Nel 1944, l’ingegnere capo della Maschinenfabrik Oerlikon di Zurigo, Bjarne Storsand, si trovò di fronte allo stesso problema che ancora oggi rallenta la transizione energetica: come accumulare energia in modo rapido, affidabile e senza consumare materiali che si degradano nel tempo. La sua risposta fu meccanica. Prese un disco di acciaio cromo-nichel-molibdeno, del diametro di 1,6 metri e del peso di 1.500 chili, lo montò su un asse verticale in una camera sigillata riempita di idrogeno a bassa pressione, lo spinse a 3.000 giri al minuto, e ci costruì sopra un autobus.
Il Gyrobus, entrato in servizio commerciale nell’ottobre del 1953 sulla linea svizzera tra Yverdon-les-Bains e Grandson, era un veicolo a emissioni zero che non necessitava di pantografi o catenarie: si ricaricava alle fermate in meno di tre minuti, mediante tre bracci retrattili sul tetto che si connettevano alla rete trifase a 380 volt. Con il volano a piena velocità percorreva circa 6 km in pianura a 50-60 km/h. L’idea funzionava. Varianti dello stesso sistema furono impiegate a Gand, in Belgio, e a Leopoldville, nell’odierna Kinshasa, dove 12 veicoli coprivano quattro linee urbane.
Eppure il Gyrobus scomparve entro la fine degli anni Cinquanta, ritirato ovunque per ragioni economiche e di affidabilità. Il consumo energetico era elevato, tra 2,9 e 3,4 kWh per chilometro, superiore a quello dei tram contemporanei con capacità passeggeri ben maggiori. I cuscinetti del volano si rompevano sulle strade non asfaltate. L’effetto giroscopico, che rendeva il mezzo straordinariamente stabile in rettilineo, rendeva le curve difficili da affrontare. Il peso dell’intero sistema danneggiava il manto stradale. Di quei veicoli ne è sopravvissuto uno solo, conservato e restaurato al museo VlaTAM di Anversa.
Il principio fisico su cui si fonda un sistema FESS (Flywheel Energy Storage System) è diretto. L’energia immagazzinata dipende dal momento di inerzia del rotore e dal quadrato della velocità angolare: raddoppiare la velocità di rotazione quadruplica l’energia accumulata. Caricare il sistema significa portare il rotore a velocità massima azionando il motore-generatore come motore elettrico. Estrarre energia significa invertire il processo: il rotore decellera, e il motore-generatore funziona da generatore, restituendo corrente alla rete o all’utenza. La velocità minima di esercizio determina quanta energia è effettivamente disponibile, perché al di sotto di quel valore il sistema non può erogare potenza utile.
I sistemi moderni si distinguono nettamente dal volano di Oerlikon per materiali e architettura.
I rotori in fibra di carbonio ad alta resistenza operano in camera a vuoto, montati su cuscinetti magnetici attivi o passivi che eliminano il contatto meccanico e riducono le perdite per attrito. Le velocità di rotazione dei sistemi ad alta velocità superano le decine di migliaia di giri al minuto, contro i 3.000 del Gyrobus. L’efficienza di ciclo completo, comprensiva delle perdite nei convertitori di potenza, si attesta tra il 90 e il 95%. La vita utile supera i 20 anni con centinaia di migliaia di cicli, senza il degrado chimico che caratterizza le batterie agli ioni di litio. Il tempo di risposta è nell’ordine dei millisecondi, limitato solo dall’elettronica di potenza.
Questi parametri collocano il FESS in uno spazio preciso nel panorama dei sistemi di accumulo. Per applicazioni che richiedono risposta rapida, ciclicità intensa e lunga durata senza manutenzione chimica, il volano compete bene con i supercondensatori e surclassa le batterie elettrochimiche. Il punto debole è il costo per unità di energia stoccata, che secondo le stime attuali si colloca tra 1.500 e 6.000 dollari per kWh, contro il costo ormai consolidato delle batterie litio-ioni. Questo spiega perché il FESS sia la tecnologia giusta per la regolazione di frequenza della rete, dove si richiede potenza rapida per pochi secondi o minuti, ma non per l’arbitraggio energetico su scala oraria o giornaliera, dove la densità energetica conta.
L’applicazione principale oggi è esattamente questa: la regolazione di frequenza nelle reti elettriche. Quando generazione e carico si sbilanciano, la frequenza si discosta dal valore nominale di 50 o 60 Hz, e il sistema deve intervenire in tempi molto brevi per ristabilire l’equilibrio. Beacon Power ha operato per anni con due impianti da 20 MW negli Stati Uniti, uno a Stephentown (New York) e uno a Hazle Township (Pennsylvania), ciascuno composto da 200 volani in fibra di carbonio in camera a vuoto. Nel settembre 2024 la Cina ha inaugurato il Dinglun Flywheel Energy Storage Power Station, nella provincia di Shanxi: 30 MW di potenza, 120 unità a levitazione magnetica ad alta velocità, costo di 48 milioni di dollari, attualmente il più grande impianto di questo tipo al mondo allacciato alla rete.
I sistemi UPS industriali ad alta affidabilità rappresentano un’altra applicazione consolidata. I data center critici e le infrastrutture ospedaliere utilizzano FESS come alternativa ai gruppi di continuità elettrochimici: il volano, a differenza della batteria al piombo, non richiede controllo termico, non si degrada con i cicli, e risponde istantaneamente senza la rampa di tensione che caratterizza alcuni sistemi chimici.
I limiti reali di questa tecnologia meritano di essere detti chiaramente. Il costo di investimento è ancora elevato e la riduzione attesa del 35% entro il 2030, stimata dall’IRENA, non è sufficiente a competere con le batterie per applicazioni di stoccaggio di lunga durata. La perdita in standby, causata dall’attrito residuo dei cuscinetti e dall’effetto magnetico del motore-generatore, rimane un problema aperto per i sistemi che devono rimanere in stato di carica per ore senza erogare energia. I rotori in fibra di carbonio, più leggeri e veloci di quelli in acciaio, richiedono contenitori di protezione strutturalmente esigenti, perché una rottura a velocità elevata libera un’energia considerevole. Nessuna di queste criticità è insormontabile, ma tutte incidono sul bilancio economico e sulla progettazione del sistema.
Il volano meccanico è una tecnologia matura, con TRL 9 secondo la classificazione IEA, commercialmente disponibile ma non ancora diffusa su larga scala. La traiettoria più probabile è quella di una complementarietà con le batterie elettrochimiche, in sistemi ibridi dove ciascuna tecnologia copre il segmento per cui è più adatta. Nel frattempo, l’unico Gyrobus sopravvissuto se ne sta ad Anversa, perfettamente restaurato, come testimonianza di un’intuizione ingegneristica che aveva semplicemente anticipato di settant’anni i materiali necessari a renderla davvero praticabile.
L.L.
