Alimentare la transizione energetica con uno stoccaggio migliore

“La domanda generale per me è come decarbonizzare la società nel modo più conveniente”, afferma Nestor Sepulveda SM ’16, Ph.D. ’20. Come postdoc al MIT e ricercatore presso la MIT Energy Initiative (MITEI), ha lavorato con un team per diversi anni per indagare quale mix di fonti energetiche potesse raggiungere al meglio questo obiettivo. Gli studi iniziali del gruppo suggerivano la “necessità di sviluppare tecnologie di accumulo di energia che possano essere impiegate in modo conveniente per durate molto più lunghe rispetto alle batterie agli ioni di litio”, afferma Dharik Mallapragada, ricercatore presso il MITEI.

In un nuovo articolo pubblicato su Energia della natura, Sepulveda, Mallapragada e colleghi del MIT e della Princeton University offrono una valutazione completa dei costi e delle prestazioni del ruolo delle tecnologie di accumulo di energia a lunga durata (LDES) nella trasformazione dei sistemi energetici. LDES, un termine che copre una classe di diverse tecnologie emergenti, può rispondere alla produzione variabile delle energie rinnovabili, scaricando elettroni per giorni e persino settimane, fornendo resilienza a una rete elettrica pronta a distribuire energia solare ed eolica su larga scala.

“Se vogliamo fare affidamento in modo schiacciante sull’energia eolica e solare per l’elettricità, il modo sempre più conveniente per ridurre le emissioni di carbonio, dobbiamo fare i conti con la loro intermittenza”, afferma Jesse Jenkins, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e l’Andlinger Center per l’Energia e l’Ambiente all’Università di Princeton ed ex ricercatore al MITEI.

Nel loro articolo, i ricercatori hanno analizzato se LDES abbinato a fonti di energia rinnovabile e opzioni di stoccaggio dell’energia di breve durata come le batterie agli ioni di litio potrebbe effettivamente alimentare una transizione massiccia ed economica verso una rete decarbonizzata. Hanno anche studiato se LDES potrebbe anche eliminare la necessità di fonti energetiche disponibili su richiesta o fisse a basse emissioni di carbonio come l’energia nucleare e il gas naturale con cattura e sequestro del carbonio.

“Il messaggio qui è che le tecnologie LDES innovative e a basso costo potrebbero potenzialmente avere un grande impatto, rendendo un sistema elettrico profondamente decarbonizzato più conveniente e affidabile”, afferma l’autore principale Sepulveda, che ora lavora come consulente con McKinsey and Company. Ma, osserva, “Faremo comunque meglio a mantenere solide fonti di energia a basse emissioni di carbonio tra le nostre opzioni”.

Oltre a Jenkins e Mallapragada, i coautori dell’articolo includono Aurora Edington SM ’19, assistente di ricerca del MITEI all’epoca di questa ricerca e ora consulente presso The Cadmus Group; e Richard K. Lester, professore dell’industria siderurgica giapponese e rettore associato al MIT, ed ex capo del Dipartimento di scienze e ingegneria nucleare.

“Mentre il mondo inizia a concentrarsi più seriamente su come raggiungere obiettivi di decarbonizzazione profondi nei prossimi decenni, le intuizioni di questi studi a livello di sistema sono essenziali”, afferma Lester. “Ricercatori, innovatori, investitori e responsabili politici trarranno tutti vantaggio dalla conoscenza dei costi e degli obiettivi di prestazioni tecniche suggeriti da questo lavoro”.

Prestazioni e costi

Il team ha deciso di valutare l’impatto delle soluzioni LDES in ipotetici sistemi elettrici che riflettono le condizioni del mondo reale, in cui le tecnologie vengono esaminate non solo in base ai loro attributi autonomi, ma anche in base al loro valore relativo quando confrontate con altre fonti di energia.

“Dobbiamo decarbonizzare a un costo accessibile per la società e volevamo sapere se LDES può aumentare le nostre probabilità di successo riducendo al contempo il costo complessivo del sistema, date le altre tecnologie in competizione nello spazio”, afferma Sepulveda.

Per raggiungere questo obiettivo, il team ha implementato un modello di espansione della capacità del sistema elettrico, GenX, precedentemente sviluppato da Jenkins e Sepulveda mentre erano al MIT. Questo strumento di simulazione ha permesso di valutare il potenziale impatto sul sistema dell’utilizzo delle tecnologie LDES, comprese le tecnologie attualmente in fase di sviluppo e altre che potrebbero essere potenzialmente sviluppate, per diversi scenari futuri di reti elettriche a basse emissioni di carbonio caratterizzati da attributi di costo e prestazioni della generazione rinnovabile, diversi tipi di imprese di produzione, nonché proiezioni alternative della domanda di elettricità. Lo studio, afferma Jenkins, è stato “il primo uso estensivo di questo tipo di metodo sperimentale per applicare l’incertezza parametrica su larga scala e l’analisi a livello di sistema a lungo termine per valutare e identificare obiettivi target relativi a costi e prestazioni per lo stoccaggio di energia a lungo termine emergente. tecnologie”.

Per il loro studio, i ricercatori hanno esaminato una serie di tecnologie di lunga durata, alcune supportate dal programma Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, per definire i costi plausibili e gli attributi di prestazioni dei futuri sistemi LDES basati su cinque parametri chiave che comprendono una gamma di approcci meccanici, chimici, elettrochimici e termici. Questi includono l’accumulo di energia idroelettrica pompata, batterie a flusso redox al vanadio, batterie a flusso acquoso di zolfo e accumulatori termici riscaldati con mattoni refrattari, tra gli altri.

