Con l’accelerazione della transizione globale verso l’energia rinnovabile, diventa sempre più urgente immagazzinare l’elettricità generata da fonti intermittenti, come l’energia solare ed eolica. La produzione di energia spesso crolla quando tramonta il sole o il vento cala. Allo stesso tempo, la domanda può aumentare in modo inaspettato, mettendo a dura prova le reti elettriche.
A questo scopo arrivano le batterie a gravità, una tecnologia che usa una delle forze più semplici in natura, la gravità, per immagazzinare grandi quantità di energia. Questo approccio, ora sperimentato in varie forme in tutto il mondo, promette di offrire un’alternativa più pulita, più durevole e geopoliticamente flessibile alle batterie agli ioni di litio.
Le fonti di energia rinnovabili, come il sole e il vento, possono fornire enormi quantità di energia, ma i loro output sono volubili. La produzione può scendere quasi a zero quando non splende il sole e soffia il vento. Inoltre, l’ondata di veicoli elettrici (EV) indica un futuro in cui la domanda di elettricità potrebbe salire alle stelle, come si legge su interestingengineering.com.
La rapida espansione delle applicazioni di intelligenza artificiale, che richiedono un’enorme potenza di calcolo, aumenta la posta in gioco per un’energia stabile e affidabile. Le reti tradizionali possono avere difficoltà a far corrispondere gli input rinnovabili fluttuanti con queste crescenti richieste. Quindi, l’accumulo di energia su larga scala, spesso misurato in megawattora (MWh) o gigawattora (GWh), è fondamentale per garantire la disponibilità di elettricità ogni volta che serve.
Una soluzione preferita fino a oggi è stata quella delle batterie agli ioni di litio. Sebbene diffusa e relativamente ben compresa, la tecnologia agli ioni di litio presenta i suoi problemi. L’estrazione del litio e di alcuni elementi rari delle Terre può essere dannosa per l’ambiente e per la società.
Le batterie si degradano nel tempo, perdendo capacità e pongono sfide nel riciclaggio. I loro costi fluttuano con la geopolitica e le dipendenze della catena di fornitura: la Cina attualmente controlla circa il 72% del mercato degli ioni di litio. Questi fattori spingono molti governi e aziende a esplorare alternative che possano funzionare senza fare affidamento pesantemente sui materiali estratti. Ma come funzionano le batterie a gravità?
Una batteria a gravità, al suo interno, sfrutta l’energia potenziale. Ogni volta che viene sollevata una massa, che sia un grande blocco o un volume d’acqua, si investe energia in quella massa. A causa della gravità, l’energia rimane immagazzinata finché l’oggetto non cade. In qualsiasi momento, è possibile lasciarlo scendere in modo controllato, utilizzando un generatore o una turbina per convertire l’energia cinetica verso il basso in elettricità.
A differenza dell’energia chimica nelle batterie, che si degrada in cicli ripetuti, l’energia potenziale gravitazionale non svanisce con il tempo. Finché le parti meccaniche rimangono funzionali, l’energia immagazzinata può essere rilasciata quando necessario.
Le prime forme di accumulo basate sulla gravità esistono da oltre un secolo, poiché i sistemi idroelettrici a pompaggio pompano l’acqua in salita quando l’energia è economica o abbondante e poi la rilasciano in discesa attraverso le turbine quando la domanda di elettricità raggiunge il picco. Il processo può essere altamente efficiente e affidabile, ma richiede una geografia specifica, ovvero serbatoi elevati e grandi bacini idrici, di cui molte regioni sono prive.
D’altro canto, le batterie a gravità che utilizzano pesi solidi possono essere costruite in modi più flessibili, limitati principalmente dall’altezza disponibile per sollevare e abbassare la massa.
L’esempio più eclatante di questo passaggio all’accumulo gravitazionale è Rudong, in Cina, dove una partnership tra Energy Vault (un’azienda svizzera) e il governo cinese ha creato il sistema EVx.
Alto oltre centoventi metri, l’edificio EVx è una torre meccanica enorme per sollevare blocchi giganti del peso di ventiquattro tonnellate durante l’energia in eccesso. Quando la rete richiede più energia, i blocchi vengono abbassati e la loro energia potenziale viene riconvertita in elettricità.
Inoltre, in Scozia, la startup Gravitricity ha testato una piattaforma da 250 kW al porto di Leith, sollevando e abbassando due pesi da venticinque tonnellate. Il successo della dimostrazione ha fornito la prova del concetto di far cadere un peso dopo l’altro, livellando la curva di potenza.
