Nelle classifiche energetiche globali, un paese si distingue. La Cina è il consumatore di energia più affamato del mondo – richiedendo l’anno scorso l’equivalente energetico di quasi 3,3 miliardi di tonnellate di petrolio. Dal 2011, ha bruciato più carbone di tutti gli altri paesi messi insieme. E la sua dipendenza da questo combustibile fossile si somma: La Cina emette circa un quarto dei gas serra del mondo, la quota più grande di qualsiasi altro paese.

Ma queste cifre sono solo una parte della storia: La Cina è anche il produttore di energia eolica più prolifico del mondo, con la capacità di produrre più del doppio del secondo generatore, gli Stati Uniti. E ha circa un terzo della capacità di generazione solare del mondo, costruendo più sistemi l’anno scorso di qualsiasi altro paese.

La rapida crescita della sua popolazione ed economia nel corso dei decenni, combinata con un’enorme industria manifatturiera e la migrazione di massa in città illuminate dalle strade e riscaldate centralmente, hanno trasformato la Cina in una nazione affamata di energia. Riconoscendo questa fame e il danno che avrebbe una dipendenza a lungo termine dai combustibili fossili, il governo cinese ha fatto piani per affrontare i bisogni energetici del paese. E la scienza e la tecnologia – in campi come le tecnologie delle batterie, il fotovoltaico e la gestione dell’energia – sono al centro di questi piani.

Una riduzione della domanda netta di energia non fa parte della politica, anche se il mix energetico della Cina si sposta. Secondo la società energetica BP, nel 2018 la Cina ha rappresentato il 24% del consumo globale di energia. L’azienda stima che, entro il 2040, la Cina sarà ancora in cima alla lista, e rappresenterà il 22% del consumo globale.

Il paese ha fatto massicci investimenti nelle rinnovabili, depositando lo 0,9% del suo prodotto interno lordo (PIL) nel settore nel 2015 – il terzo importo più alto al mondo dopo il Cile e il Sudafrica, che hanno investito ciascuno l’1,4% del PIL. Eppure, solo il 23% dell’energia che la Cina consuma proviene da fonti “pulite” (compreso il gas naturale), mentre quasi il 58% proveniva dal carbone nel 2019 – la più inquinante delle opzioni che sono ancora in uso su larga scala in tutto il mondo. (Gran parte del resto dell’energia cinese proviene dal petrolio e dal nucleare.)

Azione sull’inquinamento

La combustione del carbone e di altre fonti non rinnovabili per saziare la fame di energia del paese è diventata un problema visibile, con grandi città come Pechino spesso avvolte da uno spesso smog. L’inquinamento atmosferico è diventato così grave in alcune parti della Cina nel 2013 che i media lo hanno soprannominato un’apocalisse dell’aria, con i cittadini che sopportano livelli di particolato fino a 30 volte quelli considerati sicuri dall’Organizzazione Mondiale della Sanità. E nonostante gli sforzi per combattere il problema, 48 città cinesi figurano ancora tra le prime 100 città più inquinate del mondo.

Questi livelli di inquinamento hanno costretto a ulteriori azioni. Nel dicembre 2016, il governo cinese ha introdotto un piano di sviluppo per le energie rinnovabili come supplemento al suo generale 13° piano quinquennale per lo sviluppo sociale ed economico, che abbraccia il periodo 2016-20, che era stato rilasciato all’inizio dello stesso anno. Includeva un impegno ad aumentare la proporzione del suo consumo di energia rinnovabile e senza combustibili fossili al 20% entro il 2030. Questo impegno, ha promesso il premier Li Keqiang, colpirà duramente i problemi comuni di inquinamento dell’aria e dell’acqua derivanti dalla dipendenza del paese dal carbone.

“Sviluppare l’energia solare ed eolica a basso costo per sostituire l’energia fossile è diventata la strategia energetica principale della Cina per ridurre l’inquinamento atmosferico”, dice Hong Li, un ricercatore che lavora sulle batterie al litio a stato solido presso il Laboratorio chiave per l’energia rinnovabile di Pechino, parte dell’Istituto di fisica dell’Accademia cinese delle scienze. Hong Li, che è coinvolto nello sviluppo di piani nazionali per le nuove tecnologie energetiche, sottolinea anche che i livelli di elettricità generati dalle fonti rinnovabili – che variano con la quantità di sole o di vento – possono essere meno consistenti di quelli delle centrali a combustibile fossile.

“È più difficile unire l’energia solare ed eolica con la rete elettrica” che includere l’energia basata sul carbone, dice Hong Li. L’energia rinnovabile è “meno affidabile e questo può rendere la rete instabile senza sistemi di controllo avanzati in atto”.

Per esempio, nel 2017, più del 30% dell’energia rinnovabile prodotta nelle province soleggiate e ventose di Xinjiang e Gansu nel nord-ovest della Cina non è mai stata utilizzata. Questo perché non poteva essere consegnato dove era necessario: le megalopoli altamente popolate della Cina orientale, come Shanghai e Pechino, a migliaia di chilometri di distanza (vedi ‘Meno energia sprecata’).