“Pensa a una vasca da bagno, dove il parametro della capacità di accumulo di energia è analogo al volume della vasca”, spiega Jenkins. Continuando l’analogia, un altro parametro importante, la capacità di carica, è la dimensione del rubinetto che riempie la vasca, e la capacità di scarica, la dimensione dello scarico. Nella versione più generalizzata di una tecnologia LDES, ogni attributo del sistema può essere dimensionato indipendentemente. Nell’ottimizzare un sistema energetico in cui la tecnologia LDES funziona come “un contributore economicamente interessante a una rete a basso costo e senza emissioni di carbonio”, afferma Jenkins, i ricercatori hanno scoperto che il parametro che conta di più è il costo della capacità di stoccaggio dell’energia.

“Per una valutazione completa della progettazione della tecnologia LDES e del suo valore economico per le reti decarbonizzate, abbiamo valutato quasi 18.000 casi distintivi”, spiega Edington, “che abbracciano le variazioni del carico e la disponibilità di risorse rinnovabili, i climi delle latitudini settentrionali e meridionali, diverse combinazioni di tecnologie LDES e Parametri di progettazione LDES e scelta di risorse di produzione a basse emissioni di carbonio concorrenti.”

Alcuni dei punti chiave dell’analisi rigorosa dei ricercatori:

• Le tecnologie LDES possono offrire una riduzione di oltre il 10% dei costi dei sistemi elettrici profondamente decarbonizzati se il costo della capacità di stoccaggio dell’energia (il costo per aumentare le dimensioni della vasca da bagno) rimane al di sotto della soglia di $ 20/kilowattora. Questo valore potrebbe aumentare al 40% se il costo della capacità energetica delle tecnologie future viene ridotto a $ 1/kWh e fino al 50% per le migliori combinazioni di parametri modellati nello spazio. A scopo di confronto, l’attuale costo della capacità di accumulo di energia delle batterie è di circa $ 200/kWh.
• Dati gli attuali modelli di domanda di elettricità prevalenti, il costo della capacità energetica LDES deve scendere al di sotto di $ 10/kWh per sostituire l’energia nucleare; affinché LDES sostituisca completamente tutte le opzioni energetiche fisse, il costo deve scendere al di sotto di $ 1/kWh.
• In scenari con un’ampia elettrificazione dei trasporti e altri usi finali per raggiungere obiettivi di decarbonizzazione profonda a livello di economia, sarà più difficile alle latitudini settentrionali spostare la generazione di aziende in qualsiasi probabile combinazione futura di costi e gamma di prestazioni di efficienza per le tecnologie LDES note. Ciò è dovuto principalmente alla maggiore domanda di elettricità di picco derivante dal fabbisogno di riscaldamento nei climi più freddi.

Approfondimenti fruibili

Mentre le scoperte nel campo dell’energia da fusione, dell’energia nucleare di prossima generazione o della cattura del carbonio potrebbero scuotere i loro modelli, i ricercatori ritengono che le intuizioni del loro studio possano avere un impatto in questo momento.

“Le persone che lavorano con LDES possono vedere dove si inserisce la loro tecnologia nel futuro mix di elettricità e chiedono: “Ha senso economico dal punto di vista del sistema?'”, afferma Mallapragada. “Ed è un invito all’azione nella politica e agli investimenti nell’innovazione, perché mostriamo dove si trovano le lacune tecnologiche e dove vediamo il massimo valore per le scoperte della ricerca nello sviluppo della tecnologia LDES.”

Non tutte le tecnologie LDES possono superare l’asticella in questo spazio di progettazione, né si può fare affidamento su LDES come mezzo esclusivo per espandere rapidamente l’energia eolica e solare nel breve termine o per consentire una transizione completa verso un’economia a zero emissioni di carbonio entro il 2050.

“Mostriamo quanto potrebbero essere promettenti le tecnologie LDES”, afferma Sepulveda. “Ma dimostriamo anche che queste tecnologie non sono l’unica soluzione e che stiamo ancora meglio con loro che integrano le risorse aziendali”.

Jenkins spia immediatamente opportunità di mercato di nicchia per LDES, come luoghi con molto vento e solare dispiegati e limiti alla trasmissione per esportare quell’energia. In tali luoghi, lo spazio di archiviazione potrebbe riempirsi quando la trasmissione è al limite ed esportare energia in un secondo momento, massimizzando l’uso della capacità della linea elettrica. Ma le tecnologie LDES devono essere pronte ad avere un impatto importante entro la fine degli anni 2030 e 2040, entro il quale potrebbe essere necessario eliminare completamente le economie dalla dipendenza dal gas naturale se si vuole che la decarbonizzazione abbia successo.

“Dobbiamo sviluppare e implementare LDES e migliorare altre tecnologie a basse emissioni di carbonio in questo decennio, in modo da poter presentare alternative reali ai responsabili delle politiche e agli operatori dei sistemi energetici”, afferma.

Alla luce di questa urgente necessità, Jenkins di Princeton e Mallapragada del MIT stanno ora lavorando per valutare e far progredire le tecnologie con il maggior potenziale nei settori dello stoccaggio e dell’energia per accelerare l’obiettivo di zero emissioni di carbonio. Con l’aiuto di ARPA-E e MITEI, stanno rendendo il modello di pianificazione del sistema elettrico GenX all’avanguardia uno strumento open source anche per uso pubblico. Se il loro approccio alla ricerca e alla modellazione può mostrare agli sviluppatori e ai responsabili politici quale tipo di design ha il maggior impatto, afferma Sepulveda, “Potremmo avere un sistema decarbonizzato meno costoso del sistema odierno se facciamo le cose nel modo giusto”.