Rinnovabili e reti, il matrimonio del secolo

La crescita delle rinnovabili non programmabili e lo sviluppo delle reti oggetto di un Workshop organizzato da ISES Italia e AIEE

Le rinnovabili elettriche in Italia: un doppio costo o una scelta strategica per lo sviluppo del Paese? Questo il tema del Workshop “L’integrazione delle rinnovabili nelle reti” , organizzato da ISES Italia e AIEE, tenutosi ieri presso la Sala Conferenze del GSE. Sono intervenuti i principali soggetti chiamati, sin d’ora, a dare una risposta al pressante interrogativo. Presenti erano, infatti, Luciano Barra (MSE – Segreteria Tecnica Dipartimento Energia), Massimo Ricci (AEEG – Direttore Mercati per l’Energia Elettrica e il Gas), Stefano Conti (TERNA – Direttore Affari Istituzionali), oltre ai rappresentanti degli operatori di mercato, tra cui ENEL, EGL e le associazioni di categoria per le fonti rinnovabili HFV, APER e ANEV.

Obiettivo principale: fare un punto della situazione per progettare l’immediato futuro. A 10 anni di distanza dall’introduzione del meccanismo di incentivazione dei certificati verdi (2002) e a 7 anni dal primo Conto Energia (2005), le nuove fonti rinnovabili elettriche (eolico, fotovoltaico, bioenergie) non solo si sono inserite nel sistema, ma hanno fatto registrare crescite di potenza installata tali da scatenare le reazioni degli attori di mercato tradizionali. Raggiunta oramai la maturità, le FER devono fare i conti con la propria capacità di integrazione nella rete. Un problema che riguarda soprattutto le tecnologie che hanno riscosso il maggior successo, ovvero eolico e fotovoltaico, caratterizzate, per loro natura e in modi diversi, da non programmabilità ed intermittenza della produzione.

I grandi parchi, da una parte, e la generazione distribuita, dall’altra, stanno, di fatto, mettendo alle strette il sistema. È noto che, con il trend positivo di installazioni e una produzione in continuo aumento, alcune scelte debbano essere prese nell’immediato, per risolvere i problemi legati alla crescita degli oneri per il bilanciamento ed agli investimenti per il potenziamento delle reti.

Questi costi, infatti, vanno a sommarsi ai costi per l’incentivazione della produzione. Ne scaturisce un doppio costo per sostenere le FER, che va a finire sulle spalle dell’utente finale (oneri di sistema) e che, per forza di cose, non potrà crescere all’infinito. D’altra parte gli impianti  tradizionali, programmabili, oltre a essere al momento insostituibili per la funzione di bilanciamento che svolgono, soffrono di una mancata produzione, per via della priorità di dispacciamento di cui godono le fonti rinnovabili.

La questione, dunque, è facile da porre quanto delicata da risolvere: frenare gli investimenti in impianti a fonti rinnovabili non programmabili o continuare ad incentivarli, mettendo mano alle tasche anche per lo sviluppo delle opportune infrastrutture di supporto?

Due dati, richiamati durante il convegno, anche se non nel loro quantum, si riportano all’attenzione:

1) Componente A3 degli oneri di sistema (incentivi alle fonti rinnovabili e assimilate). Secondo i dati AEEG I trimestre 2012, per la famiglia-tipo la componente A3 pagata in bolletta elettrica ammonta a 58 €/anno.

2) Obiettivo nazionale per il 2020 di energia da fonti rinnovabili. Al settore elettrico il PAN assegna l’obiettivo del 26,4% di energia elettrica da fonti rinnovabili sul consumo interno lordo al 2020. Nel periodo 2005-2010 si è riusciti a passare dal 16,3% al 20,1%. Mancano ancora i dati aggregati e normalizzati per il 2011, ma con eolico e fotovoltaico, che da soli hanno superato i 18 TWh di produzione (nel 2010 sono stati 11 TWh) e che continuano a crescere a ritmi sostenuti, non è difficile intuire che si è già prossimi all’obiettivo con 8 anni di anticipo.

Se le considerazioni di ordine economico, in ottica costi-benefici, sono il punto di partenza della discussione, è chiaro che le decisioni devono maturare all’interno di una visione strategica di lungo periodo. Il che significa darsi degli obiettivi oltre il 2020.

Intanto il quarto Conto Energia, progettato per incentivare il fotovoltaico fino al 2016, toccherà entro la prossima estate il tetto massimo di spesa, fissato dal MSE in 6-7 miliardi di Euro. Le altre FER elettriche, già incentivate con certificati verdi e tariffa onnicomprensiva, continueranno ad essere incentivate dopo il 2012 con nuove tariffe onnicomprensive (come da ultima bozza del decreto attuativo del D. Lgs. 28/2011).

