Energy storage per le rinnovabili: nasce Flow Batteries Europe

Indice degli argomenti:

• Energy storage per le rinnovabili: cosa sono le batterie a flusso
• I vantaggi delle batterie a flusso
• Flow Batteries Europe: un’associazione per stimolare l’energy storage dell’UE

C’è sempre maggiore consapevolezza del ruolo fondamentale dell’energy storage per le rinnovabili. Secondo le stime contenute nel report del Department of Energy statunitense, entro il 2030 i mercati combinati dell’accumulo di energia stazionaria e per il trasporto cresceranno di 2,5-4 TWh l’anno, da tre a cinque volte l’attuale mercato.

Tra le tecnologie analizzate ci sono anche le flow batteries, caratterizzate da un mercato assai dinamico: degli 800 MWh di progetti avviati dal 2008, più del 75% sono stati realizzati negli ultimi due anni. Bloomberg New Energy Finance prevede che le batterie a flusso potrebbero competere con quelle agli ioni di litio per un massimo di 69 GWh (46%) del totale di 150 GWh di capacità richiesta nel 2030.

Cina e Usa sono i Paesi egemoni, l’Europa è indietro. Per recuperare il gap serve un’azione di coordinamento e di condivisione degli attori del settore, industriale e R&D. Da questi presupposti è nata da pochi giorni l’associazione Flow Batteries Europe.

I suoi obiettivi sono due:

• evidenziare i vantaggi delle tecnologie delle batterie a flusso, sostenendo la filiera europea;
• accelerare lo sviluppo e la diffusione della supply chain delle batterie a flusso e aumentare lo scale up della tecnologia dedicata, sotto forma di ricerca applicata, attraverso la normativa, i finanziamenti e i progetti dedicati all’energy storage emanati dalla Commissione Europea.

L’hanno creata 16 stakeholder dell’industria e della ricerca, tra cui l’Università di Padova rappresentata da Massimo Guarnieri, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale e creatore dell’EESCoLab – Electrochemical Energy Storage and Conversion Laboratory.

La grande considerazione della ricerca nella neonata associazione e, nel complesso nella filiera delle flow battery la si nota guardando all’executive board, di cui fa parte lo stesso Guarnieri insieme ai colleghi del Fraunhofer Institute e del centro di ricerca spagnolo CIC EnergiGUNE, che affiancano da presidenza e vicepresidenza nel governo dell’associazione.

Energy storage per le rinnovabili: cosa sono le batterie a flusso

Chiamate redox flow battery  in inglese, le batterie a flusso accumulano l’energia in soluzioni elettrolitiche contenenti gli ioni elettroattivi. Tali soluzioni fluiscono attraverso un gruppo di celle elettrochimiche ogni qual volta si vuole convertire l’energia elettrica in energia chimica (processo di carica) o energia chimica in energia elettrica (processo di scarica).

Le flow battery si distinguono da quelle allo stato solido (alcaline, agli ioni di litio, al piombo-acido o altro), proprio per la loro caratteristica basilare: impiegare elettroliti liquidi. Si tratta tipicamente di metalli sciolti in opportune soluzioni conservate in serbatoi esterni al cuore della batteria, dimensionati in base a quanta energia si vuole accumulare. Si raggiungono oggi energie di molti MWh. Le soluzioni sono poi fatte circolare mediante due circuiti idraulici nelle delle celle elettrolitiche, per ottenere i processi di carica e scarica dell’energia della batteria.

Ciascuna cella è costituita da due elettrodi e da un separatore (membrana polimerica a scambio ionico), che permette che vengano distinte le reazioni anodiche e catodiche e che gli ioni creati non si combinino subito, ma lo possono fare solo passando nel separatore mentre gli elettroni sono costretti a fluire nel circuito esterno, creando la corrente elettrica e quindi anche la potenza elettrica di carica e scarica.

Nei sistemi industriali, viene usato un certo numero di celle elettrochimiche affiancate, chiamato stack. Sono le dimensioni di quest’ultimo che definiscono la potenza elettrica scambiata.

Più stack possono essere collegati elettricamente in serie o in parallelo, raggiungendo così potenze molte elevate, anche di vari MW e determinando la potenza del sistema della batteria a flusso.

