Il futuro del sistema elettrico italiano tra punti di forza e debolezze

Marangoni (Althesys): “Servono segnali di prezzo efficaci per aiutare chi investe in rinnovabili e per rendere flessibile il sistema elettrico. Bisogna ridurre le distorsioni generate da un mercato concepito ormai vent’anni addietro".

Il sistema elettrico potrebbe registrare criticità nell’adeguatezza di breve periodo

L’energia pulita, la tutela del clima e la concorrenza sono frenate da un mercato elettrico ormai superato dalla trasformazione della struttura industriale e tecnologica del settore. È quanto emerso nel corso del webinar “Il futuro del sistema elettrico italiano”, secondo appuntamento dell’Irex Annual Report 2020, che si è svolto oggi. L’Irex Annual Report, giunto alla dodicesima edizione, è lo studio con cui Althesys analizza l’andamento del settore elettrico in Italia, delle aziende attive nelle energie rinnovabili, degli investimenti e dei titoli delle pure renewable quotate in Borsa. L’edizione 2020 è stata presentata in due web conference, in luogo del tradizionale convegno presso il GSE. La prima sessione, sulle strategie delle aziende, si è svolta il 9 giugno; l’evento odierno è stato riservato all’esame del sistema elettrico e delle strategie nazionali.

“Servono segnali di prezzo efficaci per aiutare chi investe in rinnovabili e per rendere flessibile il sistema elettrico – ha detto Alessandro Marangoni, ceo di Althesys, a capo del team di ricerca. – Bisogna ridurre le distorsioni generate da un mercato concepito ormai vent’anni addietro. Il recepimento degli indirizzi europei sul mercato interno dell’energia elettrica sarà un’opportunità per innovare, ma poi bisognerà andare oltre. L’obiettivo – ha aggiunto l’economista – è mettere in pratica quel piano energia e ambiente che, dal confronto internazionale, appare fra i più avanzati in Europa”.

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Il nostro Paese ha infatti deciso di dare l’addio al carbone nel 2025, molto prima della Germania (2038) e della Spagna (2030), mentre la Francia, pur prevedendo un phase out più ravvicinato (2022), è alle prese con la lunga e complessa gestione delle centrali nucleari. “L’Italia – ha commentato l’economista – si pone all’avanguardia nella corsa alla decarbonizzazione del sistema energetico, con un piano di chiusura delle centrali a carbone entro cinque anni, ma restano aperte diverse questioni che il sistema energetico è chiamato ad affrontare. Prima fra tutte quella degli impianti di generazione, delle reti e degli accumuli, per le quali è necessario uno sblocco autorizzativo al fine di accelerare i progetti”.

Marangoni ha anche evidenziato che il sistema elettrico italiano potrebbe registrare criticità nell’adeguatezza di breve periodo, specie in estate, nel caso di picchi consistenti, che non potranno essere garantiti dalle centrali termoelettriche sostenute dal capacity market prima del 2022.

Confronto europeo – Il Report di Althesys ha comparato i piani nazionali energia-clima di quattro Paesi, Italia, Francia, Germania e Spagna, per esaminare le strategie dei governi in merito alla decisione di rendere l’Unione Europea climaticamente neutrale entro il 2050.

L’Italia, nel suo percorsodi chiusura degli impianti a carbone, la cui conclusione è prevista per il 2025, conferma gli obiettivi per le rinnovabili al 30% (elettriche al 55%, termiche al 33,9%). Il PNIEC italiano privilegia il fotovoltaico, con complessità per la sicurezza del sistema e per i segnali di prezzo dati al mercato.

La Spagna è più ambiziosa per quota di energia rinnovabili nel mix energetico: il Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 prevede la dismissione del carbone nel 2030, il che colloca il Paese iberico tra i primi al mondo, con il suo 42,1% da fonti non programmabili e rinnovabili elettriche all’85%.

La Francia, nel Plan National Intégré Énergie-Climat che vede il 44% dei consumi primari coperti dal nucleare, mira a un contributo delle rinnovabili pari al 33%.

Il piano della Germania, consegnato a Bruxelles appena pochi giorni fa, evidenzia invece come il Paese sia partito in ritardo, a causa delle dispute interne sull’abbandono del carbone, che copre tuttora oltre il 30% della capacità. Gli obiettivi per il 2030 prevedono un ricorso alle FER elettriche del 65% e per le rinnovabili termiche del 27%.

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Forze e debolezze del sistema elettrico italiano

Il sistema elettrico italiano già nel 2021 potrebbe avere un deficit di capacità nel periodo estivo, a fronte di un picco di domanda di 63 GW. Al tempo stesso, l’emergenza sanitaria ha mostrato un sistema elettrico affidabile, flessibile nonostante una drastica riduzione dei carichi tra marzo, aprile e maggio. Proprio in questo periodo è stato toccato il nuovo minimo storico, inferiore a 17 GW, registrato lunedì 13 aprile.
La decarbonizzazione richiede comunque di rafforzare le infrastrutture di rete e sviluppare gli accumuli, sia batterie che pompaggi idroelettrici. Nei prossimi 20 anni più di un terzo degli investimenti nel settore elettrico in tutta Europa sarà rivolto proprio alle reti, per un ammontare di circa 1.100 miliardi di euro.

A questo bisognerà affiancare un ripensamento del market design, introducendo novità, come per esempio i prezzi dinamici o il superamento del PUN, date le criticità evidenziate dalle analisi del modello NET di Althesys. Gli accumuli vedono il mercato ancora in fase di avvio, dati gli alti costi di investimento e una regolazione in evoluzione.

Le nuove tecnologie consentiranno, poi, di ripensare lo scenario energetico futuro, con lo sviluppo di biometano, P2G e idrogeno che potranno dare un contributo alla decarbonizzazione sia con l’immissione in rete che favorendo la mobilità sostenibile.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

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“.