La transizione passa anche per i sistemi di accumulo energetico. Tutti abbiamo a mente le batterie a stato solido degli smartphone o delle auto elettriche, ma esiste una tecnologia radicalmente diversa. Le batterie a flusso redox possono rivoluzionare la gestione delle reti elettriche.
È possibile ridefinire il concetto stesso di stoccaggio. Allo scopo di garantire la stabilità strutturale della rete non servono pile solide concentrate, ma serbatoi di liquido. Al loro interno, l’energia viene immagazzinata grazie a fluidi elettrochimici. L’adozione delle batterie a flusso redox si sta rapidamente delineando come la scelta tecnologica più efficiente per impianti industriali e reti di distribuzione, grazie alla capacità unica di separare la potenza erogata dalla capacità di accumulo complessiva. Nelle prossime sezioni esploreremo questo sistema idraulico, focalizzandoci sull’impatto economico e sui modelli di autoproduzione locale, oltre che sui materiali impiegati.
Oltre i limiti del litio
La massiccia penetrazione delle fonti rinnovabili non programmabili, come ad esempio eolico o solare, richiede infrastrutture di accumulo a lungo termine, che vengono definite LDES, dall’inglese Long Duration Energy Storage. Esse sono capaci di coprire non solo i picchi di consumo orari, ma interi cicli giornalieri o stagionali. In questo scenario, il confronto diretto, sul mercato, evidenzia limiti strutturali considerevoli per la tecnologia a ioni di litio.
L’elemento oggi più impiegato, nella realizzazione di batterie, è impareggiabile in applicazioni ad alta densità di potenza, in spazi ridotti. Per la mobilità elettrica, per esempio, è il miglior componente che abbiamo a disposizione. La sua trasposizione su scala macro-ambientale però, nel caso di intere città o distretti industriali, risulta inefficiente, costosa e intrinsecamente rischiosa. Al litio sono connessi fenomeni di instabilità termica e un non trascurabile pericolo di incendi.
Il fattore chiave che determina il vantaggio dei sistemi a flusso è il ciclo di vita operativo. Questo si combina con un degrado incredibilmente quasi nullo dei componenti attivi. Le batterie a flusso garantiscono una durata di vita di oltre 20 anni. Nel corso di questo arco di tempo, mantengono inalterata la propria capacità chimica originaria. Il litio non ha le stesse prestazioni. Esso inizia a perdere capacità e costringe a costose sostituzioni già dopo 5-7 anni di cicli intensivi, tra carica e scarica.
Mentre i sistemi idraulici offrono una scalabilità sicura e piuttosto flessibile, chi volesse aumentare la capacità energetica di un impianto al litio dovrebbe moltiplicare il numero di moduli e di celle solide. Ciò incrementerebbe linearmente costi e rischi di guasto elettronico.
Come funzionano le batterie a flusso Redox
L’architettura ingegneristica delle batterie a flusso cui abbiamo dedicato questo articolo, si basa sul principio della riduzione-ossidazione (anche definito redox, abbreviando). Il suo funzionamento traduce lo stoccaggio di elettroni in una gestione dei fluidi del tutto simile a quella che avviene in un impianto di purificazione o di pompaggio idraulico.
Elettroliti liquidi e membrane a scambio ionico
La struttura fondamentale delle batterie a flusso Redox prevede due grandi serbatoi esterni, contenenti soluzioni liquide di sali minerali disciolti in acido. La chimica le chiama elettroliti (sono due, l’anolita e il cattolita). Tramite l’azione di pompe idrauliche meccaniche, la coppia di elettroliti viene convogliata in una cella elettrochimica centrale. A separarli pensa una sottile membrana a scambio ionico, selettiva. All’interno della cella avviene una cessione di elettroni, tra i due fluidi, senza che i liquidi si miscelino mai tra loro.
Le possibilità di queste batterie sono legate alla straordinaria flessibilità del design e al disaccoppiamento tra potenza e capacità:
- la potenza del sistema, misurata in kiloWatt, dipende esclusivamente dall’estensione geometrica della cella elettrochimica, dunque dal numero di piastre sovrapposte.
