Scienza e ricerca

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L'elettricità smart e il futuro delle batterie

16 marzo 2018

139 paesi stanno promuovendo la transizione alle rinnovabili che dovrebbe portare alla  decarbonizzazione dell’energia entro il 2050. Per poter fruire dell’energia prodotta da fonti rinnovabili però è necessario avere a disposizione sistemi di accumulo di energia. Di queste tematiche si occupa Massimo Guarnieri, professore di elettrotecnica e di storia della tecnologia e responsabile dell’Electrochemical Energy Storage Lab del dipartimento di Ingegneria industriale (DII), che afferisce al Centro interdipartimentale Levi Cases. Con il finanziamento di un progetto strategico di ateneo, il suo team sta lavorando a una tecnologia promettente per i sistemi di accumulo stazionario: una batteria a flusso redox di scala industriale, che funziona con soluzioni elettrolitiche di vanadio.

Le reti elettriche tradizionali forniscono energia quando è richiesta dagli utenti. “La potenza prodotta dalle centrali elettriche tradizionali viene fatta variare per seguire le dinamiche previste dalla domanda: viene fatta crescere a una certa ora del giorno quando la domanda raggiungerà un picco, per poi essere ridotta quando diminuisce” spiega al Bo magazine Massimo Guarnieri. “Con le fonti rinnovabili questo non si può fare a meno di non sprecare una montagna di energia”. L'energia elettrica proveniente dalle fonti rinnovabili (eolico, fotovoltaico, ecc.) infatti non può essere programmata, ma va colta quando è disponibile, ovvero quando c’è sole o vento. Se poi la produzione dalle rinnovabili supera una certa soglia (il 20% del totale) le reti elettriche possono diventare instabili. “Per queste ed altre ragioni, le fonti rinnovabili implicano necessariamente sistemi di accumulo energetico”.

Oggi esistono varie tecnologie per far fronte a questa necessità. Alcune utilizzano le stesse batterie  agli ioni di litio che con ogni probabilità domineranno il mercato della mobilità elettrica e di cui ha parlato Stefano Passerini, professore del Karlsuhe Institute of Technology, Helmholtz Institute di Ulm, nella sua perspective lecture di lunedì 5 marzo in Aula magna del Bo. Secondo Passerini, in un mondo che punta alla mobilità sostenibile e alla riduzione dell'impiego di combustibili fossili, i veicoli elettrici, oltre a fungere da mezzi di trasporto, possono contribuire al contempo allo stoccaggio energetico. Chiaramente per raggiungere un simile obiettivo (si stimano 300 milioni di veicoli elettrici nei prossimi decenni), oltre allo sviluppo tecnologico, occorrono forti interventi infrastrutturali, come colonnine di ricarica in ogni nuovo edificio.

“Le batterie al litio hanno il vantaggio fondamentale di avere elevata densità di potenza e di energia, quindi prestazioni elevate” riporta Massimo Guarnieri. “Ma queste ed altre batterie, basate su altre chimiche, hanno dei limiti, perché i tempi di funzionamento a piena potenza sono necessariamente limitati. A piena potenza una batteria di quel tipo si scarica in circa un'ora. Un'altra limitazione sta nel numero di cicli di carica e scarica, alcune migliaia, che queste batterie riescono a fare prima di degradare”.

Secondo Massimo Guarnieri le batterie a flusso di elettrolita, in particolare quelle al vanadio, offrono grandi vantaggi rispetto a tutte le altre (come spiegato nel video e nel box di approfondimento): “Le batterie al vanadio hanno cicli di vita lunghissimi, 15-20.000 cicli, e tempi di vita a riposo lunghissimi, almeno 20 anni”. Ciò fa sì che la tecnologia al vanadio sia molto promettente per lo stoccaggio di energia elettrica nell'ambito stazionario.

 

Disporre di sistemi di accumulo nella rete elettrica permette di ripensare la modalità di fruizione dell'energia elettrica, migliorandone le prestazioni. Oggi si stanno sviluppando le cosiddette smart grid, le reti intelligenti, e si parla anche di micro grid (in Spagna e in est Europa ad esempio), ossia reti “minori” capaci di funzionare isolate completamente dalla rete nazionale, senza perdere in efficienza. “Inoltre un utente che disponga di un sistema di accumulo privato” spiega Massimo Guarnieri “potrebbe pensare: 'uso il mio sistema di accumulo per immagazzinare energia di notte comprandola dalla rete quando essa costa poco e la rivendo alla rete di giorno quando costa tanto; do così un beneficio alla rete perché l’aiuto a far fronte ai picchi di domanda’. Vi sarebbe una partecipazione economica distribuita tra i singoli utenti, in logica win-win. Questo tecnicamente si può fare, è già realtà negli Stati Uniti, sta diventando realtà in Germania e in Gran Bretagna, ma noi siamo bloccati dal fatto che la normativa impone che l’energia può essere venduta solo dai grandi operatori. Però qualcosa si sta muovendo devo dire, quindi è anche possibile che in un prossimo futuro i nostri legislatori si accorgano che il beneficio del singolo si può tradurre in un vantaggio per l'intera comunità”.