È un dilemma che ha portato il governo cinese a investire miliardi di dollari in linee ad alta tensione, per trasmettere l’energia generata nelle regioni soleggiate e ventose attraverso la vastità della Cina. Questo include una linea di 22,6 miliardi di yuan (3,2 miliardi di dollari), di 1.600 chilometri da Qinghai nella Cina occidentale, che è stata completata a maggio. Corre attraverso Gansu, fino alla provincia di Henan nel centro del paese.

Un altro modo per assicurare che l’energia rinnovabile sia disponibile quando serve è aumentare la capacità di immagazzinarla. Questo può essere ottenuto utilizzando tecnologie come le batterie, l’idroelettricità a pompaggio e lo stoccaggio termico, dice Yuki Yu, fondatore della società di consulenza sull’energia pulita Energy Iceberg di Hong Kong.

“Le batterie possono immagazzinare l’energia in eccesso, e poi rilasciarla in seguito. I funzionari e gli scienziati in Cina hanno iniziato a rendersi conto delle implicazioni di questo per stabilizzare le nostre reti elettriche”, dice Xianfeng Li, che guida la divisione di stoccaggio dell’energia presso l’Istituto di Fisica Chimica di Dalian (DICP).

Nel 2017, la Cina ha rilasciato il suo primo documento di politica nazionale sullo stoccaggio di energia, che ha sottolineato la necessità di sviluppare batterie più economiche e sicure in grado di contenere più energia, per aumentare ulteriormente la capacità del paese di conservare l’energia che produce (vedi ‘La spinta della batteria della Cina’). Le tecnologie includono batterie agli ioni di litio – il tipo usato nei veicoli elettrici – e sistemi di batterie stazionarie su larga scala, integrate con forniture di energia eolica e solare.

Nei loro piani, i politici hanno chiarito che gli scienziati e gli ingegneri del paese devono sviluppare tecnologie di stoccaggio dell’energia più efficaci per raggiungere questi obiettivi (vedi ‘Crescita nella ricerca verde’).

Accumulo di energia in azione

La città di Dalian nella provincia di Liaoning, nel nord-est della Cina, ha una popolazione di circa sette milioni di persone, ed è un sito di prova per il lavoro di Xianfeng Li. Le temperature invernali possono scendere fino a -20 °C, mettendo la rete elettrica della città sotto pressione per fornire raffiche improvvise e intense quando i residenti accendono il loro riscaldamento, dice.

Per aiutare ad affrontare questo bisogno, Rongke Power, una società che è stata scorporata dal DICP, prevede di aprire un impianto di stoccaggio di energia da 400 megawattora (MWh) a Dalian quest’anno. È la prima fase di un progetto per fornire un impianto da 800 MWh entro il 2023, e userà batterie a flusso di vanadio – enormi dispositivi ricaricabili che immagazzinano elettrolito liquido in enormi serbatoi. La capacità finale dovrebbe soddisfare circa lo 0,5% della domanda totale di energia del Liaoning, dove Dalian è la seconda città più grande.

Xianfeng Li dice che il progetto sarà in grado di contribuire a un’alimentazione ininterrotta della città, mentre immagazzina e regola la fornitura di energia alla rete per l’intera provincia, che riceve il 16,2% della sua potenza da fonti di energia rinnovabili. Le province variano ampiamente nella quantità di energia proveniente da fonti rinnovabili: per esempio, è il 2,7% per la provincia meridionale cinese di Jiangsu, ma il 30,1% per la soleggiata e scarsamente popolata Mongolia Interna. Tra i vicini di Liaoning, Jilin riceve l’8% della sua energia da combustibili non fossili, e Hebei il 9,1%.

Le batterie a flusso di vanadio del tipo che Xianfeng Li sta testando a Dalian hanno alcuni vantaggi rispetto alle batterie agli ioni di litio standard per applicazioni su larga scala come l’alimentazione di rete: poiché l’elettrolita di vanadio è conservato in un serbatoio, può essere scalato molto più economicamente rispetto alle batterie agli ioni di litio discrete. Le batterie al vanadio hanno anche meno probabilità di prendere fuoco e hanno circa dieci volte la durata di vita delle batterie agli ioni di litio.

Xianfeng Li dice che negli ultimi anni, ha visto i finanziamenti per il suo lavoro sulle batterie a flusso di vanadio aumentare notevolmente, insieme all’interesse delle aziende a collaborare con il suo team. Dice che il DICP sta attualmente lavorando con circa 30 aziende che sono state scorporate dall’istituto.

“Le aziende sono ora interessate a sviluppare questa tecnologia, perché sanno che il governo è concentrato su di essa e quindi si sentono sicuri di investire”, dice.

