Cosa sono e come funzionano le batterie di flusso

Le batterie di flusso sono sistemi di stoccaggio ricaricabili di energia chimica che sfruttano particolari reazioni chimiche dette redox, per convertire energia chimica in energia elettrica. Si chiamano così perché i loro due elettrodi (anodo e catodo) sono separati da una membrana conduttiva e immersi in soluzioni elettrolitiche attive; il termine "flusso" deriva proprio dal moto degli elettroliti. Queste batterie necessitano di due serbatoi esterni dai quali le due soluzioni elettrolitiche liquide vengono pompate.

Possono immagazzinare molti megawattora di energia e lavorare nel lungo periodo. Per questi motivi, come le batterie al sale e alla sabbia, sono particolarmente adatte come alternativa alle batterie al litio per lo stoccaggio di energia rinnovabile (per esempio in sistemi di energia eolica offshore) e per gruppi di continuità. Vengono anche impiegate come batterie per i veicoli elettrici.

Cosa sono le batterie di flusso e le tipologie

La prima batteria di flusso fu inventata e brevettata da John Doyle alla fine dell'Ottocento. Era composta da una membrana e due elettroliti fluidi a base di bromo e zinco. La tecnologia si è poi sviluppata fino ai giorni nostri, dove l’elemento principe per entrambi gli elettroliti è diventato il vanadio.

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Vengono anche chiamate batterie a flusso redox (in inglese redox flow batteries, RFB), poiché in esse avvengono reazioni di ossido-riduzione. Queste reazioni chimiche comportano la perdita di uno o più elettroni da parte di un elemento chimico, processo chiamato ossidazione, mentre un altro elemento guadagna elettroni, riducendosi.

Durante la fase di carica della batteria, la corrente viene fatta fluire dall'elettrodo positivo a quello negativo. L’energia elettrica viene convertita in energia chimica grazie al passaggio di ioni idrogeno (H⁺) dalla semicella positiva a quella negativa, attraverso la membrana. Durante l’utilizzo della batteria, ovvero nella fase di scarica, l’energia chimica viene convertita in energia elettrica grazie al moto degli ioni H⁺ che tornano alla semicella di partenza.

Esistono essenzialmente due grandi categorie di elettroliti. La prima categoria sfrutta liquidi e gas, come le batterie di flusso con bromo e zinco, mentre la seconda include solo elettroliti liquidi, come le batterie al vanadio.

Come funzionano le batterie di flusso al vanadio

Una delle batterie di flusso più comuni è la batteria redox al vanadio. Le due soluzioni elettrolitiche sono entrambe composte da vanadio che si trova, però, in diversi stati di ossidazione, cioè “con ioni differenti”. Quando la batteria è totalmente scarica, nella prima semicella, quella positiva, troviamo ioni V⁵⁺, mentre nella semicella negativa vi sono solo ioni V³⁺ (atomi di vanadio che hanno perso 3 elettroni).

Quando si comincia a caricare la batteria, nella semicella positiva il vanadio viene ossidato trasformando ioni V⁴⁺ in V⁵⁺, perdendo un elettrone e rilasciando ioni H⁺. Gli elettroni rilasciati vengono portati all'anodo negativo tramite il circuito elettrico dove riducono il vanadio da V³⁺ a V²⁺. Durante questa fase gli ioni H⁺ attraversano la membrana, andando anch'essi dal polo positivo a quello negativo.

Nella semicella positiva: V⁴⁺ + H₂O → V⁵⁺ + 2H⁺ + e^–

Nella semicella negativa: V³⁺ + e⁻ → V²⁺

Durante la fase di scarica della batteria i due processi si invertono e il flusso di elettroni permette di trasferire energia ai nostri apparecchi.

In queste batterie è facile identificare lo stato della batteria – se scarica, parzialmente carica o totalmente carica – grazie al colore degli elettroliti, che cambia in base allo stato di ossidazione.

Usare un unico elemento chimico attivo – in questo caso il vanadio – per entrambe le soluzioni elettrolitiche è un vantaggio: in questo modo si evitano eventuali problemi di diffusione dell’elettrolita della prima semicella nella seconda.

Pro e contro delle batterie di flusso

Queste batterie sono modulabili e facilmente scalabili per impianti di grandi dimensioni. La loro capacità dipende infatti dalla grandezza dei serbatoi esterni da cui si pompano gli elettroliti. Possono immagazzinare energie dell'ordine dei kilowattora (migliaia di wattora) o megawattora (milioni di wattora).

Hanno lunga durata e riescono a sostenere più cicli di carica e scarica rispetto alle batterie a litio. Gli elettroliti possono essere di diverse tipologie (liquidi o solidi) e possono quindi lavorare a diverse pressioni e temperature necessitando di poca manutenzione.

Il loro costo iniziale è più elevato rispetto alle batterie tradizionali al litio, ma se spalmato sulla loro durata di vita diventano competitive. Per riuscire a stoccare MWh, hanno grandi dimensioni – equiparabili a dei container – e dunque si adattano solo ad alcune applicazioni. A oggi, la capacità energetica e la velocità di ricarica sono inferiori rispetto alle batterie al litio. Come per le altre batterie, possono contenere materiali tossici o inquinanti.

Quali sono le applicazioni delle batterie di flusso

Queste batterie sono spesso usate per applicazioni immobili, come l’accumulo di energie rinnovabili e per sopperire a cali della rete elettrica nei momenti di picco.

Si possono ricaricare velocemente le batterie di flusso sostituendo i due elettroliti. Così facendo possono essere utilizzati per veicoli elettrici. Una ditta che sta puntando su questo è la svizzera Nano Flowcell AG.

Queste batterie si possono anche usare come convertitori di tensione continua o alternata, mettendoli in serie per generare la tensione richiesta.

La più grande batteria di flusso – chiamata Dalian Flow Battery – è in Cina, nell'omonima cittadina. Ha una capacità iniziale di 400 MWh ed è stata inaugurata nel 2022. Serve per il fabbisogno di circa 200.000 abitanti per sopperire al fabbisogno energetico nei momenti di picco.