Ora, Gravitricity mira a implementare questa tecnologia in pozzi minerari abbandonati. Invece di costruire una struttura alta in superficie, hanno in programma di sospendere pesi enormi sottoterra. Alcune miniere si estendono per tre chilometri di profondità, superando di gran lunga l’altezza della maggior parte dei grattacieli. Questa differenza si traduce direttamente in una maggiore capacità di accumulo di energia.
Riutilizzare le miniere inutilizzate riduce i costi di dismissione e dà nuova vita alle economie locali. Sfruttando le infrastrutture esistenti, Gravitricity evita i pesanti investimenti di capitale necessari per costruire nuove torri o bacini idrici. Questo approccio si adatta alle regioni con industrie minerarie storiche, offrendo eventualmente un nuovo flusso di entrate e una migliore stabilità energetica per le località remote.
Quali sono le sfide e le limitazioni pratiche?
Le batterie a gravità non sono una soluzione universale. Per l’accumulo di energia personale o domestico, la fisica coinvolta rende inefficienti i sistemi a gravità più piccoli. In uno studio, studenti di ingegneria hanno provato a sollevare una massa di cemento di duemila chili in una casa, solo per scoprire che immagazzinava l’equivalente di energia di sole dodici batterie AA.
Costruire qualcosa di abbastanza grande per un consistente stoccaggio domestico sarebbe proibitivo e strutturalmente complesso. Su scala di rete, il principale svantaggio dello stoccaggio gravitazionale è il notevole costo iniziale. Anche se le spese operative per l’intera durata di vita possono essere inferiori a quelle degli ioni di litio, convincere gli investitori a impegnarsi in un progetto ad alto capitale non è sempre facile.
Inoltre, l’usura fisica di componenti meccanici come argani, cavi, pulegge o ascensori può essere un problema per decenni di funzionamento. Tuttavia, i sostenitori sottolineano che la manutenzione regolare è semplice rispetto alle sfide del riciclaggio delle batterie chimiche.
Un altro ostacolo è il settore immobiliare. Mentre i sistemi di stoccaggio gravitazionale non hanno necessariamente bisogno di laghi montani panoramici, richiedono strutture alte o pozzi profondi. Le aree urbane potrebbero rifiutarsi di costruire torri enormi se bloccano la vista o aumentano i costi immobiliari. I siti rurali o ex industriali potrebbero essere più adatti, ma la fattibilità di ogni progetto dipende dalle normative locali e dall’accettazione pubblica.
Le batterie agli ioni di litio hanno ancora dei vantaggi in alcune applicazioni, in particolare per il bilanciamento energetico a breve termine e per i dispositivi portatili. Possono essere installate rapidamente in molte configurazioni e non richiedono strutture specializzate. Tuttavia, le complessità della loro supply chain, i problemi di sicurezza (come il rischio di incendio) e gli impatti ambientali le rendono meno ideali per lo stoccaggio su larga scala e di lunga durata.
Negli Stati Uniti, ad esempio, le crescenti tensioni con la Cina hanno influenzato le politiche commerciali, tra cui i dazi sui beni cinesi. Con un budget di cinquecento miliardi di dollari per l’IA, l’infrastruttura è destinata a crescere e la necessità di uno stoccaggio stabile e su larga scala che non dipenda dal litio importato potrebbe rivelarsi più allettante.
Se le soluzioni basate sulle batterie a gravità riuscissero a superare gli ostacoli iniziali in termini di investimento, potrebbero aiutare le aziende e i servizi di pubblica utilità statunitensi a mantenere un’alimentazione stabile senza essere ostaggi delle fluttuazioni dei prezzi del litio.
A ogni modo, le batterie a gravità sono eccellenti per esigenze di capacità elevate e a lungo termine in luoghi adatti a strutture alte o pozzi profondi. Grazie a progetti come EVx di Energy Vault in Cina o ai progetti di miniere di Gravitricity, il concetto è andato oltre il tavolo da disegno, dimostrando un potenziale reale.
Mentre la tecnologia è ancora in fase di maturazione, le batterie a gravità potrebbero distinguersi per la loro durevolezza, scalabilità e minima dipendenza da materiali scarsi. Nel tempo, se si dimostreranno economicamente sostenibili e robusti, questi sistemi potrebbero diventare pilastri per le utility che cercano di bilanciare i flussi di energia rinnovabile. Per il pianeta, ciò significa meno emissioni di gas serra, minore dipendenza da risorse finite e un passo avanti verso un futuro energetico più pulito e resiliente.
