Il sistema elettrico da alcuni anni sta vivendo un’importante trasformazione, innescata dall’interesse verso le tematiche ambientali e lo sviluppo sostenibile, che ha spinto verso una sempre maggiore integrazione di generatori a fonti rinnovabili nella rete elettrica.
La struttura tradizionale del sistema elettrico è fortemente centralizzata e gerarchica: l’energia, prodotta da poche centrali di grande taglia, attraverso la rete di trasmissione, viene portata alla rete di distribuzione, per essere utilizzata dai carichi che sono sostanzialmente passivi. Questa architettura di base sta gradualmente evolvendo verso un sistema di tipo misto, in cui gli utenti non sono più solo carichi passivi, ma possono diventare anche produttori di energia, ovvero prosumer, e le reti di distribuzione diventano anch’esse attive, per la necessità di gestire la presenza di generazione distribuita e nuove tipologie di carichi, per esempio i veicoli elettrici. In questo scenario, diventa fondamentale lo scambio di informazioni tra tutti gli attori in gioco, per individuare istante per istante lo stato della rete e permettere di gestire le diverse unità.
Il risultato ultimo di questa evoluzione sono quindi le smart grid, termine che fa riferimento all'evoluzione verso una rete elettrica che possa integrare in modo intelligente le azioni di tutti gli utenti ad esso connessi, generatori, consumatori e coloro che operano in entrambi i modi, al fine di garantire una fornitura sostenibile, economica e sicura. La generazione distribuita, tipica delle smart grid, rappresenta un nuovo modello di produzione e distribuzione dell’energia elettrica, complementare (e non in contrapposizione) ai tradizionali generatori di grande taglia centralizzati: si compone di generatori elettrici di taglie molto variabili (da pochi kW a MW), spesso alimentati da fonti rinnovabili non programmabili e cogeneratori in grado di produrre sia energia elettrica che calore, connessi alla rete di distribuzione e localizzati in prossimità dei consumatori.
La diffusione della generazione distribuita ha molti vantaggi sia tecnici che sociali, perché può portare ad una riduzione del consumo di energia primaria prodotta da combustibili fossili, e ad una riduzione delle emissioni di gas serra. Se correttamente gestite, le reti di distribuzione attive permettono infatti di ottenere risparmi sia sui costi di produzione, laddove viene utilizzata anche l’energia termica altrimenti dissipata, sia sui costi di trasmissione e distribuzione dell’energia, grazie all’avvicinamento degli impianti di generazione agli utenti e ad una gestione intelligente sia delle unità di produzione che dei carichi, aumentando l’efficienza globale del sistema elettrico. La maggiore flessibilità e la variabilità di taglia permessa ai generatori nella nuova struttura favorisce la diffusione di generatori alimentati da molteplici tipologie di fonte primaria e da fonti rinnovabili.
Questo è importante non solo da un punto di vista ambientale, ma anche in previsione della crescita dei consumi e della riduzione della disponibilità di risorse che potrebbero causare un aumento della dipendenza energetica dall’estero, sia nazionale che europea. In quest’ottica risulta fondamentale sostenere l’obiettivo di un utilizzo razionale e ottimizzato dell’energia primaria.
La trasformazione in atto naturalmente si accompagna ad una serie di criticità. Si possono avere ad esempio congestioni di alcune linee e la necessità di investire in tempi rapidi in potenziamenti della rete, oppure fenomeni di inversione del flusso di potenza dalla rete di distribuzione verso quella di trasmissione, stacchi intempestivi delle protezioni sviluppate in funzione dell’architettura tradizionale, diminuzione della riserva primaria. Queste criticità devono essere affrontate adeguatamente perché non causino una minore sicurezza del sistema elettrico e per permettere di aumentare ulteriormente la penetrazione degli stessi generatori a fonte rinnovabile.
In questo quadro sono componenti strategici per la gestione delle reti di distribuzione attive i sistemi di accumulo di energia, che hanno la capacità di accumulare energia elettrica attraverso la conversione in una altra forma di energia (meccanica, elettrochimica, potenziale, ecc.), permettendo quindi di disaccoppiare temporalmente la fase di produzione dell’energia da quella del consumo. L’energia elettrica, infatti, per sua natura non può essere conservata e questo implica che la quantità di energia prodotta istante per istante dai generatori sia uguale a quella richiesta dai carichi. Se questo obiettivo è facilmente raggiungibile con i generatori controllabili, diventa più difficile man mano che aumenta la presenza di generatori a fonte rinnovabile, la cui produzione dipende dalle condizioni meteorologiche. Per questo motivo, in questo momento, c’è un interesse fortissimo verso le tecnologie di accumulo dell’energia elettrica e, tra tutte, in particolare verso quelle di tipo distribuito, come gli accumulatori elettrochimici. Le possibili applicazioni dei sistemi di accumulo nelle reti di distribuzione sono numerose, dalla compensazione della produzione dei generatori rinnovabili, alla gestione più efficiente dei carichi, ai servizi ancillari, cui si aggiungono le funzioni più tradizionali di back-up e alimentazione di emergenza e la mobilità elettrica.
Queste applicazioni richiedono sistemi di accumulo di diverse taglie, quindi modulari, e con caratteristiche ibride, in grado di rispondere alla richiesta del carico in modo rapido, con una buona potenza specifica ma anche autonomie di qualche ora. Le tecnologie di accumulo elettrochimico possiedono pienamente queste caratteristiche e negli ultimi anni in particolare hanno migliorato considerevolmente le prestazioni, pur avendo ancora un costo specifico elevato che al momento ne limita le installazioni. Lo sviluppo della mobilità elettrica in corso in questi anni, che richiederà l’uso di un quantitativo sempre maggiore di accumulatori per l’alimentazione dei veicoli, sta svolgendo un ruolo fondamentale per lo sviluppo di questi componenti, da un lato accelerando la ricerca di nuove tecnologie e il miglioramento delle prestazioni di quelle già commerciali, dall’altro determinando una rapida diminuzione del costo grazie all’economia di scala.
