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Ormai non c’è giorno in cui si eviti di parlare di cambiamenti climatici: l’argomento è sulla bocca di tutti, c’è chi ritiene sia solo una bufala inventata dai poteri forti per distogliere l’attenzione da problemi più seri e c’è chi dice sia di fondamentale importanza rendersi conto del problema.
Scrivendo su un blog di energie rinnovabili e cronaca ambientale, non posso che far parte del secondo gruppo. Vi dirò di più, sono un fermo sostenitore della teoria che dice che se non ci sarà un netto calo delle emissioni di anidride carbonica nei prossimi dieci anni, le guerre per mancanza di cibo, acqua e risorse in generale, saranno sempre più frequenti. Uno scenario apocalittico.
Giusto per fare un riassunto, voglio spiegare con alcuni dati, presi in prestito da recenti report ufficiali di gruppi intergovernativi (e quindi super partes), come l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) e la IEA (International Energy Agency), la situazione in cui ci troviamo.
Dall’inizio della rivoluzione industriale fino ai giorni nostri, la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera è passata da 300 a 420 parti per milione (i famosi ppm, di cui leggiamo quando si parla di inquinamento delle città). Vuol dire che 420 particelle ogni milione sono di CO2, un gas serra che causa, insieme ad altri, l’aumento delle temperature a livello globale.
Proprio la temperatura, nello stesso arco di tempo, è cresciuta di + 1.2 °C, una differenza che potrebbe sembrare ridicola, ma che influisce drasticamente su diversi fenomeni terrestri che portano a drastici cambiamenti climatici. Per i fan del ” il clima è ciclico, i cambiamenti climatici avvengono SOLO per cause naturali”, gli studi della Commissione Europea nell’artico, tramite carotaggi nel ghiaccio, mostrano che il livello di anidride carbonica nell’atmosfera segue perfettamente la stessa curva dell’aumento di temperatura. Quando i ghiacci si sciolgono, rilasciano il metano e la CO2 presenti al loro interno, aumentando considerevolmente i livelli già alti di gas serra.
Insomma, stiamo vivendo la cosiddetta “Boiling Frog Syndrome“: i cambiamenti climatici ci sono, sono stati studiati e confermati, ma i loro effetti si mostrano lentamente, così che noi non ce ne rendiamo conto. E’ esattamente ciò che succede a una rana immersa in un pentolino di acqua che viene progressivamente scaldata: la rana apprezzerà quell’aumento di temperatura ma finirà per morire bollita dopo un po di tempo.
Che collegamento c’è tra il cambiamento climatico e l’energia prodotta dalle batterie?
Ma questo articolo parla di energia e di batterie. Come sono collegati questi due aspetti con il cambiamento climatico? Il consumo di energia, in tutte le sue forme (calore, elettricità) e per tutti gli scopi che circondano le nostre vite quotidiane, è responsabile di circa il 68% del totale delle emissioni.
La produzione di elettricità è il singolo fattore più impattante. E’ da fine XIX secolo che bruciamo combustibili fossili per i nostri fabbisogni energetici. La domanda di energia cresce esponenzialmente, spinta dai paesi in via di sviluppo che presto avranno finalmente standard di vita come i nostri. Ma questa sete di energia sta inevitabilmente modificando il pianeta su cui viviamo. Una transizione energetica basata su fonti di energia rinnovabili è oggi più che mai necessaria se vogliamo avere una minima speranza di contrastare il riscaldamento globale.
Dai più recenti studi dell’Agenzia Internazionale per l’Energia emerge che del totale dell’elettricità prodotta globalmente, il 65.1 % viene ancora da fonti fossili (38.3% carbone, 23.1% gas naturale e 3.7% petrolio). Quasi due terzi di tutta l’elettricità generata emette sostanze dannose durante il processo di combustione. Sfortunatamente, solo il 5.6% proviene da fonti rinnovabili e il nucleare ha ancora una grossa fetta di produzione, con il 10.4%, ma sebbene abbia i suoi conosciuti limiti, è una fonte di energia che non produce anidride carbonica durante il processo di generazione di elettricità.
Come favorire allora la transizione energetica verso fonti rinnovabili, come l’eolico e il solare?
Anche pannelli solari e turbine eoliche sono associati a degli impatti ambientali quando producono elettricità: sebbene non producano gas serra durante il processo di generazione, perché non bruciano nessun carburante, la costruzione degli impianti richiede lavorazioni che producono emissioni dannose per l’ambiente.
Ad esempio, per produrre i pannelli solari sono necessari dei procedimenti energivori, e l’elettricità richiesta viene prodotta tramite un mix di fonti, che non per forza sono rinnovabili. Lo stesso si può dire delle turbine eoliche, le quali hanno differenti componenti che devono essere prodotti e trasportati sul luogo di installazione: ad ogni step è associato un quantitativo di energia.
