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La nuova tecnologia delle batterie a flusso è rimasta ai margini del campo dello stoccaggio dell’energia, oscurata da una cascata apparentemente infinita di miglioramenti nel campo familiare delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, le batterie a flusso potrebbero aiutare a sbloccare più energia eolica e solare, insieme a potenziali vantaggi in termini di costi inferiori, durata più lunga e impatto ambientale ridotto. Uno di questi dispositivi è in fase di test proprio adesso a Chicago, in una stazione di servizio riconvertita degli anni ’1970 e dotata di stazioni di ricarica per veicoli elettrici.

Accumulo di energia a lunga durata per la ricarica di veicoli elettrici

La tecnologia delle batterie a flusso si basa letteralmente sulla capacità di due liquidi specializzati di generare elettricità mentre scorrono uno accanto all'altro, separati da una sottile membrana. A differenza delle batterie agli ioni di litio, l’ampliamento di una batteria a flusso è una questione relativamente semplice di aumentare le dimensioni dei serbatoi che contengono i liquidi (leggi maggiori informazioni sulle batterie a flusso qui).

La scienza delle batterie a flusso risale al 19° secolo, ma la sua applicazione su scala di rete, lo stoccaggio di energia di lunga durata ha guadagnato un interesse diffuso solo quando grandi quantità di elettricità disponibile in modo intermittente – vale a dire energia eolica e solare – hanno iniziato ad entrare nella rete all’inizio degli anni 2000.

Finora le batterie agli ioni di litio hanno svolto un lavoro eroico nel gestire queste risorse di accensione e spegnimento. Tuttavia, durano solo una parte della giornata. Sarà necessario un maggiore stoccaggio di energia, per periodi più lunghi, poiché l’energia eolica e quella solare sostituiranno un numero maggiore di centrali elettriche fossili.

In uno sviluppo consequenziale e parallelo, man mano che sempre più veicoli elettrici circoleranno sulle strade, sarà necessaria più elettricità per la ricarica dei veicoli elettrici, il che avrà un impatto anche sulla necessità di stoccaggio dell’energia a lungo termine.

Una nuova batteria a flusso con una svolta allo stato solido

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha esaminato varie soluzioni di lunga durata per la ricarica dei veicoli elettrici, e l’ultima ad attirare l’attenzione è un sistema di batterie a flusso sviluppato dalla startup tedesca CMBlu, con il nome proprietario SolidFlow.

Potrebbe sembrare un ossimoro, ma il nome si riferisce a una combinazione di tecnologia delle batterie a flusso e tecnologia a stato solido.

"Stack di convertitori di energia sono il cuore della nostra tecnologia modulare delle batterie a flusso redox”, afferma CMBlu.

“Sia la riduzione che l’ossidazione, i principali processi elettrochimici, hanno luogo in questi camini, sebbene fisicamente separati gli uni dagli altri”, aggiunge l’azienda. “La potenza della batteria dipende dal materiale e dalla superficie degli elettrodi, nonché dalla cinetica del processo redox. Aumentare la dimensione dello stack produce un output più elevato.

Per quanto riguarda la durata, gli array di batterie al litio generalmente durano circa 4-6 ore, anche se alcune nuove formule si stanno avvicinando a un intervallo di tempo di 8 ore. CMUblu afferma che la sua batteria a flusso può durare 2-3 volte di più per ciclo rispetto a un tipico array agli ioni di litio da 4 ore.

Ricarica di un veicolo elettrico con una batteria a flusso in una stazione di servizio degli anni '1970 ristrutturata

La nuova batteria di CMBlu viene messa alla prova presso lo Smart Energy Plaza, un'ex stazione di servizio situata presso l'Argonne National Laboratory di Chicago, una filiale del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

La stazione di servizio è stata costruita per il laboratorio negli anni '1970. Ristrutturata e riproposta come Smart Energy Plaza, la struttura viene utilizzata per la ricerca l’integrazione della ricarica dei veicoli elettrici con energie rinnovabili, sistemi di costruzione e stoccaggio dell’energia.

"La struttura può ospitare una vasta gamma di apparecchiature, con una potenza connessa alla rete fino a 2 MW e 80 kW di energia solare disponibile tramite varie busway di tensione nell'edificio (commerciale 480 V CA e 208 V CA, residenziale 240/120 V CA e distribuzione CC)" Note dell'Argonne.

Il test collabora con Argonne con l'Idaho National Laboratory, con l'obiettivo di convalidare la tecnologia per l'uso in microreti resilienti e ricarica di veicoli elettrici.

“Il progetto collaborativo mira a migliorare le microreti nei climi freddi e a creare ricarica rapida dei veicoli elettrici più convenienti nelle comunità svantaggiate”, osserva Argonne, aggiungendo che le microreti sono comunemente utilizzate in ambienti remoti, ospedali o altri siti critici. Anche il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha adottato microreti per sostituire il gasolio.