- La capacità energetica, misurata in kiloWattora si deve invece al volume dei serbatoi esterni. Per raddoppiare l’energia immagazzinabile dall’impianto basta installare cisterne più capienti o aumentare il volume del liquido, lasciando la cella centrale del tutto invariata.
La scelta del materiale: ferro o vanadio
Nel panorama tecnologico attuale, lo standard industriale indiscusso per l’assemblaggio di batterie a flusso Redox è il vanadio. Il successo del materiale è dovuto alla sua capacità di esistere in quattro diversi stati di ossidazione; tutti stabili. Questo permette di utilizzare lo stesso elemento chimico tanto nel serbatoio positivo quanto in quello negativo. Si elimina così il rischio di contaminazione incrociata attraverso la membrana. Può essere complicato da capire per qualcuno, e allora basti sapere che il vanadio è garanzia di una stabilità operativa virtualmente illimitata nel tempo.
Sul fronte della sostenibilità economica e geopolitica, tuttavia, stanno emergendo con forza le batterie al ferro sostenibili. Questa variante sostituisce il vanadio, il quale è un metallo nobile e costoso per via delle caratteristiche appena descritte, con soluzioni a base di ferro e sali salini, economici, iper-abbondanti e totalmente eco-compatibili. Sebbene presentino una densità energetica inferiore rispetto al vanadio, i sistemi a flusso di ferro si profilano come promessa a basso costo ideale per applicazioni rurali off-grid e per lo stoccaggio stazionario di supporto all’agricoltura profonda.
Batterie a flusso Redox e accumulatori a ioni di litio: un’analisi comparativa
| Parametro | Batteria a ioni di litio | Batteria a flusso Redox in vanadio | Impatto sistemico e/o beneficio |
| Ciclo di vita o durata | tra i 3.000 e i 6.000 cicli (intorno ai 10 anni). | Oltre 20.000 cicli (tra 20 e 30 anni). | Sostenibilità a lungo termine: riduce la necessità di sostituzioni frequenti, abbattendo l’impatto dovuto al ciclo di vita LCA (Life Cycle Assessment) dell’impianto. |
| Sicurezza antincendio | Esiste il rischio di fuga termica, fenomeno capace di dare origine a incendi esplosivi difficili da spegnere. | Intrinsecamente sicura: l’elettrolita è a base acquosa, dunque non infiammabile. | Integrazione urbana: Permette l’installazione di grandi sistemi di accumulo in centri abitati o aree sensibili, senza rischi per la popolazione. |
| Scalabilità della capacità | Rigida: occorre aggiungere interi moduli batteria costosi per aumentare la capienza energetica. | Flessibile: basta aggiungere più liquido nei serbatoi. | Ottimizzazione economica: consente di modulare l’accumulo in base alla crescita della Comunità Energetica, riducendo l’investimento iniziale. |
| Riciclabilità a fine vita | Complessa e costosa; il recupero dei materiali (rari e preziosi) risulta difficile. | Facile: l’elettrolita liquido può essere riutilizzato all’infinito, inserendolo in nuove batterie. | Economia circolare: Crea un sistema di leasing del materiale energetico, che non diventa mai un rifiuto, ma rimane un asset liquido pronto al riuso. |
Lo specchietto mostra quanto sia rilevante il passo in avanti compiuto grazie alla tecnologia delle batterie a flusso Redox, le quali surclassano quella del litio da svariati punti di vista come efficacia, durata e sostenibilità.
Comunità energetiche rinnovabili e accumulo stazionario
La decentralizzazione della produzione elettrica richiede soluzioni di accumulo capaci di trasformare i singoli nodi di consumo in entità energetiche autonome e resilienti. Le batterie a flusso Redox possono porsi al centro di questa evoluzione.
Stabilizzare il fotovoltaico di quartiere
La diffusione delle comunità energetiche e dei micro-distretti urbani per la produzione e il consumo di energia trova nei sistemi a flusso un alleato perfetto per la stabilità della rete di comunità. Durante le lunghe giornate estive, gli impianti fotovoltaici di quartiere generano un surplus energetico. Questa, spesso, satura le linee di distribuzione locali, costringendo a distacchi o a svendite di energia sulla rete nazionale.
