L’UE ha fissato obiettivi ambiziosi di riduzione delle emissioni di gas serra da raggiungere entro il 2030, “European Green Deal”, ed uno dei modi per conseguirli consiste nell’utilizzare un quantitativo crescente di energia rinnovabile, coprendo con fonti rinnovabili il 32% dei consumi finali lordi di energia europei, con la prospettiva di rivedere questi obiettivi al rialzo portandoli al 40%. Questo significa che ci si aspetta un notevole incremento di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, per la maggior parte non controllabili come energia solare ed eolica, assieme ad una progressiva elettrificazione dei consumi, quindi anche riscaldamento e mobilità. Diventa quindi fondamentale trovare dei sistemi di accumulo elettrico adeguati.
Il ruolo cruciale dei sistemi di accumulo elettrico
Per favorire l’uso delle energie rinnovabili e compensarne l’aleatorietà, assieme all’elettrificazione dei consumi, non è solamente necessario aumentare il numero delle fonti rinnovabili installate, ma anche garantirne una disponibilità costante. Un ruolo fondamentale è quindi rappresentato dagli accumuli elettrici, sia a livello centralizzato di grande taglia che a livello diffuso, sia per lungo che per breve periodo di tempo, sia per applicazioni stazionarie che per mobilità.
I sistemi di accumulo elettrico sono svariati, possono essere di tipo chimico (idrogeno), elettrochimico (batterie), elettrico (supercapacitori) e meccanico (volani, aria compressa o bacini idroelettrici); ognuno ha raggiunto un diverso livello di maturità tecnologica e si confà maggiormente a determinate applicazioni. Alcuni ad esempio possono immagazzinare notevoli quantitativi di energia per lungo tempo con rapporti elevati tra l’energia immagazzinata e la potenza, ovvero la rapidità con cui l’energia viene erogata. Altri sono fondamentali per fornire energia elettrica rapidamente, quindi con alte potenze rispetto all’energia immagazzinata.
Le Batterie di Flusso Redox: una soluzione promettente
Le “Redox Flow Battery” o Batterie di Flusso Redox, rappresentano un sistema promettente con le caratteristiche adatte per accumuli elettrici stazionari, di grande taglia e lunga durata, che andrebbe a compensare alcuni limiti delle batterie al litio per queste applicazioni. Questo è un tipo di batteria ricaricabile, in cui elettroliti costituiti da una o più sostanze elettroattive, disciolte in un liquido immagazzinato in serbatoi esterni alla batteria stessa, fluiscono attraverso una cella elettrochimica per convertire l’energia chimica in energia elettrica.
Questo tipo di batteria ha il pregio di essere modulabile sia nella potenza, caratteristica che definisce la velocità con cui viene scambiata l’energia, visto che si possono utilizzare più celle in serie, che nella quantità di energia immagazzinata giocando con le dimensioni dei serbatoi e quantità di elettrolita, in maniera tale da poter essere dimensionata a seconda delle esigenze del committente.
Vantaggi delle Batterie di Flusso Redox
Pensiamo alle diverse necessità di un’abitazione isolata, di un quartiere o ancora di chi gestisce un parco di energie rinnovabili e vuole bilanciare la produzione, sia su base giornaliera, come ad esempio per l’energia solare, o su base settimanale o maggiore, come per l’energia eolica. Inoltre possiedono una vita ciclica che può arrivare sino ai vent’anni (contro i dieci del litio) con una manutenzione moderata; hanno bassa autoscarica, il che le rende appetibili ad accumuli di lungo periodo e possono essere inoltre ricaricate rapidamente sostituendo l’elettrolita liquido esausto con uno già carico. Infine per l’impronta ambientale hanno il pregio di consentire facilmente di recuperare le sostanze elettroattive a fine vita.
Le Batterie di Flusso Redox oggi maggiormente all’avanguardia utilizzano soluzioni a base di ossidi di vanadio e acido solforico ed hanno buone proprietà dal punto di vista tecnico, ma pongono dei limiti dal punto di vista economico a causa della dipendenza della Unione Europea dalla importazione di vanadio soggetto a fluttuazioni di prezzo sul mercato, senza contarne l’impronta ambientale. In aggiunta ai costi, c’è anche l’efficienza di carica e scarica inferiore ancora rispetto alle batterie al litio così come la bassa densità che le rende non appetibili per la mobilità.
Il progetto CompBat
Il progetto CompBat, finanziato dall’Unione Europea, è nato per far fronte ai suddetti limiti delle Batterie di Flusso Redox, cercando alternative capaci di esaltarne il potenziale. Si tratta,nello specifico, di alternative prive di vanadio e di metalli rari che utilizzano elementi abbondanti in natura e che, lavorando con soluzioni non corrosive basate su composti organici o metalli non tossici, operino vicino al pH neutro, riducendone drasticamente l’impatto ambientale. Centrare questo obiettivo le renderebbe inoltre utilizzabili su larga scala perché si ridurrebbe anche il prezzo e la dipendenza dell’Unione Europea dall’importazione di vanadio.