Quindi, sebbene le fonti rinnovabili non siano proprio a impatto zero, sono le fonti di energia che inquinano di meno quando c’è da produrre elettricità. Il problema di vento e sole è l’intermittenza con cui sono disponibili. La rete elettrica richiede energia 24 ore su 24 poiché la frequenza di 50 Hz deve essere mantenuta il più possibile stabile, per evitare malfunzionamenti della rete stessa.
Ma le energie rinnovabili da sole non possono garantire questo flusso continuo di elettricità, perché ne il vento ne il sole sono sempre disponibili e quindi altre fonti di elettricità più tradizionali devono essere impiegate. Ed è qua che le batterie sono viste come la possibile tecnologia vincente per far incrementare la penetrazione delle fonti rinnovabili nel mix energetico globale.
Le batterie come tecnologia vincente verso un mondo energeticamente sostenibile
Perché? Le batterie, come noto, sono in grado di accumulare energia elettrica e rilasciarla quando necessario. Teoricamente, in questo modo, parchi eolici e solari potrebbero riuscire ad assicurare un funzionamento continuo della rete. Nel caso si verifichi un eccesso di produzione di fonti rinnovabili, questo potrebbe essere stoccato in batterie di grosse dimensioni e rilasciato quando la domanda non può essere coperta solo da energie pulite.
Allo stesso tempo, questa strategia richiede grandi installazioni rinnovabili che inevitabilmente occupano grosse porzioni di terra e/o d’acqua, riducendo la fruibilità di questi territori. A livello domestico, questo tipo di soluzione esiste già: la più famosa batteria per la casa è sicuramente la Tesla Powerwall che, collegata ai pannelli solari presenti sul tetto di una villetta, è in grado di aumentare l’autoconsumo dell’energia prodotta dagli stessi.
In questo modo, se si collegassero tra di loro diverse abitazioni fornite di pannelli solari associati a una batteria, si potrebbe creare quella che in gergo viene chiamata Virtual Power Plant (VPP). Una VPP ha la stessa funzione di una centrale elettrica ma è molto più flessibile perché unisce diversi punti strategici di produzione abbinandoli con il bisogno elettrico delle abitazioni.
Se io sto producendo un determinato quantitativo di elettricità con i miei pannelli solari a mezzogiorno ma sono in ufficio, l’energia prodotta può essere direttamente utilizzata dal mio vicino di casa o immagazzinata per caricare il mio veicolo elettrico quando torno dal lavoro. E’ una visione ancora leggermente futuristica e comunque limitata a certe condizioni, ma in pochi anni gli ingegneri sperano di poter contare su questo tipo di progetti per l’avanzamento delle città intelligenti.
Quando parliamo di energie rinnovabili, subito ci si illuminano gli occhi. Ma come abbiamo visto, anche turbine eoliche e pannelli solari hanno degli impatti ambientali, seppur ridotti rispetto alle fonti tradizionali, quando producono energia elettrica. Qual è la situazione riguardante le batterie? Di seguito, verranno elencate le tipologie di batterie per lo stoccaggio dell’energia elettrica ora in commercio, e saranno analizzate dai punti di visti economico, delle performance e degli impatti ambientali.
Tipologie di batterie
- LCO (Lithium Cobalt Oxide)
Le batterie al litio che sfruttano l’ossido di cobalto per completare il catodo, hanno una energia specifica piuttosto alta che le rende ideali per applicazioni dove le dimensioni ridotte sono una priorità: cellulari, portatili e camere digitali.
L’anodo é di grafite. Hanno una vita utile relativamente bassa, una bassa stabilitá termica e una limitata capacità di carica. Recentemente, questo tipo di batterie ha perso molto consenso in favore di altre tipologie che vedremo in seguito, specialmente per l’alto costo del cobalto e le più alte performances offerte da altri tipi di catodo.
Riguardo all’impatto ambientale però, sono le batterie che hanno possono contare sul più basso tra quelle in commercio. In termini di Potenziale di Riscaldamento Globale (GWP), si stima che per produrre una batteria LCO, si emettano in atmosfera circa 55 kg di anidride carbonica per ogni kWh di capacitá della batteria stessa.
- LFP (Lithium Iron Phosphate)
Gli accumulatori al litio ferro fosfato presentano buone qualità elettromagnetiche con basse resistenze. I benefici chiave di questa proprietà sono buona stabilità termica, maggior sicurezza e tolleranza nel caso di forti impatti, valori trasmissibili di corrente elevati e una vita utile maggiore. Se mantenute ad alto voltaggio, le LFP sono più tolleranti in condizioni di carica completa, rispetto ad altre batterie al litio. Il lato negativo è la bassa energia specifica rispetto al catodo in cui viene usato il cobalto.