I vantaggi delle batterie a flusso

«Le flow battery sono soluzioni complesse, richiedono un’integrazione di competenze per la loro ricerca e sviluppo, ma forniscono vantaggi importanti – spiega Guarnieri – Innanzitutto per la possibilità di disaccoppiare completamente il dimensionamento in potenza, che dipende dallo stack, dal dimensionamento in energia, che dipende dai serbatoi. In una batteria agli ioni di litio (e in generale allo stato solido) questa “flessibilità” non è possibile, in quanto tutto è contenuto e chiuso all’interno di un unico dispositivo. Questo implica una grande disponibilità di energia ma anche tempi di scarica brevi alla potenza massima. Nelle batterie a flusso c’è la possibilità di usare più serbatoi in grado di erogare quanta energia si desidera, anche per un numero elevato di ore. Negli impieghi stazionari di energy storage, come nel caso degli accumuli negli edifici provvisti di impianto fotovoltaico, è possibile avere a disposizione l’energia quando e per quanto si vuole. Le capacità di immagazzinamento dell’energia sono indipendenti dalla loro potenza nominale, e quindi le batterie a flusso sono particolarmente adatte per l’immagazzinamento di energia di lunga durata. Poiché il costo incrementale dell’aumento della capacità di immagazzinamento dell’energia riflette il costo dei serbatoi e dell’elettrolita, il costo complessivo di una batteria di lunga durata è inferiore a quello di altri tipi di batterie. La batteria a flusso diventa così un’opzione fondamentale nel caso di accumulo stagionale, particolarmente importante specie in aree dove si hanno periodi dell’anno con poca esposizione solare: in questo caso è possibile contare sull’energia immagazzinata nei momenti di maggiore irraggiamento, occorsi giorni o addirittura mesi prima. A questo proposito, nel settore elettrico i vantaggi delle batterie a flusso sono considerevoli. Considerando l’intermittenza delle fonti rinnovabili più significative, ovvero solare fotovoltaico ed eolico, le flow battery sono preziose per stabilizzare la rete elettrica. L’energy storage con batterie a flusso permette di accumulare energia elettrica in esubero a e di impiegarla quando c’è necessità. «Inoltre, hanno vita molto lunga: se una batteria al litio ha circa 5000 cicli (carica/scarica) di vita, una batteria a flusso di vanadio può arrivare a 20mila e anche oltre. L’investimento iniziale si ripartisce quindi in un numero di anni decisamente più lungo», evidenzia il docente dell’ateneo padovano.

Le batterie a flusso garantiscono una sicurezza maggiore rispetto a quelle agli ioni di litio, eliminando del tutto i rischi di incendio o di esplosione.

La tecnologia delle batterie a flusso è modulare e scalabile, quindi i sistemi possono essere realizzati per soddisfare una vasta gamma di applicazioni, e con durata di energia di molte ore o addirittura giorni.

La batteria può essere realizzata con materiali a basso costo e facilmente disponibili, come la termoplastica e i materiali a base di carbonio. Molte parti della batteria possono essere riciclate. Nella versione agli ioni di vanadio – la più diffusa – gli elettroliti in soluzione non si contaminano nel tempo e quindi possono essere recuperati e riutilizzati, riducendo il costo di investimento.

I materiali della batteria hanno una bassa infiammabilità e un basso impatto ambientale.

Flow Batteries Europe: un’associazione per stimolare l’energy storage dell’UE

Flow Batteries Europe è stata fondata per disporre di un interlocutore unico di tutta la filiera industriale e di ricerca verso l’Unione Europea e di promozione e sviluppo di questa tecnologia capace di dare il proprio prezioso contributo nell’energy storage.

L’associazione nasce in un contesto che conta già su iniziative di promozione come l’International Flow Battery Forum (che si terrà il prossimo 7-9 luglio). Ma è particolarmente importante per recuperare il gap rispetto ai principali attori mondiali, presenti in Asia – Cina e Giappone in particolare – e negli USA, un po’ come sta avvenendo con la promozione delle gigafactory per le batterie agli ioni di litio. Il terreno perso è considerevole. Anthony Price, il segretario generale della FBE, ha osservato che tra il 2010 e il 2019, solo il 7% dei progetti di batterie a flusso del mondo sono stati installati in Europa, con molta più R&S e supporto commerciale in Nord America e in Asia.

Non è solo una questione industriale, ma anche di ricerca e sviluppo. Inoltre c’è da stimolare l’attenzione sulle batterie a flusso, in quanto – segnala lo stesso Guarnieri – «molti stakeholder delle batterie allo stato solido, in particolare di quelle agli ioni di litio, hanno sacrificato molto le aspettative di chi opera per lo sviluppo delle flow battery, sottovalutando le opportunità che esse sono in grado di fornire». Serve anche creare i presupposti perché la stessa ricerca abbia la possibilità di ingegnerizzare le soluzioni, passando dal laboratorio all’implementazione industriale.

I prossimi passi dell’associazione sono volti da un lato a promuovere la finalità e le attività di ricerca dell’associazione presso le istituzioni comunitarie e dall’altra allargare il partnernariato. «C’è molto interesse e altri enti e aziende entreranno presto a far parte di FBE».

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