Batterie “liquide” per l’energia solare ed eolica

All’interno del parco industriale situato nei pressi della periferia della città di Pullman nello stato di Washington sono parcheggiati 10 container. Non si tratta però di normali container. Infatti all’interno di tali container sono disposte delle grandi batterie ricaricabili, non convenzionali. Infatti mentre le tipiche batterie al piombo e le batterie agli ioni di litio sono per lo più solide, tali batterie sono prevalentemente liquide.

Immagine 1 – Un tecnico controlla un modulo di alimentazione elettrica presso la UniEnergy Technologies, Washington. Le batterie, conosciute come flow batteries (batterie di flusso), utilizzano grandi serbatoi di liquidi per funzionare. Tali batterie sono durevoli nel tempo e possono erogare l’energia in maniera costante. Credit: UniEnergy Technologies.

Le batterie di flusso sono completamente ricaricabili e le soluzioni contenenti gli elettroliti sono stoccate in vasche esterne; tali soluzioni vengono pompate in delle celle (separate in due semicelle da una membrana) elettrochimiche dove avviene la reazione. Per questo motivo vengono chiamate batterie di flusso. Il progetto dimostrativo del parco industriale americano sarà monitorato per i prossimi 18 mesi e sarà uno dei più grandi al mondo.

Tale sistema di batterie potrà immagazzinare un’energia pari a 3,2 MW/h e potrà erogare circa 1 MW di potenza per 3 / 4 ore.

Le batterie di flusso, inventate in Francia nel XIX secolo, vennero riscoperte negli anni ‘70 dalla NASA come possibili fonti di alimentazione dei veicoli spaziali.

Attualmente le batterie di flusso rappresentano un modo efficace per aiutare a gestire l'energia prodotta dalle fonti rinnovabili. Tali batterie hanno beneficiato sia di fondi pubblici per la ricerca nel settore delle energie pulite sia degli investimenti da parte di aziende private specializzate nella produzione di batterie di flusso come la UniEnergy Technologies, società che ha realizzato il sistema di batterie.

L’energia elettrica prodotta dai pannelli solari fotovoltaici e dalle turbine eoliche non è mai costante. L'energia in più prodotta dal solare eolico e dal fotovoltaico rende difficile la sua integrazione nella rete elettrica. Le batterie possono essere un modo per equilibrare l’energia disponibile momento per momento nella rete elettrica: infatti l’energia in eccesso prodotta dai pannelli fotovoltaici potrebbe essere immagazzinata nelle batterie durante le ore diurne per essere reimmessa nella rete successivamente (ad es. durante le ore serali).

Immagine 2 – Schema di una rete elettrica by MBizon Licensed under CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

Negli USA tali batterie vengono utilizzate per mantenere costante il livello di energia e quindi mantenere la rete elettrica stabile. L’anno scorso, da questo tipo di sistemi di batterie, sono stati prelevati soltanto 60 MW di energia per "livellare" i livelli energetici della rete elettrica americana. In generale la capacità di stoccaggio dell’energia elettrica eccedente è comunque destinata a crescere rapidamente grazie all’abbassamento dei prezzi sia delle batterie di flusso sia delle apparecchiature di controllo correlate. La riduzione dei prezzi potrebbe quindi spingere ad una maggiore diffusione nel settore industriale di tali sistemi di accumulo energetico. 

Altri tipi di batterie, come ad es. quelle agli ioni di litio, stanno diventando molto diffuse per merito di un uso sempre crescente da parte dei costruttori di auto elettriche.

Tuttavia, gli esperti sostengono che le batterie di flusso possiedono alcuni vantaggi che le rendono adatte per essere utilizzate come grande riserva di energia per le reti elettriche.

"Ritengo che le batterie di flusso stiano diventando sempre più importanti" scrive Imre Gyuk, responsabile del programma per lo sviluppo delle tecnologie per lo stoccaggio dell’energia elettrica del dipartimento per l'energia americano.

I pacchi batteria convenzionali (agli ioni di litio e al piombo) pur avendo delle dimensioni contenute possono erogare considerevoli quantità di energia per periodi di tempo limitati. Questa caratteristica rende tali batterie molto utili per far girare un motore a scoppio oppure per far muovere un auto elettrica, solo per citare alcuni esempi. Le batterie di flusso sono molto più grandi delle batterie convenzionali poiché hanno grandi serbatoi per il contenimento delle soluzioni elettrolitiche liquide e possiedono dei sistemi per il pompaggio di tali soluzioni nelle celle.

La rete elettrica non ha necessità di grandi quantitativi di energia per brevi periodi di tempo; serve soltanto che sia garantita l’erogazione di un flusso d’intensità costante e senza interruzioni. Quindi non è importante che le dimensioni di tali batterie siano ridotte.

Poiché le reazioni che producono elettricità avvengono nelle soluzioni elettrolitiche liquide, aumentando le dimensioni dei serbatoi è possibile immagazzinare grandi quantità d’energia elettrica nelle batterie di flusso. La capacità delle batterie di flusso ha dei limiti pratici ed economici (oltrepassati i quali la produzione non è più conveniente) tuttavia, tali batterie hanno delle grandi potenzialità in tutte quelle situazioni in cui è richiesto un flusso di energia elettrica costante per diverse ore.

Immagine 3 - Schema di una batteria redox di flusso al vanadio (fase di scarica). Credits: Pacific Northwest National Laboratory.

“Le batterie di flusso hanno anche altri vantaggi rispetto alle batterie convenzionali. Mentre le batterie convenzionali devono essere sostituite dopo diversi cicli di carica e scarica, una batteria di flusso ha una durata molto più lunga e dei cicli di carica e scarica illimitati” sostiene Rick Winter direttore operativo di UniEnergy Technologies, che ha sede a Mukilteo, Washington.

Inoltre le batterie di flusso possono anche essere scaricate completamente senza che questo ne pregiudichi la durata, cosa che invece non è raccomandata per le batterie agli ioni di litio e per altri tipi di batterie perché effettuare tale operazione potrebbe ridurne sensibilmente la durata. Le batterie di flusso sono in grado di fornire sempre la stessa quantità di energia, indipendentemente dal numero di cicli di carica e scarica.

Il sistema di batterie installato nel parco industriale di Pullman utilizza i sali di vanadio per le reazioni elettrochimiche. Nel 2012 alcuni ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory hanno pubblicato un rapporto in cui venivano illustrati i risultati degli studi compiuti sul vanadio: tale elemento chimico permetteva infatti di incrementare di gran lunga la capacità di stoccaggio dell’energia delle batterie di flusso ampliando allo stesso tempo l’intervallo di temperatura di funzionamento, cosa che ha permesso di eliminare di fatto la necessità del controllo della temperatura dell’elettrolita. 

Il progetto dimostrativo, costato 7 milioni di dollari, è stato finanziato dalla compagnia elettrica privata Avista e da un fondo pubblico destinato alla ricerca sulle energie pulite. Tale sistema di batterie verrà utilizzato per immettere energia nella rete elettrica nei periodi di picco della domanda. All’interno del parco industriale dove si trova il sistema di batterie è situata anche una società di ingegneria elettrica, grande utilizzatrice di energia, che effettuerà il monitoraggio e il test del sistema come fonte di energia ininterrotta. In caso di guasto all’alimentazione principale, il sistema di batterie riuscirà a erogare quasi istantaneamente l’energia elettrica necessaria a mantenere operative le apparecchiature digitali della società per molte ore.