Come le altre batterie, basse temperature riducono le performances e temperature alte ne riducono la durata. Vengono usate preferibilmente per lo stoccaggio di energia elettrica e il loro uso sta crescendo limitatamente. Hanno un GWP molto più alto delle LCO, piú del triplo ed uguale a 161 kg di anidride carbonica per ogni kWh di capacitá.
- LMO (Lithium Manganese Oxide)
Se il catodo, oltre al litio, viene completato con un ossido di manganese, la batteria prende l’acronimo di LMO. In questo caso, la resistenza interna della batteria è più bassa di quelle viste finora, permettendo una più facile manipolazione di alti valori di corrente. Sebbene il numero di cicli effettuabili sia ristretto, e quindi la vita utile di questa tipologia di accumulatori sia limitata, hanno un’alta stabilità termica e una maggiore sicurezza.
Inoltre, la bassa resistenza interna permette di caricare e scaricare la batteria in tempi molto brevi. Le LMO vengono usate principalmente per sviluppare macchine utensili come i trapani e per strumenti medici, ma anche nei veicoli elettrici. Rispetto alle LCO, le LMO hanno circa un terzo della capacità di stoccaggio energetico. La flessibilità del design di questo tipo di batterie, permette agli sviluppatori di massimizzare le prestazioni in base a ciò che essi vogliono prediligere: longevità, massima corrente di carico o alta capacità di stoccaggio. Riguardo agli impatti ambientali, le LMO si possono mettere sullo stesso piano delle LCO, in quanto si stima che per ogni kWh di capacità installato, siano prodotti circa 55 kg di anidride carbonica.
- NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide)
Il mix di nickel, cobalto e alluminio, aggiunti al litio formano il catodo delle batterie NCA. L’aggiunta dell’alluminio da stabilità chimica all’accumulatore. Sono batterie con un’alta energia specifica, una buona potenza e una vita utile ragionevolmente lunga.
Sono un poco meno affidabili in termini di sicurezza e il loro costo è leggermente più alto rispetto alle altre batterie analizzate. Per queste proprietà, vengono ritenute ottime candidate per il gruppo propulsore dei veicoli elettrici. Hanno un ottimo potenziale, si stanno espandendo considerevolmente e sono utilizzare da Panasonic e Tesla, tra gli altri. Nonostante il profilo lusinghiero che è stato descritto, le NCA hanno degli impatti ambientali circa due volte superiori alle LCO e LMO, con 98 kg di CO2 emessi durante la produzione della batteria per ogni kWh di capacità.
- NCM (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide)
L’ultimo tipo di batterie al litio analizzato sono le NCM, o NMC. Il catodo ottenuto con i materiali elencati è ritenuto tra le migliori combinazioni possibili. I sistemi che derivano da queste batterie possono essere utilizzati come celle ibride, il loro market share sta crescendo e vengono usate nell’ambito industriale, per le bici elettriche e per le macchine elettriche. Il segreto sta tutto nella combinazione Nickel-Manganese che seguono la stessa analogia di sodio e cloro, tossici se presi singolarmente ma che combinati formano il sale da cucina.
Il Nickel ha un’ottima energia specifica ma bassa stabilità. Di contro, il manganese ha una bassa resistenza interna che lo rende stabile, ma offre una ridotta energia specifica. È una delle tecnologie che verrà sicuramente implementata anche per lo stoccaggio di energia da fonti rinnovabili. Purtroppo, allo stesso tempo, sono molto inquinanti e seconde solo alle LFP, con 155 kg di CO2 per ogni kWh di energia accumulabile.
Quindi, per ogni kWh di stoccaggio, in media 100 kg di CO2 vengono emessi in atmosfera. La più classica delle batterie Tesla ha una capacità di 13,5 kWh, per la quale gli impatti ambientali in termini di anidride carbonica sono allora di circa una tonnellatta e mezza durante il processo di produzione. Non sono valori trascurabili ed è per questo che, almeno personalmente, considero che nel caso di piccole e grandi installazioni rinnovabili + energy storage, bisognerebbe prima analizzare nel dettaglio i possibili impatti ambientali dell’implementazione di queste tecnologie. E’ stato affrontato solamente il problema dal punto di vista ambientale, ma la fabbricazione delle batterie ha un impatto elevatissimo anche a livello sociale: le materie prime necessarie nell’assemblamento del catodo, sono per lo più estratte in Africa, in delle condizioni brutali per i lavoratori.
Con questo articolo, non si vuole demonizzare l’uso delle batterie, elemento utile per la transizione energetica globale, ma far comprendere anche i lati negativi di questa tecnologia, che possono essere sicuramente migliorati! Adattando migliori condizioni lavorative e migliorando i processi di fabbricazione, si potranno ottenere ottimi risultati che serviranno per l’espansione di uno strumento che ci potrebbe tornar utile nei prossimi decenni.
