Energy Vault, la “batteria a gravità”: proviamo a ragionarci

Ultimo aggiornamento: 2022/01/03 18:40.

Ad Arbedo-Castione, a una quarantina di chilometri dal Maniero Digitale, c’è l’impianto pilota di Energy Vault. L’idea è semplice e intrigante: 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 termiche) per sollevare e accatastare delle masse e poi calare lentamente queste masse, generando così energia elettrica.

Immagine tratta da questo video di Energy Vault.

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 energia e la rilasci quando serve.

Il sistema dimostrativo di Energy Vault, che è stato completato a luglio 2020 ed è connesso alla rete elettrica svizzera, è descritto in dettaglio dall’azienda qui: una gru a tre bracci doppi e simmetrici, alta circa 60 metri, solleva e impila grandi masse inerti (da 35 tonnellate ciascuna e 35.000 tonnellate in totale, secondo questo video di Energy Vault, a 00:46 e 1:34) per accumulare energia potenziale e poi cala queste masse per sfruttarne l’energia per produrre elettricità con un’efficienza dichiarata del 90%.

Rispetto a un bacino idroelettrico di pompaggio, che si basa sullo stesso principio di portare a monte una massa per poi farla scendere a valle, questa tecnica ha una compattezza estrema che consente di piazzarla praticamente ovunque e senza richiedere trasformazioni radicali dell’ambiente, come per esempio dighe o altre opere ingegneristiche massicce, che possono rendere impraticabile o socialmente inaccettabile un sistema di accumulo di energia idroelettrico perché modificano il paesaggio, distruggono habitat o obbligano allo spostamento di popolazioni.

Rispetto alle batterie chimiche ad altissima capacità che si stanno sviluppando in vari paesi, come la Hornsdale Power Reserve da 100 MW/129 MWh di Tesla in Australia, già attiva dal 2017, la soluzione di Energy Vault ha il vantaggio di usare masse inerti, quindi prive di qualunque rischio significativo di incendi o inquinamento, di basso costo (addirittura è possibile usare materiali di scarto) e longeve (prive di deterioramento).

Ma ci sono alcune obiezioni interessanti:

• La massa necessaria va fabbricata, ed è tanta (almeno un migliaio di blocchi per ogni impianto, a giudicare dalle animazioni presentate finora da Energy Vault), e questo ha un impatto ambientale: i blocchi che vengono spostati devono infatti essere durevoli e robusti. Quanto inquinamento si genera nel fabbricarli?
  
• I blocchi vengono semplicemente accatastati, senza alcun legame strutturale a parte due perni di incastro alla base di ciascun blocco: quanto è stabile una torre del genere? In caso di eventi sismici, possono esserci delle conseguenze?
• I blocchi vengono sollevati, accatastati e calati usando lunghe funi: il vento che effetto ha su quello che è in sostanza un enorme pendolo? Sarà possibile accatastare con precisione i blocchi durante le giornate di forte vento? Che succede se un blocco va a sbattere contro la catasta?
• Quanto pesa la massa complessiva della catasta? 35.000 tonnellate, come dichiarato nel video dell’azienda? Ha bisogno di terreni o fondamenta particolari?
  

Non ho trovato finora molti dati tecnici precisi sulle caratteristiche di questo impianto. Ogni blocco, secondo Energy Vault, rappresenta “circa 1 MW di energia potenziale” (“each of the bricks representing ~1MW [sic; forse intendevano MWh?] of potential energy”). Secondo quanto riportato da Swissinfo, la torre attuale è alta appunto 60 metri e una torre da 120 metri può accumulare 35 MWh di energia elettrica, sufficienti ad alimentare per otto ore da due a tremila abitazioni.

C’è anche un video di Energy Vault che propone una struttura alternativa: non più a catasta libera ma a griglia. L’Energy Vault Resiliency Center è un edificio relativamente basso e molto ampio contiene i blocchi (da 30 tonnellate ciascuno) e li solleva lungo binari. Questo risolverebbe il problema del vento e della stabilità, ma farebbe aumentare sia i costi della struttura, che dovrebbe sopportare il peso di tutti i blocchi sollevati, sia lo spazio occupato al suolo. Questo video di Energy Vault ne annuncia il deployment iniziale nella seconda metà del 2021 (a 1:53).

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Quanta energia si produce con questa tecnica? Provo a partire dai princìpi di base. Una tonnellata di massa (acqua, ferro, cemento o qualunque altro materiale) alzata di un metro acquisisce un’energia potenziale di 9810 joule, ossia 2,72 Wh. Sì, avete letto bene: meno di tre Wh. Vuol dire che usare un asciugacapelli da 1 kW per un’ora (1 kWh) equivale a sollevare un’utilitaria (diciamo da 1000 kg) per circa 370 metri (se non ho sbagliato i conticini; controllatemeli, per favore).

La formula alla base di questo calcolo è quella classica dell’energia potenziale:

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

Semplificando e se non ho perso qualche zero per strada, i 35 MWh dichiarati da Energy Vault per la torre alta 120 metri equivarrebbero a calare da 120 metri d’altezza fino al suolo ben 110.000 tonnellate.

Se ogni blocco pesa 35 tonnellate, come dichiarato dall’azienda, significa dover movimentare circa 3100 di questi blocchi (110.000/35=3142), su distanze fino a 120 metri ciascuno, accelerandoli e frenandoli, nel giro di otto ore: circa 390 blocchi l’ora, ossia circa 7 blocchi al minuto. Con una gru a sei bracci che lavorano contemporaneamente, significa avere meno di un minuto per calare e incastrare con precisione ogni blocco, evitando collisioni all’arrivo. E questo al netto di attriti e inefficienze varie, inevitabili in qualunque meccanismo.