L’operatore nazionale Terna ha da qualche mese avviato cinque progetti pilota per verificare capacità e potenzialità dei sistemi di accumulo stazionario. Ma gli Stati Uniti e l'estremo oriente (Giappone, Corea e Cina) sembrano essere più avanti, poiché stanno investendo molto in questi nuovi paradigmi tecnologici; al contrario in Europa, secondo Massimo Guarnieri, manca un supporto finanziario per le ricerche sulle batterie a flusso. Nonostante Horizon 2020 preveda una riduzione del  20% nell'utilizzo di combustibili fossili, 20% di aumento dell'uso delle rinnovabili, 20% di aumento dell'efficienza, in tema di batterie la comunità europea sarebbe fortemente focalizzata solo su quelle agli ioni di litio, in vista del vastissimo impiego nell'ambito di trasporti e mobilità, un mercato che sta facendo passi da gigante verso l'elettrificazione. “Gli anni del motore a combustione interna stanno per finire”. Da ciò però deriverebbe una scarsa attenzione nei confronti dell'accumulo stazionario: “Il mio timore è che nel giro di qualche anno questo sarà un settore tecnologico in cui verremo colonizzati da prodotti americani, cinesi o coreani, non perché manchino le competenze o non ci siano le potenzialità in Europa, ma perché non si è voluto sostenerne lo sviluppo tecnologico e promuoverne l’industrializzazione. Noi abbiamo realizzato un sistema che in questo momento è unico in Italia e ha pochi equivalenti in Europa e al mondo” conclude Massimo Guarnieri. “Se ci fossero i finanziamenti e un intervento industriale deciso in questa direzione, in un anno la tecnologia potrebbe essere industrializzata anche in Italia. Noi abbiamo tutte le competenze necessarie. Abbiamo un gruppo di ragazzi molto bravi e molto motivati che sanno costruire da zero questi sistemi”.

Con ogni probabilità le batterie a flusso redox saranno una tecnologia fondamentale alla base dell'accumulo stazionario, un concetto ribadito anche da Stefano Passerini. Oltre al vanadio, oggi già commercializzato, la ricerca sta esplorando soluzioni basate su altri elementi. Ancora non si sa quale si imporrà sul mercato, la ricerca è molto attiva e la competizione accesa. È questione di trovare la chimica giusta.

Francesco Suman

Da sinistra a destra il gruppo di lavoro: Alberto Saccardo, Alessandro Giust, Andrea Trovò, Massimo Guarnieri, Piergiorgio Alotto, Sergi Porteros Villar, Giacomo Marini

Come funziona la batteria

La batteria cui sta lavorando il team del professor Guarnieri è un tipo di batteria a flusso redox, vale a dire che si serve di elettroliti liquidi. Un elettrolita è una sostanza che, posta in soluzione, subisce la suddivisione in ioni delle sue molecole: ciò le consente di condurre elettricità e accumulare energia in forma di legame chimico. L'impianto VRFB (Vanadium Redox Flow Battery) è formato da due parti principali: uno stack e due serbatoi, uno per l'elettrolita positivo, uno per l'elettrolita negativo.

L'energia viene immagazzinata nelle soluzioni contenute nei due serbatoi e la batteria sfrutta la capacità del vanadio di esistere in soluzione in quattro diversi stati di ossidazione, V4 e V5 al polo positivo, V2 e V3 al polo negativo, per eseguire la conversione elettrico/chimica e viceversa. Ciò fa sì che siano assenti i fenomeni di contaminazione incrociata. Mediante due circuiti idraulici chiusi azionati da due pompe speciali, le soluzioni vengono fatte circolare tra i serbatoi e lo stack; in quest'ultimo avviene la reazione di ossido-riduzione che permette la carica e la scarica di energia. Lo stack padovano è formato da 40 celle, con area attiva di 600 centimetri quadrati, connesse elettricamente in serie e idraulicamente in parallelo.

 

Un convertitore statico bidirezionale regola i flussi di potenza elettrica da e verso la rete elettrica, mentre un elaboratore svolge la funzione di controllo dell'esperimento, regolando il funzionamento del sistema ed acquisendo ed elaborando tutte le misure eseguite da un completo set di sensori (che misurano portate, pressioni, temperature e tutte le grandezze elettriche). Grazie all'implementazione di funzioni di controllo sofisticate le prestazioni, che inizialmente erano di 75 ampere di corrente e 4 chilowatt di potenza, sono state elevate a 400 ampere e 9 chilowatt. Queste batterie offrono notevoli vantaggi rispetto a tutte le altre soluzioni.

Anzitutto la possibilità di essere dimensionate in energia in modo indipendente dalla potenza, in modo da avere tempi di scarica lunghi a piacere. Sono incrementabili in energia, quando necessario, con limitati costi di investimento, senza toccare le parti in potenza. Sono idonee a forme di immagazzinamento su periodi lunghi, nel cosiddetto "accumulo stagionale". Hanno efficienze decisamente buone, molto migliori di quelle conseguibili con altre tecnologie che mirano agli stessi obiettivi. Inoltre, già ora raggiungono l'obiettivo di costi fissato dalla Commissione Europea in 5 c€/kWh/ciclo (centesimi di euro per chilowattora per ciclo).