questa tecnologia offre un grande potenziale nel campo dell’accumulo di energia a lungo termine. Anche in tale contesto si può continuare a utilizzare largamente l’infrastruttura esistente. In questo modo l’energia può essere conservata per lunghi periodi, pressoché senza perdite, nei serbatoi di gas esistenti e trasportata su lunghe distanze tramite la rete del gas.

Costi elevati

La produzione di idrogeno verde è costosa, a causa della domanda finora relativamente modesta e degli effetti di scala conseguentemente limitati. Per ovviare a questo svantaggio cruciale è necessario rafforzare il sostegno normativo, che potrebbe incentivare la domanda e favorire lo sviluppo di un’ampia industria dell’idrogeno. Ne conseguirebbe una riduzione dei prezzi e una maggiore competitività dell’idrogeno rispetto alle fonti alternative di approvvigionamento energetico. Il circolo virtuoso in tal modo attivato potrebbe contribuire a un’ampia affermazione dell’idrogeno come accumulatore di energia.