Le batterie a flusso Redox consentono di assorbire interamente questo eccesso di produzione solare diurna. Stoccandolo in modo sicuro, all’interno delle cisterne fluide, lo restituiscono poi gradualmente, in un secondo momento, alla comunità, durante le ore notturne o nei momenti di picco di consumo della mattina successiva. Questo ciclo continuo livella la curva di carico locale. In tal maniera, garantisce una reale indipendenza energetica al borgo, o al condominio, ed elimina la dipendenza dalle imprevedibili fluttuazioni dei mercati energetici nazionali.
ROI e incentivi per l’accumulo di lunga durata
Di seguito, approfondiamo il ritorno sull’investimento per chi decida di aderire alla locale comunità energetica e vediamo se sono disponibili incentivi per chi scelga di affidarsi all’autoproduzione.
Riduzione dei costi di rete
A livello locale, nell’ambito di un condominio o di una piccola comunità, l’integrazione dell’accumulo di energia stazionario permette di tagliare drasticamente gli oneri di sistema legati alla fornitura energetica, oltre che i costi di dispacciamento addebitati in bolletta. Autoconsumando l’energia sul posto, e azzerando i picchi di immissione, la comunità evita il sovraccarico delle cabine di trasformazione secondarie. In tal modo, si riduce la necessità di costosi investimenti di potenziamento della rete infrastrutturale da parte dei gestori di trasmissione.
Bandi PNRR e MASE
Nel nostro Paese, la transizione verso sistemi di accumulo alternativi agli ioni di litio è sostenuta attivamente dai finanziamenti europei del PNRR, finché resteranno utilizzabili, e dai decreti attuativi del Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica. I bandi pubblici emanati dal Ministero prevedono incentivi dedicati e tariffe premianti per lo sviluppo di tecnologie di accumulo di lunga durata, ad alta sostenibilità e riciclabilità. Ciò posiziona le tecnologie a flusso in una situazione di netto vantaggio nei criteri di valutazione dei progetti.
Il MASE approva con frequenza installazioni di impianti di accumulo sul territorio nazionale, attraverso appositi decreti direttoriali. Con solerzia, il Ministero pubblica bandi di concorso che mirano ad agevolare una transizione energetica di questo tipo, ma la cadenza con cui lo fa è variabile. Il modo migliore per intercettarli è quello di seguire con costanza gli aggiornamenti sul sito ministeriale o rivolgersi a professionisti e installatori che possono informarci su quali siano quelli attivi nel momento in cui si decide di informarsi sull’eventualità di dare avvio a una comunità energetica.
Il quadro normativo all’interno del quale si muove il Ministero è di ispirazione europea. I target di stoccaggio energetico comunitari sono stabiliti dalla European Association for Storage of Energy (EASE); l’ente di riferimento che guida lo sviluppo strategico dello storage energetico nel vecchio continente. Il sito dell’associazione rende pubblici documenti, white papers e analisi comparative tra le diverse tecnologie di accumulo stazionario a lungo termine, mettendoli a disposizione di chiunque voglia approfondire il tema, o stia valutando l’installazione di una simile batteria.
Batterie a flusso Redox e manutenzione semplificata
A un comune o a una piccola utility risulterà più facile, ed economico, gestire un sistema idraulico basato su pompe, valvole e cisterne piuttosto che un accumulatore solido complesso. Le componenti meccaniche delle batterie a flusso sono analoghe a quelle di una comune rete idrica comunale, perciò le riparazioni non richiedono competenze elettroniche avanzate, e neppure la sostituzione di interi pacchi di celle sigillate. Saranno sufficienti interventi di manutenzione ordinaria sulla componentistica idraulica di superficie, analoghi a quelli che si portano avanti sulle condutture e tubature. In questa maniera, si ridurranno le spese operative lungo l’intero ciclo di vita dell’impianto.