Una spesa finanziata dalle bollette destinata ad aumentare ed un obiettivo che molto probabilmente verrà superato fanno pensare, allora, ad una revisione della linea dettata dal PAN. Il comparto elettrico, avviato con successo verso le rinnovabili, potrebbe essere chiamato a sopperire con una percentuale ancora maggiore del 26,4% alle deficienze degli altri comparti, termico  e trasporti, al fine di raggiungere il 17% complessivo al 2020.

Il settore trasporti, in particolare, oltre a preoccupare per l’attuale ritardo sulla traiettoria che fra 8 anni dovrebbe portare a coprire il 10,1% dei consumi finali da FER, è interessato dal dibattito sulla mobilità elettrica che, a detta del Sottosegretario del MATTM Tullio Fanelli, intervenuto a chiusura dei lavori, potrebbe rappresentare per l’Italia una riscossa tecnologica, portando il Paese a recitare un ruolo da leader mondiale per gli accumuli in batteria. Una richiesta che proviene tanto dal mondo della ricerca, fortemente impegnata in questi anni su questo tema, tanto dallo sviluppo impetuoso delle rinnovabili elettriche non programmabili.

Che il futuro sia rappresentato dalle reti intelligenti che accompagneranno la transizione alla generazione distribuita, non è un mistero. Che le fonti rinnovabili possano integrarsi perfettamente nel sistema distribuito e che, al contrario, il loro impiego nel sistema centralizzato sia stato un errore, viste le ripercussioni sulle reti attuali, è poco discutibile. Che oggi si concentrino gli sforzi per rendere almeno “prevedibili” le fonti non programmabili e per sviluppare sistemi di accumulo a costi sostenibili, è più che ragionevole. Ciò che deve guidare il decisore nelle sue scelte sono le stesse ragioni per le quali si è giunti sino a questo punto. Il traguardo di un sistema elettrico che garantisca maggiore sicurezza, maggiore indipendenza e minore impatto ambientale rispetto a quello attuale.

Il Ministero dell'Ambiente pubblica gli esiti della consultazione pubblica sul Decreto Ministeriale FER X, chiusa lo scorso settembre. Dai 46 soggetti partecipanti emerge l'esigenza di conoscere per tempo tutte le informazioni utili alla programmazione degli investimenti nelle rinnovabili. Chiesti chiarimenti sul processo autorizzativo e sulle tempistiche

Decreto FERX, nuovi spunti di riflessione

Servono maggiori informazioni sui coefficienti sul prezzo d’aggiudicazione, sui criteri di priorità, sulla documentazione per l’accesso al meccanismo e sulle tipologie di interventi ammessi. In particolare quando si tratta di progetti di “rifacimento” e “potenziamento”. Queste alcune delle principali richieste emerse dalla consultazione pubblica sul Decreto FERX. La scorsa estate il Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza energetica aveva pubblicato lo schema del provvedimento per una raccolta di pareri da parte degli stakeholder, con l’obiettivo di condividerne le logiche. Oggi il MASE rende noti gli esiti di tale consultazione puntando i riflettori sugli spunti e le richieste emerse da parte dei 46 soggetti partecipanti. 

Gli esiti della consultazione pubblica

Ricordiamo che il Decreto FERX nasce con lo scopo di definire un meccanismo di supporto espressamente dedicato ad impianti a fonti rinnovabili con costi di generazione vicini alla competitività. Come? Tramite contratti CfD a valere sull’energia elettrica prodotta dagli impianti. Con un accesso diretto per quelli di taglia inferiore al MW, e tramite aste al ribasso per quelli di taglia uguale o superiore al MW. Ed è proprio su queste due modalità che arrivano le prime considerazioni.

Per la maggior parte dei soggetti che hanno risposto alla consultazione, il contingente di 5 GW per gli impianti FER ad accesso diretto non sarebbe sufficiente, soprattutto vista la grande attenzione che stanno ricevendo al livello di investimento i sistemi di piccola taglia.

Per quanto riguarda l’accesso tramite asta, invece, il parere generale condivide i contingenti individuati, che secondo l’ultima bozza pubblicata oggi sarebbero: per il fotovoltaico 45 GW; per l’eolico di 16,5 GW; per l’idroelettrico di 630 MW; per i gas residuati 20 MW. “Tuttavia – si legge nel documento del MASE – congiuntamente alla risposta positiva sono state proposte diverse modifiche (aumento di uno specifico contingente, creazione di nuovo contingente, meccanismi di riallocazione della potenza non assegnata, ridefinizione dei contingenti al fine di favorire lo sviluppo dei PPA, etc.)”. Tra gli spunti emersi c’è la proposta di contingenti separati tra il fotovoltaico a terra e sul tetto.

Proposti nuovi requisiti di accesso e tempistiche

In tema requisiti d’accesso, alcuni soggetti chiedono l’incremento della soglia di potenza per l’accesso diretto, l’aggiunta dei criteri ESG, la reintroduzione del requisito specifico che attesti la capacità finanziaria ed economica di chi partecipa al meccanismo del Decreto FERX.

