Scopri le batterie a flusso, una soluzione per lo stoccaggio dell’energia rinnovabile con efficienza e sostenibilità. Approfondisci questa tecnologia.
Le batterie a flusso rappresentano un sistema di accumulo di energia chimica che si distingue per la presenza di elettroliti contenenti una o più sostanze elettroattive disciolte, che fluiscono attraverso una cella elettrochimica che converte l'energia chimica direttamente in energia elettrica. Questi elettroliti sono stoccati in serbatoi esterni, separati dalla cella stessa, consentendo una gestione modulare dell'energia immagazzinata indipendente dalla potenza erogata dal sistema. Questa separazione tra componente energetica (elettroliti nei serbatoi) e componente di potenza (cella elettrochimica) permette di variare la capacità energetica senza modificare l'apparato elettrico del reattore, configurando impianti con durata di scarica da pochi minuti a molti giorni a seconda delle esigenze operative [1].
Il principio operativo si basa su reazioni redox reversibili, in cui gli elettroliti subiscono ossidazioni e riduzioni durante le fasi di carica e scarica, scambiandosi ioni attraverso una membrana selettiva che permette il passaggio degli ioni ma mantiene separati i fluidi attivi. L'uso di soluzioni elettrolitiche liquide consente anche la rapida ricarica mediante sostituzione fisica del fluido esausto con quello carico, similmente al rifornimento di un veicolo termico, facilitando applicazioni mobili come i veicoli elettrici commercializzati da Nano Flowcell AG, la cui e-Sportlimousine ha ottenuto nel luglio 2014 la certificazione per circolare sulle strade pubbliche europee [1].
Le batterie a flusso si differenziano nettamente dalle celle a combustibile pur condividendone alcuni aspetti formali come la presenza di membrane per lo scambio ionico. Le celle a combustibile convertono energia chimica prodotta da combustibili esterni in energia elettrica tramite reazioni in cui un combustibile e un ossidante reagiscono scambiandosi elettroni all'anodo e al catodo; esse non sono soggette alla limitazione per motori termici di Carnot e possono generare elettricità finché vengono rifornite. Al contrario, nelle batterie a flusso la reazione è generalmente reversibile: il materiale elettroattivo può essere ricaricato senza sostituirlo fisicamente nel sistema.
Inoltre, mentre nelle celle a combustibile l’elettrolita rimane sempre all’interno del reattore (sotto forma di membrana, ad esempio) e ciò che fluisce sono sostanze che non conducono elettricità, nelle batterie a flusso almeno alcuni degli elettroliti (generalmente i maggiori in termini di peso e volume) fluiscono attraverso il reattore. Questa differenza comporta anche che nella batteria a flusso la potenza e la densità energetica sono indipendenti tra loro; nella cella a combustibile invece la potenza è legata alla regolazione dei parametri elettrici e alla fornitura esterna [1].
Tra le principali categorie si distinguono:
- Batterie redox: tutti i componenti elettroattivi sono disciolti nell’elettrolita liquido. L’energia immagazzinabile dipende dalla capacità dei serbatoi esterni mentre la potenza è determinata dal modulo della cella elettrochimica.
- Batterie ibride: combinano componenti solidi e liquidi; l’energia è limitata dalla quantità di materiale solido presente nel sistema. Il tempo di scarica tipico varia da pochi minuti a poche ore.
Un ulteriore tipo sono le celle a combustibile redox, che utilizzano un reattore convenzionale di batteria di flusso, ma la ricarica avviene attraverso la riduzione dell'elettrolita negativo usando un combustibile (ad esempio l'idrogeno) e l'ossidazione dell'elettrolita positivo utilizzando un ossidante (tipicamente l'ossigeno o l'aria). Queste ultime sono meno diffuse commercialmente rispetto alle batterie redox convenzionali come quella al vanadio, al polisolfuro di bromuro (Regenesys) o all'uranio [1].
La batteria redox al vanadio utilizza due soluzioni elettrolitiche contenenti vanadio in stati di ossidazione differenti. Quando la batteria è totalmente scarica, nella semicella positiva troviamo ioni \( \mathrm{V^{5+}} \), mentre in quella negativa vi sono solo ioni \( \mathrm{V^{3+}} \). Quando si comincia a caricare la batteria, nella semicella positiva il vanadio viene ossidato trasformando ioni \( \mathrm{V^{4+}} \) in \( \mathrm{V^{5+}} \), perdendo un elettrone e rilasciando ioni \( \mathrm{H^+} \). Durante la carica avviene l’ossidazione nella semicella positiva secondo:
\[
\mathrm{V^{4+} + H_2O \rightarrow V^{5+} + 2H^+ + e^-}
\]
e contemporaneamente nella semicella negativa:
\[
\mathrm{V^{3+} + e^- \rightarrow V^{2+}}
\]
Durante la scarica queste reazioni si invertono permettendo il trasferimento degli elettroni nel circuito esterno e lo spostamento degli ioni idrogeno (\( \mathrm{H^+} \)) attraverso la membrana verso la semicella negativa. La colorazione variabile degli elettroliti consente una facile identificazione dello stato di carica del sistema. Questo schema chimico sfrutta un unico elemento chimico attivo garantendo maggiore stabilità ed evitando problemi di diffusione tra le semicelle [3].
