“Magmagen”: una nuova tecnologia di stoccaggio energetico?

di Ugo Bardi

Il concetto del sistema di stoccaggio energetico proposto da Lloyd Energy Systems. Il loro sito è sparito da internet, ma si trova qualche dato sul loro sistema in un articolo di Big Gav su “The Oil Drum”. L’idea è di utilizzare un materiale portato ad alta temperatura come riserva di energia termica da utilizzare poi per operare una turbina. E’ un concetto al quale Stefano Cianchetta ha dato il nome di “Magmagen” (su un’idea di Massimo Ippolito l’inventore del Kitegen).

A proposito di stoccaggio energetico, uno si potrebbe anche domandare a cosa serve. Se il primo principio della termodinamica dice che l’energia non si crea e non si distrugge, allora che problema c’è?

Putroppo, quello che ci frega è il secondo principio della termodinamica. E’ vero che l’energia non si distrugge ma si degrada. Ovvero, diventa di qualità sempre più bassa finché non ci serve più a niente. Il principio dice che in ogni trasformazione che implica un passaggio di energia, se ne perde un po’ in forme non utilizzabili – ovvero in forma di calore a bassa temperatura. Per esempio, il calore emesso da un motore di automobile è energia perduta che non serve alla trazione. Non lo possiamo usare per far funzionare un altro motore.

E, ahimé, questo è un problema con le rinnovabili. Siamo perfettamente in grado di creare energia di alta qualità  con le rinnovabili- energia elettrica, per esempio. Ma non possiamo immagazzinarla senza perderne una parte. Ci sono molte tecnologie di stoccaggio; alcune sono molto efficienti ma costose, altre poco costose ma inefficienti. Al momento, il miglior sistema che abbiamo per immagazzinare l’energia rinnovabile è probabilmente quello idroelettrico – pompare l’acqua in un bacino a una certa altezza e poi usarla per far andare una turbina idraulica. Costa poco e l’efficienza è discreta, intorno al 70% , anche se poi bisogna tener conto di un sacco di fattori che la riducono in pratica. Il problema, in ogni caso,  è che ci vogliono montagne e bacini adatti, cose che non si trovano ovunque.

Ora, se la perdita di energia utile che si ha nella trasformazione è in forma di energia termica, sembrerebbe che l’idea più scema che potrebbe venirci in testa sarebbe di immagazzinare l’energia elettrica trasformandola in calore. Si, però teniamo conto che la qualità dell’energia termica dipende dalla temperatura. Più è alta la temperatura, più alta la qualità dell’energia, nel senso che se ne può tirar fuori del lavoro utile. Il principio di Carnot, che è strettamente correlato al secondo principio della termodinamica, ci dice che l’efficienza di una macchina termica dipende dalla differenza di temperatura all’ingresso e in uscita. Allora, se abbiamo una temperatura sufficientemente alta in ingresso, è possibile convertire l’energia termica in elettrica con buona efficienza e – in teoria – la cosa potrebbe essere interessante per immagazzinare energia.

In effetti, esiste (o esisteva) almeno una ditta (“Lloyd energy systems”) che sostiene di aver costruito un sistema del genere. Dopo l’annuncio che hanno fatto tempo fa, sono spariti da Internet, il che non la dice bene su di loro e sul loro sistema. Comunque, il fatto che ci siano stati vuol dire che, perlomeno, qualcuno ha pensato seriamente a questa idea. Secondo quanto riportato da Big Gav su “The Oil Drum” il concetto è di usare grossi cubi di grafite scaldati o direttamente dall’energia solare, oppure mediante resistenze elettriche. La temperatura viene detta essere 800 gradi C in un caso, 1800 gradi C in un altro. Con delle condutture di vapore, a partire da queste temperature si fanno funzionare delle turbine a vapore che generano energia elettrica.