“Con riferimento ai tempi massimi individuati per la realizzazione degli interventi, la consultazione ha evidenziato un forte distaccamento con le aspettative degli operatori. Per quanto detto diversi soggetti propongono per una o più fonti l’innalzamento dei tempi previsti, chiedendo di tenere in considerazione parametri quali, la potenza e/o la tipologia d’intervento, l’ottenimento dei titoli autorizzativi, i tempi di realizzazione della connessione e quelli dovuti agli approvvigionamenti, che sottolineano, potrebbero oltretutto determinare un aumento dei costi, visto anche i meccanismi incentivanti”, si legge ancora nel documento.

Per i tempi di comunicazione della data d’entrata in esercizio dell’impianto, emerge nel complesso l’esigenza di un prolungamento, aggiungendo da più 60 giorni a 12 mesi. Viene anche evidenziata una certa contrarietà all’obbligo per gli operatori di impianti rinnovabili non programmabili che stipula un contratto CfD ad abilitarsi alla fornitura dei servizi di dispacciamento.

Un gruppo di scienziati del KAIST ha sviluppato una batteria a ioni di sodio ad alta energia, ad alta potenza e di lunga durata

Quando le batteria a ioni sodio incontrato i supercondensatori a ioni sodio

Arriva dalla Corea del Sud la prima batteria ibrida al sodio in grado di battere la tecnologia a ioni di litio a mani basse. Con ottime prestazioni lato di capacità di accumulo, potenza, velocità di carica e durata, come dimostra l’articolo pubblicato sulla rivista scientifica Energy Storage Materials (testo in inglese).

Nel 2020 le batterie a ioni sodio (Na+) hanno raggiunto prestazioni comparabili a quelle degli ioni di litio in termini di capacità e durata del ciclo in condizioni di laboratorio. Da allora il segmento ha continuato a macinare grandi progressi, spinto dall’esigenza globale di trovare una tecnologia di accumulo più economica delle ricaricabili al litio e meno dipendente dalle attuali catene di approvvigionamento dei materiali critici. L’ultimo grande risultato nel campo è quello segnato da un gruppo di scienziati del KAIST, il Korea Advanced Institute of Science and Technology.

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Il team guidato dal professor Jeung Ku Kang del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha messo a punto una batteria ibrida agli ioni di sodio dalle prestazioni eccellenti e in grado di ricaricarsi in pochi secondi. Il segreto? Un’architettura che integra materiali anodici propri delle batterie con catodi adatti ai supercondensatori.

Batteria ibrida al sodio, prestazioni record

In realtà non si tratta di un approccio nuovo. Gli stoccaggi ibridi con Na+ sono emersi negli ultimi anni come una promettente applicazione nel campo dell’energy storage in grado di superare i punti deboli degli accumulatori a ioni di sodio più conosciuti.

Tradizionalmente questo metallo è usato e studiato in due tipi di dispositivi di stoccaggio: batterie e condensatori. Le prime, come spiegato poc’anzi, forniscono oggi una densità di energia relativamente elevata ma sono caratterizzate da una lenta cinetica di ossidoriduzione, che si traduce in una bassa densità di potenza e una scarsa ricaricabilità. I secondi invece hanno un’elevata densità di potenza dovuta all’accumulo di carica tramite rapido adsorbimento di ioni superficiali, ma una densità di energia estremamente bassa.

Tuttavia unire le due tecnologie impiegando catodi di tipo condensatore e degli anodi di tipo batteria, non ha dato subito i risultati sperati. La causa è da ricercare soprattutto nello squilibrio cinetico tra i due tipi di elettrodi.

Nuovi materiali per catodo e anodo

Per arginare il problema il team sudcoreano ha utilizzato sviluppato un nuovo materiale anodico con cinetica migliorata attraverso l’inclusione di materiali attivi fini nel carbonio poroso derivato da strutture metallo-organiche. Inoltre, ha sintetizzato un materiale catodico ad alta capacità e la combinazione dei due ha consentito lo sviluppo di un sistema di accumulo di ioni sodio che ottimizza l’equilibrio e riduce al minimo le disparità nei tassi di accumulo di energia tra gli elettrodi.

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La cella completamente assemblata supera per densità di energia le batterie commerciali agli ioni di litio e presenta le caratteristiche della densità di potenza dei supercondensatori. Nel dettaglio la batteria ibrida al sodio si ricarica rapidamente e raggiunge una densità di energia di 247 Wh/kg e una densità di potenza di 34.748 W/kg. Inoltre gli scienziati hanno registrato una stabilità del ciclo con efficienza Coulombica pari a circa il 100% su 5000 cicli di carica-scarica.

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.