Dico circa 3100 blocchi perché soltanto i blocchi in cima alla catasta avranno il valore massimo di energia potenziale; quelli sottostanti ne avranno progressivamente di meno, man mano che diminuisce la loro altezza dal suolo. Sto sbagliando qualcosa?

A questo punto, però, non capisco come un blocco possa “rappresentare circa 1 MW [sic]”. Se si tratta di un refuso al posto di MWh, allora per avere un’energia potenziale di 1 MWh scendendo di 120 metri quel blocco dovrebbe avere una massa di 3100 tonnellate. Chiaramente c’è qualcosa che non torna.

Su suggerimento di un commentatore (grazie pgc) aggiungo un’altra perplessità: ogni blocco da 35 tonnellate che viene calato ha una velocità iniziale zero, poi accelera e infine frena fino ad azzerare la propria velocità. Questo vuol dire che l’erogazione di energia del singolo blocco non è costante ma è fortemente variabile: come farà il sistema a equilibrare tutti questi alti e bassi? Servirà un sistema di recupero dell’energia estremamente flessibile. Che succede se il complesso balletto di blocchi pesanti come un TIR si inceppa per qualunque motivo, tipo un cavo da sostituire o un blocco che dondola nel vento e va stabilizzato? 

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In attesa che qualcuno più bravo di me verifichi questi conticini, va considerato un altro aspetto. Esiste già un materiale a bassissimo impatto ambientale, disponibile in abbondanza, che si può usare (e si usa) per accumulare energia: è l’acqua. Se si scava un bacino sotterraneo (invece di sbarrare una valle con una diga) e lo si riempie d’acqua dotandolo di una condotta forzata in fondo, si crea un accumulo di energia potenziale sfruttabile. Invece di accatastare blocchi di cemento o altri materiali inerti, si solleva l’acqua e la si rimette nel bacino. Questo è il principio delle centrali idroelettriche a ciclo chiuso. 

Si potrebbe obiettare che l’acqua ha una densità minore di un blocco di materiale solido, per cui viene istintivo pensare che i blocchi di Energy Vault dovrebbero essere molto più compatti di un sistema idroelettrico equivalente: ma un metro cubo d’acqua ha una massa di circa 1000 kg, mentre un metro cubo di cemento ha una massa di circa 2500 kg, per cui in realtà una massa d’acqua equivalente a quella di una torre di Energy Vault ha un volume due volte e mezza maggiore: non dieci o venti volte, ma due e mezza.

Il guadagno in compattezza, insomma, non è sensazionale come si potrebbe invece pensare. Blocchi di materiale più denso migliorerebbero questo rapporto (in ferro sarebbero otto volte più compatti; in piombo oltre undici), ma sarebbero enormemente più costosi.

L’acqua non è soggetta a scheggiature da impatto; non è afflitta da corrosione; non si deteriora per invecchiamento; non ha bisogno di essere accatastata con precisione. Per contro, richiede un recipiente che la contenga e impedisca perdite e infiltrazioni. Quel “recipiente” potrebbe danneggiarsi in caso di eventi sismici, con costi di riparazione potenzialmente altissimi. 

A parte tutto questo, dai dati emerge un fatto spesso trascurato: le masse da spostare per generare tramite gravità l’energia di cui abbiamo bisogno sono enormi. Real Engineering ha pubblicato un bel video (in inglese) dedicato alla centrale a ciclo chiuso di Turlough Hill, in Irlanda, in funzione da oltre 40 anni, che ha un dislivello di 286 metri e un bacino superiore di 2,3 milioni di metri cubi. Quando i suoi quattro generatori da 73 MW sono in funzione al massimo, attraverso le sue condotte scorrono oltre cento tonnellate d’acqua al secondo, e bastano cinque ore e mezza di funzionamento per prosciugare completamente il bacino.

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C’è anche la questione dei costi. Secondo i dati di Energy Vault, ci vuole appunto una torre da 120 metri per avere un accumulo di 35 MWh al costo di circa 9,3 milioni di dollari. La batteria australiana di Hornsdale, da 129 MWh (3,7 volte maggiore), è costata 65 milioni di dollari; un impianto equivalente di Energy Vault ne costerebbe (secondo l’azienda) circa 35 milioni. Sarebbe decisamente conveniente rispetto alle batterie.

Ma se si fa il confronto con il costo di un impianto idroelettrico a ciclo chiuso le cose cambiano parecchio: un grande impianto da 24.000 MWh di accumulo come quello di Bath County, in Virginia, è costato 3,8 miliardi di dollari. Per farne uno analogo con il sistema di Energy Vault servirebbero (stando ai dati dichiarati dall’azienda) 685 torri da 120 metri l’una, al costo complessivo di 6,3 miliardi di dollari: quasi il doppio. C’è dunque un motivo per cui il 95% dell’accumulo energetico mondiale è basato sull’idroelettrico: costa meno.

Sempre stando ai dati di Energy Vault, per alimentare Lugano (67.000 abitanti, 40.700 abitazioni) per otto ore servirebbero grosso modo da tredici a venti torri da 120 metri l’una. 

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Dove sta quindi il vantaggio della soluzione di Energy Vault? Sembra costare meno di un impianto a batterie, ma non sembra scalabile. È più modulare e adatto ai piccoli impianti? Rende più facile ottenere approvazioni e permessi rispetto a un bacino idroelettrico sotterraneo? Come si risolvono le obiezioni tecniche? 

Ne avevamo discusso informalmente nei commenti a questo articolo a ottobre scorso: proviamo a parlarne in dettaglio nei commenti qui sotto, sulla scorta dei dati tecnici che ho raccolto. Ho contattato l’azienda per chiedere un commento pubblicabile. 

Trovate analisi dettagliate in questo articolo su Quartz (2018, in inglese)

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