Il concetto è fisicamente plausibile, si tratta di vedere con quale efficienza lavora in pratica. Sul sito di Lloyd energy system si parlava del “40% di efficienza”, il che è ragionevole per una turbina a vapore. Ma questa non è l’efficienza di sistema, che deve includere le inevitabili perdite di trasmissione da e verso i cubi di grafite. E poi, c’è un altro problema: se questo è un sistema di stoccaggio, vuol dire che deve operare “on demand.” E se deve operare “on demand”, vuol dire che deve stare fermo quando non serve. Ma se hai degli arnesi a 1800 gradi, questi necessariamente perdono calore via via che passa il tempo, anche se non li usi. Quindi, quanto è l’efficienza pratica del sistema? Difficilmente potrebbe essere meglio del 20%-30% e mi sembrano valori ottimistici. Magari qualcuno ha calcolato che un sistema del genere potrebbe essere redditizio in termini economici. Forse, ma certamente non è una cosa entusiasmante. Anche con il 30% di efficienza, in 2 cicli hai già perso più del 90% dell’energia che avevi.

Certo, però, si potrebbe pensare di fare di meglio. Se la qualità dell’energia dipende dalla temperatura, perché non scaldare i cubi di grafite a temperature più elevate? Perché non portarli a 3000 o 4000 gradi? Questo non aumenterebbe l’efficienza?

Ahimé; purtroppo le cose non sono così facili. Un problema è che un corpo emette energia in proporzione alla quarta potenza della sua temperatura. Scaldare gli accumulatori di calore a temperature molto elevate vorrebbe dire aumentare vertiginosamente le perdite. Ma, a parte questo, c’è un problema fondamentale; che è quello di lavorare in pratica a temperature del genere.

Non esiste nessun motore termico che funzioni con una temperatura in ingresso di 3000 gradi – non esistono materiali in grado di resistere a lungo a temperature del genere mantenendo proprietà meccaniche ragionevoli. Anche ammesso che si possa mantenere il cubo di grafite a 3000 gradi, comunque serve a poco perché in ogni caso devi trasferire questo calore verso un motore termico. E il meglio che si possa fare in un motore termico reale, per esempio una turbina a gas, è di lavorare con temperature del gas dell’ordine dei 1400 gradi e anche così ci vogliono materiali speciali, superleghe e ceramiche, che costano un botto. Forse si potrebbe fare di meglio usando gas inerti come fluido di lavoro ma, insomma, certo non si può fare tantissimo di più.

Ora, una turbina a gas ha un efficienza intorno al 40% da sola, un po’ di più se è grande. Se la turbina a gas è accoppiata con una turbina a vapore, il sistema viene detto “turbina a ciclo combinato” e può avere un’efficienza intorno al 60%. Se riuscissimo ad accoppiare una turbina del genere con i cubi di grafite portati a 1800 C, potremmo avere efficienze del genere. Il che è un miglioramento rispetto al 40% di cui parlava la Lloyd Systems, ma non è che sia poi la rivoluzione. E ti rimane il problema fondamentale: che quando il sistema non produce, perde energia per conduzione termica e questo riduce l’efficienza.

Ma la cogenerazione, non potrebbe aumentare l’efficienza di questo sistema? Beh, questa potrebbe essere una buona idea. Siccome questi sistemi perderebbero comunque un bel po’ di energia termica, questa energia si potrebbe utilizzare per altre cose, riscaldamento di edifici, processi industriali, eccetera.

Però, anche qui non possiamo aspettarci miracoli. La cogenerazione implica dei costi e bisogna che l’utente del calore in eccesso si trovi a poca distanza dal sistema che lo genera. In pratica, un “magmagen” dovrebbe essere un sistema di grandi dimensioni per limitare le perdite dovute al rapporto superficie-volume. E  più di un certo numero di utenti non ci possono stare intorno alle distanze che servono. E’ lo stesso problema delle centrali nucleari: hanno basse efficienze e un sacco di calore residuo da buttar via. Ma avete mai visto una centrale nucleare che funziona in cogenerazione? No, perché sono troppo grosse. Il magmagen avrebbe probabilmente problemi simili.

Alla fine, questi ragionamenti non vogliono demolire l’idea di uno stoccaggio energetico basato sulle alte temperature. Se il sistema è ben progettato e ben gestito, potrebbe avere delle applicazioni utili – ma non lo si pensi come una soluzione generalizzata al problema. Lo stoccaggio energetico rimane costoso, anche se fattibile dal punto di vista tecnologico. Al momento, del resto, non ce n’è nemmeno enormemente bisogno. Per il futuro, ci arriveremo gradualmente mediante la flessibilizzazione della domanda.

