Aria compressa: un nuovo modo per accumulare l’energia?

Sappiamo bene che l’energia è una delle risorse più importanti per la vita moderna, ma sappiamo anche che purtroppo la sua disponibilità non è sempre costante. In particolare, le fonti rinnovabili per la produzione di energia non sono né programmabili, né prevedibili, poiché risentono dell’andamento di fattori esterni, quali irraggiamento, vento e precipitazioni. Ciò significa che, nella maggioranza dei casi, è davvero difficile che la quantità di energia prodotta sia esattamente pari al fabbisogno. È molto più probabile, invece, che essa sia inferiore o addirittura superiore alla quantità richiesta… E non di poco! Per questo motivo, risulta fondamentale accumulare l’energia, quando viene prodotta in eccesso, per poi renderla nuovamente disponibile quando ce n’è bisogno. Questo compito spetta ai cosiddetti “sistemi di accumulo dell’energia”. In questo articolo, parleremo di un tipo particolare di questi sistemi, ancora in fase di sperimentazione: i sistemi di accumulo dell’energia ad aria compressa, chiamati anche più semplicemente CAES.

Aria compressa: principio di funzionamento

Innanzitutto, gli impianti CAES sfruttano l’energia in eccesso, prodotta dalle fonti rinnovabili, per azionare un motore elettrico che mette a sua volta in rotazione un albero, al quale è calettato un compressore (o un treno di compressori), che comprime l’aria proveniente dall’ambiente esterno, aumentandone così la pressione.

La legge dei gas perfetti

Secondo la legge dei gas perfetti, infatti, la pressione di un gas è inversamente proporzionale al volume occupato dal gas stesso. L’aria compressa viene successivamente stoccata in un serbatoio d’accumulo. Tali serbatoi possono essere realizzati in vari materiali, come acciaio o fibra di vetro, a seconda delle esigenze di pressione e volume, ma è altresì possibile immagazzinare l’aria all’interno di cavità sotterranee, bombole ad alta pressione o addirittura serbatoi subacquei.

Infine, quando l’energia è richiesta, l’aria compressa accumulata viene convogliata verso la turbina (o un treno di turbine), tramite la quale si ottiene lavoro meccanico, facendo espandere l’aria, che torna così a pressione ambiente. Infine, l’energia meccanica così ottenuta viene convertita in energia elettrica tramite un alternatore, calettato sullo stesso albero dove si trova la turbina, e poi viene immessa in rete.

Non solo vene modificata la pressione ma anche la temperatura

A questo punto, è bene precisare che il compressore non si limita soltanto ad aumentare la pressione dell’aria, ma anche la sua temperatura. Tuttavia, non è conveniente stoccare l’aria compressa ad alta temperatura, poiché, secondo la legge dei gas perfetti, il volume, oltre ad essere inversamente proporzionale alla pressione, è allo stesso tempo direttamente proporzionale alla temperatura. Pertanto, risulta opportuno sottoporre l’aria compressa ad un raffreddamento isobaro (cioè a pressione costante), prima di immagazzinarla.

In questo modo, infatti, a parità di volume del serbatoio d’accumulo, è possibile contenere una maggiore quantità di gas. Quando poi arriverà il momento di far espandere l’aria in turbina, essa subirà prima un riscaldamento isobaro, che aumenterà il contenuto entalpico dell’aria compressa e quindi il quantitativo di energia da essa estraibile.

Alla luce di questo aspetto, in base alla modalità con cui sono effettuati il raffreddamento prima ed il riscaldamento dopo, i sistemi di accumulo ad aria compressa possono essere di tipo adiabatico oppure diabatico. Scopriamo subito quali sono le differenze.

Differenza tra gli impianti adiabatici (A-CAES) e quelli diabatici (D-CAES) per l’aria compressa

Negli impianti di tipo adiabatico, dall’aria in uscita dal compressore viene estratta l’energia termica, la quale viene poi immagazzinata come riserva in un apposito serbatoio d’accumulo. Dopodiché, quando l’energia è richiesta, si utilizza quel calore accumulato al fine di riscaldare l’aria compressa, prima che raggiunga la turbina, per mezzo di uno scambiatore di calore.

Nei sistemi di tipo diabatico, invece, l’aria compressa, prima di essere immagazzinata, attraversa un refrigeratore, dove viene raffreddata. Successivamente, il riscaldamento, precedente l’espansione in turbina, avviene all’interno di una camera di combustione, alimentata a sua volta da un opportuno combustibile.

Il sistema adiabatico, in termini di rendimento complessivo, è più efficiente del sistema diabatico, poiché utilizza la stessa energia termica, generata durante la fase di compressione, per riscaldare l’aria prima della fase di espansione. Il sistema adiabatico, invece, ha un rendimento complessivo inferiore, poiché la spesa necessaria per ottenere l’effetto utile non è data soltanto dal lavoro compiuto dal compressore, ma anche dal calore fornito alla camera di combustione, il quale è a sua volta direttamente proporzionale alla massa di combustibile inserito. Tuttavia, sebbene l’aggiunta del combustibile sia effettivamente un costo in più da pagare, il sistema diabatico consente di regolare a piacimento la temperatura dell’aria compressa in uscita dalla camera di combustione, in modo da aumentare conseguentemente il quantitativo di energia estraibile dall’espansione del gas in turbina.

Stato dell’arte dell’accumulo attraverso l’aria compressa

Diverse sono le parti del mondo in cui si stanno sviluppando progetti di impianti CAES. Ad esempio, la compagnia francese Engie ne sta portando avanti uno, sfruttando le miniere di sale esistenti come serbatoi di accumulo. Allo stesso modo, in Australia c’è il progetto di accumulo dell’energia ad aria compressa di Hydrostor, che utilizza serbatoi di accumulo sottomarini. Sebbene questi sistemi siano in fase sperimentale e non siano quindi ancora in commercio, è comunque già possibile trovare alcuni esempi di impianti CAES in funzione, come quello di Huntorf in Germania o quello di McIntosh in Alabama, negli Stati Uniti.

Vantaggi e svantaggi

I sistemi di accumulo dell’energia ad aria compressa presentano sicuramente degli ottimi vantaggi, tra cui la flessibilità, l’affidabilità, la sicurezza, la facilità di manutenzione e persino la capacità di immagazzinare grandi quantità di energia. Inoltre, l’aria compressa può essere facilmente prodotta da fonti di energia rinnovabile, quali i pannelli solari o le pale eoliche. Tuttavia, vi sono anche degli svantaggi.

Uno dei principali svantaggi è il basso rendimento complessivo. La compressione e la decompressione dell’aria, infatti, comportano perdite di energia termica e di pressione, riducendo così l’efficienza del sistema. Inoltre, l’aria compressa è soggetta a perdite, poiché, con il passare del tempo, essa tende ad espandersi e a fuoriuscire dal serbatoio di accumulo. Infine, i costi di costruzione e di manutenzione degli impianti CAES possono arrivare ad essere particolarmente elevati.

In ogni caso, la scelta della tecnologia di accumulo dell’energia dipende dalle specifiche esigenze del contesto in cui viene utilizzata. Ogni tecnologia ha i suoi vantaggi ed i suoi svantaggi e la scelta deve essere fatta sulla base di una valutazione accurata delle esigenze dell’applicazione e dei fattori economici e ambientali.

A cura di Marco Luciani