Le batterie a flusso trovano impiego principalmente in sistemi stazionari per accumulo energetico con richiesta tra 1 kWh e molti MWh. Sono ideali per il livellamento del carico della rete elettrica accumulando energia durante le ore notturne o quando il costo dell’energia è basso per rilasciarla nei momenti di picco o bassa produzione delle fonti rinnovabili intermittenti come solare ed eolico.
Un esempio significativo è la Dalian Flow Battery in Cina inaugurata nel 2022 con una capacità iniziale pari a \(400\, \mathrm{MWh}\), capace di soddisfare il fabbisogno energetico per circa \(200.000\) abitanti. Questo impianto dimostra come le batterie a flusso possano supportare infrastrutture urbane estese bilanciando domanda ed offerta energetica su larga scala [3].
Nel settore automotive alcune aziende stanno sperimentando l’impiego delle batterie a flusso per veicoli elettrici grazie alla possibilità di ricariche rapide sostituendo l’elettrolita esausto. Nano Flowcell AG è pioniera in questo campo avendo introdotto modelli stradali certificati già dal luglio 2014 [1][3].
Recentemente gruppi di ricerca universitari hanno sviluppato nuove configurazioni semplificate che eliminano completamente l’uso della membrana selettiva costosa e soggetta ad usura frequente presente nelle batterie classiche. Un esempio rilevante è il prototipo sviluppato dai ricercatori della Stanford University e dello SLAC guidati dal Dottor Yi Cui.
Questa nuova batteria utilizza un unico flusso molecolare composto da polisolfuri di litio immersi in solventi organici non corrosivi, che reagiscono con un anodo metallico rivestito da una barriera protettiva permeabile agli elettroni ma resistente al degrado chimico del litio metallico.
Il processo redox prevede assorbimento degli ioni litio nella fase di scarica e rilascio nella fase di carica mantenendo così stabile il ciclo chimico senza necessità della membrana ionicamente selettiva tradizionale:
> "In fase di scarica le molecole elettroattive del fluido [...] assorbono gli ioni Litio presenti nella soluzione; in fase di carica, al contrario, li rilasciano nuovamente nella soluzione" [4].
Questo design ha mostrato ottime prestazioni dopo oltre \(2000\) cicli equivalenti ad un funzionamento quotidiano continuativo stimato in circa \(5,5\) anni senza perdita significativa delle capacità energetiche accumulate [4].
I vantaggi tecnici principali delle batterie a flusso includono:
- Flessibilità nella progettazione grazie alla separazione tra capacità energetica (serbatoi) e potenza (cella).
- Ciclo vita prolungato con elevata tolleranza ai sovraccarichi e sovrascarichi.
- Tempi rapidi sia nella risposta dinamica sia nelle procedure operative.
- Riduzione dei rischi ambientali grazie all’assenza di emissioni nocive.
- Possibilità concreta della sostituzione rapida dell’elettrolita esausto.
Tuttavia permangono limiti importanti quali:
- Complessità meccaniche dovute alla necessità delle pompe, sensori e vasche di contenimento secondarie.
- Costi elevati legati agli elementi chimici utilizzati negli elettroliti (ad esempio vanadio).
- Bassa densità energetica volumetrica rispetto alle più diffuse batterie Li-ion, che limita fortemente le applicazioni mobili se non opportunamente ingegnerizzate.
- Necessità manutentive specifiche sulla membrana nelle tecnologie tradizionali.
La ricerca sulle nuove configurazioni promette una riduzione dei costi complessivi unitamente ad una maggiore affidabilità nel lungo periodo [1][4].
L’utilizzo prevalente delle batterie a flusso risiede negli impianti stazionari industriali dove dimensionamenti volumetrici non rappresentano vincoli stringenti rispetto alla scalabilità energetica richiesta.
La possibilità offerta dalla modularità permette inoltre integrazioni graduali nell’infrastruttura esistente adattandosi alle esigenze variabili dei gestori della rete.
Nel settore trasportistico rimane ancora limitato lo sfruttamento commerciale diffuso ma alcuni produttori stanno investendo nello sviluppo tecnico soprattutto sfruttando la possibilità unica della ricarica rapida tramite cambio dell’elettrolita liquido esausto.
Infine queste tecnologie costituiscono anche piattaforme interessanti per sperimentare conversione diretta dell’energia radiante (spettro del visibile, infrarosso, ultravioletto e radiazioni ionizzanti) in energia elettrochimica mediante semiconduttori dispersi negli elettroliti, aumentando ulteriormente le potenzialità funzionali future senza compromettere i vantaggi già consolidati oggi sul mercato [1][3][4].
Sto generando il riassunto…