8 comments ↓

#1 marco on 02.04.11 at 10:39

Vedi, Ugo, oggi se tu parlassi ad una platea di politici e imprenditori con questo linguaggio, ti direbbero non tutti ma molti, che stai semplificando troppo e a seguire tutta una serie di ciancie per nascondersi dietro le loro inettitudini e ignoranze e interessi da retrobottega.
Invece se ti rivolgessi all’autentico popolo libero ancora di ascoltare, pensare e ragionare, ti vorrebbe già non santo o unto dall’Altissimo ma almeno primo ministro.
Bisogna insistere, insistere, insistere.

Luca Mercalli ritiene che il bilustro in corso sia quello ultimo e utile per ottenere l’indulgenza plenaria per i peccati di ingordigia tecno-energetica degli ultimi decenni.
Si sentono già le prime note per l’accordo delle trombe del giudizio finale.
Anche uno che di musica se ne intende come Jovanotti,
ha drizzato le orecchie e consultato i Cherubini suoi avi per attraversare il mar fosco della transizione al postfossile.

Un energico saluto

Marco Sclarandis

#2 Paolo Marani on 02.04.11 at 12:40

Un politico ti risponderebbe… Basta ugo, dammi delle soluzioni, non mi interessa sapere che ogni cosa rappresenta un problema…

Purtroppo non c’è la sensibilità di capire che “qualsiasi” soluzione ingegneristica è sempre frutto di un qualche tipo di tradeoff (compromesso), e che la scelta sta semmai in cosa favorire a discapito di cosa.

A proposito, che ne pensi dello stoccaggio di energia sotto forma di energia cinetica ? A parità di energia immagazzinata forse è più facile costruire una trottola che gira a 100.000 giri, che un cugo di graffite che galleggia a 3000 gradi… che ne dici ?

#3 Mimmo on 02.04.11 at 15:24

Tra l’altro una centrale a ciclo combinato dovrebbe essere grossa per avere un migliore rendimento ma perderebbe la capacità di essere avviata e fermata in tempi rapidi .

#4 Ugo Bardi on 02.05.11 at 11:21

In effetti, i politici ragionano in termini binari: funziona/non funziona; c’è ancora petrolio/non c’è più petrolio. Così, vedono le tecnologie anche quelle in termini binari: “possono le rinnovabili sostituire il petrolio? Risposta: si/no”. Hanno difficoltà a vedere le sfumature; che la risposta sia “si, ma in parte”. Mi fanno sempre venire in mente il film di Benigni “Pole la donna esse’ pari all’omo? Si apre il dibattito…..”

#5 Karagounis78 on 02.05.11 at 17:10

L’idea dello stoccaggio termico, come da te evidenziata, è una fesseria cosmica. Per sprecarla in dispersioni varie tanto varrebbe usarla subito per alimentar qualcosa di inutile (che non dubito si troverebbe).

Per me anche l’idea di stoccare l’elettricità non ha tanto senso. Da ingegnere preferisco pensare a sistemi planetari interconnessi così che il lato diurno produca il surplus energetico necessario al lato notturno in un continuo inseguimento della linea notte-giorno.

@, Paolo arrivi tardi. Lo stoccaggio di energia in un volano è già stato testato nel kers di F1 della Honda 2009.

#6 Nico on 02.06.11 at 14:53

I sistemi di accumulazione di energia inerziale esistono da sempre, sono i volani. Sarebbe ora di rivalutare questa tecnologia per applicazioni domestiche.
http://it.wikipedia.org/wiki/Volano_(batteria)

#7 “Magmagen”: una nuova tecnologia di stoccaggio energetico? on 02.07.11 at 18:04

[…] comunque un bel po’ di energia termica, questa energia si potrebbe utilizzare … Leggi fonte notizia: Notizie correlate:Sal offre una ad alta efficienza termica di stoccaggio di […]

#8 Raimondo on 02.09.11 at 14:57

Una delle conseguenze dei cambiamenti climatici sarà la carenza di acqua dolce.
Anzichè pensare allo stoccaggio dei surplus di energia elettrica da fonte rinnovabile penso che si potrebbero indirizzare verso impiandi di desalizzanzione e di pompaggio dell’acqua in bacini idroelettrici.

La ricerca è sempre la benvenuta ma è opportuno fare una comparazione dei costi/benfici dei sistemi.

Personalmente in quale settore investireste una pare dei vostri risparmi?

Saluti RB