A CompBat collaborano in 7 tra università e centri di ricerca, contribuendo alle diverse fasi del progetto che potremmo così sintetizzare:
Centro di ricerca di Scienze Naturali TTK, Ungheria
In questa prima fase viene fatto uno screening di migliaia di molecole organiche “bio-inspired” derivate ad esempio da vitamine o amminoacidi. Le molecole vengono concepite esplorando in maniera sistematica diversi gruppi funzionali e calcolando potenziali di ossidoriduzione e solubilità in acqua. Il tutto coadiuvati da tecniche avanzate di machine learning, per accelerare l’individuazione delle più promettenti.
Università di Scienze applicate di Aalto, Finlandia
A seguito dello screening preliminare, vengono fatti dei modelli matematici accurati, basati su meccanica quantistica, per le molecole più promettenti. In questo modo viene studiato il trasferimento di elettroni da elettrodo ad elettrolita e dunque se ne calcola la velocità così come l’energia richiesta dalle reazioni. Tutte queste informazioni sono altrimenti difficili da misurare sperimentalmente.
Università di Jyväskyla, Finlandia
Sulla base dei risultati dei due precedenti partner, nei laboratori di Jyväskyla sono state sintetizzate le molecole con la migliore combinazione di proprietà, attraverso una serie di passaggi da reagenti di partenza a prodotti. Questi vengono purificati in diversi passaggi e sono infine caratterizzati tramite svariate tecniche, tra cui spettrometrie, per essere sicuri della struttura molecolare e per garantirne il loro utilizzo.
Università di Turku, Finlandia
Le molecole così sintetizzate e rivelatesi più promettenti vengono prodotte in maggiore quantità e l’elettrolita così prodotto viene finalmente testato in delle vere batterie di grandezza e potenza crescente. In questo modo si valuta la loro stabilità per una serie di condizioni operative, in maniera tale che tutte le informazioni raccolte possano da un lato garantire la bontà del risultato oppure essere utilizzate, se necessario, per tornare ai passaggi precedenti e migliorare le molecole.
Università di Uppsala, Svezia
Viene fatto un modello dettagliato tridimensionale dell’elemento costituente della batteria a flusso, ovvero la cella, per capire come questa si comporta quando alimentata dal flusso di elettroliti. Il modello così sviluppato è validato con i risultati sperimentali del passaggio precedente. Potrà così essere usato per studiare le prestazioni della batteria così come il funzionamento di diverse geometrie, con l’obiettivo di migliorarne l’efficienza di conversione elettrochimica riducendo il numero di costosi esperimenti.
Istituto di Scienze e Tecnologia Skoltech, Federazione Russa
A Mosca vengono creati dei modelli di cella più leggeri da un punto di vista computazionale, cercando di raggiungere il miglior compromesso tra dettaglio e tempi di calcolo. Queste simulazioni sono di natura dinamica, volte a capire come la cella si comporta al variare del tempo man mano che le reazioni di ossidazione e riduzione si verificano. Inoltre le celle vengono caratterizzate con una serie di indicatori di immediato utilizzo pratico quali efficienze di carica e scarica.
Università di Pisa, Italia
A Pisa si svolge l’ultimo passaggio, il modello della singola cella viene usato come unità ripetitiva da porre in serie, aumentando così la potenza, per rappresentare l’intera batteria in aggiunta a contenitori con elettrolita, tubazioni, pompe, ecc. Inoltre, basandosi su modelli sviluppati da Uppsala e Skoltech, verranno studiate anche delle soluzioni volte ad aumentare la capienza dei contenitori tramite particelle capaci di assorbire e rilasciare le specie attive disciolte nell’elettrolita, chiamate “solid boosters”.
A questo punto grazie alle attività sperimentali si è sicuri che la batteria funzioni, grazie ai modelli di dettaglio la si studia a fondo e se ne capiscono i meccanismi di funzionamento e, grazie ai modelli più computazionalmente leggeri, si possono simulare i più disparati scenari. Questi ultimi sono volti a capire la convenienza economica delle batterie, stimando i costi di tutti i componenti in caso di produzione su larga scala e dunque capire quali sono le applicazioni che più si confanno in svariati contesti europei, con diverse esigenze di potenza ed energia così come diversi prezzi di acquisto e vendita di energia elettrica, passando dal bilanciamento della produzione di elettricità di campi solari o eolici all’autoconsumo delle comunità energetiche.
Questo progetto ha ricevuto fondi dal programma di ricerca ed innovazione dell’Unione Europea Horizon 2020, convenzione di sovvenzione n. 875565
I pareri espressi impegnano soltanto l’autore (gli autori) e non possono essere considerati come costituenti una presa di posizione ufficiale della Commissione europea.