Yu dice che i governi locali sono ora desiderosi di sostenere le aziende a costruire impianti di stoccaggio delle batterie. “In un momento in cui i responsabili politici sono alla ricerca di nuovi modi per stimolare la crescita nelle loro regioni, l’industria della produzione di batterie sembra molto promettente, quindi i governi sono motivati a incoraggiare questo tipo di investimento.”

Guidare il cambiamento

Il piano quinquennale per il 2016-20 ha anche sottolineato la necessità per i ricercatori di continuare a sviluppare la tecnologia delle batterie in modo che le auto elettriche possano essere guidate più lontano con una carica. Il veicolo elettrico più venduto in Cina, la Tesla Model 3, ha un’autonomia di circa 400 chilometri (la maggior parte dei veicoli elettrici moderni ha un’autonomia di 160-600 km).

“Sviluppare veicoli elettrici è un’altra strategia importante per ridurre l’inquinamento, soprattutto quando l’elettricità proviene da energia pulita. Pertanto, abbiamo bisogno di sviluppare la tecnologia delle batterie per i veicoli elettrici”, dice Hong Li, che dice di aver notato un aumento dei fondi di ricerca per lo stoccaggio di energia, veicoli elettrici e altre tecnologie in Cina nel 2012. Tuttavia, sottolinea, il paese sta ancora recuperando sulla scienza di base dello stoccaggio di energia rispetto ai laboratori leader negli Stati Uniti e in Europa, che eccellono nella comprensione della chimica fondamentale e della scienza dei materiali. Nonostante questo, dice, la Cina è più attiva nell’applicare questa conoscenza per creare innovazione nei sistemi di batterie avanzate. E la scala dell’ambiente di ricerca del paese, dalle università ai team dell’industria, ha aiutato gli scienziati in Cina a raggiungere una comprensione completa di come sviluppare materiali e dispositivi per il mondo reale.

Pianificazione futura

La Cina ha alcuni dei prezzi dell’elettricità più economici del mondo sviluppato (vedi ‘I prezzi dell’elettricità scendono’). I costi sono fissati dai governi locali e approvati dall’ufficio dell’energia nella Commissione nazionale per lo sviluppo e la riforma, che supervisiona la politica macroeconomica. I prezzi sono tenuti bassi per stimolare la crescita economica.

Ma nonostante questa spinta, il paese ha iniziato a eliminare gradualmente alcuni sussidi per i combustibili puliti: per esempio, fermerà quelli per l’eolico onshore dopo quest’anno. I leader cinesi sperano che le fonti di energia rinnovabile diventino economicamente competitive con i combustibili fossili nel prossimo futuro. La risposta sta nello sviluppo di infrastrutture di stoccaggio dell’energia più forti.

Hong Li è un consigliere del comitato di pianificazione nazionale cinese per lo sviluppo dello stoccaggio dell’energia. Insieme a ingegneri e politici, il comitato sta lavorando su un piano quinquennale di ricerca e sviluppo che inizierà il prossimo anno. Tra gli altri elementi, incoraggerà gli scienziati a sviluppare tecnologie di stoccaggio dell’energia per la rete elettrica che siano intrinsecamente più sicure, più economiche e con una durata di vita più lunga.

Il ricercatore di energia solare Xianglei Liu, presso la Scuola di energia e ingegneria energetica dell’Università di Nanchino di Aeronautica e Astronautica, dice che i finanziamenti sono disponibili per gli scienziati nel suo campo per migliorare la produzione di energia pulita della Cina. “L’ambizioso obiettivo del governo di usare più energia pulita significa che ci sono molti finanziamenti”, dice Liu.

Per esempio, l’anno scorso Liu ha vinto una sovvenzione di 1,3 milioni di yuan dalla National Natural Science Foundation of China, la principale agenzia di finanziamento del paese, per migliorare la capacità di stoccaggio del calore dei materiali utilizzati nelle centrali solari termiche, che generano energia dal calore del sole, piuttosto che dalla sua luce come fanno i pannelli fotovoltaici. Il progetto di 5 anni coinvolge circa 40 scienziati di 6 istituti accademici in tutta la Cina. Liu ha anche recentemente iniziato a lavorare con la società Nanjing Jinhe Energy Materials per sviluppare un materiale che ha una grande densità di accumulo di energia e un’alta conducibilità termica.

Yi Jin, direttore della ricerca e sviluppo presso Nanjing Jinhe Energy Materials, dice che poiché il governo sta progettando di ridurre le sovvenzioni alle aziende di energia rinnovabile, le aziende che gestiscono le centrali elettriche verdi sono desiderose di acquistare o investire in tecnologie che aumenteranno la loro produzione e diminuiranno i costi di produzione.

“La nostra tecnologia migliora la stabilità dell’energia rinnovabile e quindi riduce i costi per le centrali, rendendole più efficienti”, dice Jin.

In generale, Hong Li è ottimista che gli investimenti del governo e il progresso scientifico avranno la meglio. “Finché svilupperemo le giuste politiche e tecnologie per sostenerli”, dice, “possiamo gradualmente ridurre la nostra dipendenza dal carbone”.