Batterie Flow per la ricarica di veicoli elettrici a basse temperature

Se hai colto il problema dei climi freddi, questa è una considerazione chiave per i sistemi di accumulo dell'energia.

Oltre a convalidare la tecnologia di CMBlu, i due laboratori nazionali non vedono l'ora di mettere in mostra la loro esperienza nel campo delle batterie a flusso. I laboratori dell'Argonne e dell'Idaho sono stati appositamente selezionati dal Dipartimento dell'Energia per il test.

"Questo lavoro premiato offre una strada unica per mostrare i punti di forza di INL e Argonne per esplorare le prestazioni delle batterie a flusso a temperature più fredde di quelle ambientali, rilevanti per le esigenze di stoccaggio dell'energia alle latitudini settentrionali e alle condizioni invernali", ha affermato con entusiasmo Kevin Gering, che detiene il titolo di illustre scienziato dello staff dell'INL.

Oltre ai dati della microrete raccolti presso lo Smart Energy Plaza, la batteria SolidFlow sarà sottoposta anche a test prestazionali presso l’INL Battery Test Center in Idaho, inclusa una valutazione delle prestazioni a diverse temperature.

"Questi test rigorosi sono fondamentali per garantire l'affidabilità della tecnologia in ambienti diversi", sottolinea Argonne.

Le batterie a flusso possono aiutare, non danneggiare le batterie agli ioni di litio

CMBlu è particolarmente interessata a promuovere SolidFlow come soluzione per la ricarica rapida di più veicoli elettrici contemporaneamente. Invece di aumentare la quantità di energia disponibile dalla rete – cosa praticamente impossibile in alcune circostanze – è possibile utilizzare una batteria a flusso per creare capacità di stoccaggio aggiuntiva per i periodi di ricarica di punta.

Una batteria a flusso può anche sfruttare tariffe più basse nelle ore di rete non di punta per immagazzinare energia, contribuendo a ridurre i costi di ricarica dei veicoli elettrici. Inoltre, il collegamento con pannelli solari e altre risorse energetiche rinnovabili locali può aiutare a ridurre i costi e migliorare la resilienza.

A seconda delle normative locali, i proprietari delle stazioni di ricarica potrebbero utilizzare la batteria a flusso anche per rivendere la capacità in eccesso alla rete. CMBlu rileva che il suo sistema è abilitato al software per facilitare tali transazioni con i mercati energetici all'ingrosso.

Con un potenziale vantaggio per la catena di fornitura dei veicoli elettrici, le batterie a flusso stazionario aiuterebbero a liberare più risorse per le applicazioni mobili di stoccaggio dell’energia. Invece della situazione attuale, in cui il litio e altri materiali critici vengono deviati verso lo stoccaggio stazionario dell’energia, potrebbero confluire tutti nella catena di fornitura automobilistica per i veicoli elettrici.

Batterie a flusso e impatti ambientali

Potrebbero comparire batterie a flusso veicoli elettrici un giorno, anche se quel giorno è lontano. Per ora, lo stoccaggio stazionario dell’energia è la parola d’ordine, e le parti interessate alle batterie a flusso sono ansiose di sottolineare i vantaggi ambientali dei sistemi di batterie a flusso rispetto alla tecnologia agli ioni di litio.

CMBlu, ad esempio, rileva che le batterie a flusso non utilizzano i metalli e le terre rare richieste dai sistemi a base di litio. Sono inoltre atossici e non infiammabili.

“I nostri elettroliti organici sono privi di materiali rari e materie prime di conflitto provenienti da attività minerarie precarie ed ecologicamente discutibili”, aggiunge CMBlu. “Inoltre, sono completamente riciclabili.”

Oltre alla convalida in laboratorio, gli Stati Uniti stanno per sottoporsi a un test nella vita reale della tecnologia di CMBlu. Ad agosto, l'azienda elettrica pubblica senza fini di lucro Salt River Project in Arizona ha firmato un progetto pilota di batterie a flusso per dimostrare lo stoccaggio di energia di lunga durata nell'area di Phoenix.

La batteria a flusso da 5 megawatt soddisfa il periodo di 10 ore utilizzato dal Dipartimento dell’Energia per stabilire il punto di riferimento minimo per i sistemi di accumulo di energia di lunga durata.

Si prevede che il sistema Phoenix sarà operativo nel dicembre del 2025 e un ulteriore progetto pilota è in corso a Milwaukee, quindi rimanete sintonizzati per ulteriori informazioni al riguardo.

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Immagine: Dipartimento dell'Energia Piazza dell'Energia Intelligente a Chicago fungerà da banco di prova per la nuova tecnologia delle batterie a flusso (per gentile concessione dell'Argonne National Laboratory).

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• Fonte: https://cleantechnica.com/2023/12/07/new-flow-battery-ev-fast-charging-critical-materials/