Accumulatori Redox a circolazioni di elettrolita al Vanadio (VRB)

Le batterie a circolazione di elettrolita, note anche con il termine “redox”, sono in grado di

accumulare energia elettrica utilizzando reazioni accoppiate di ossido-riduzione in cui sia i reagenti, sia i prodotti di reazione, in forma ionica, sono completamente disciolti in soluzione acquosa. Le soluzioni dell’elettrolita positivo e negativo sono immagazzinate in serbatoi, messi in

circolazione da pompe e si interfacciano attraverso una membrana che permette lo scambio ionico (e quindi le reazioni di carica/scarica) impedendo però il mescolamento delle soluzioni.

La caratteristica più importante di questa tecnologia di accumulo è il totale disaccoppiamento tra la potenza e l’energia. La potenza che la batteria può erogare o assorbire dipende dalla quantità di elettrolita che prende parte alla reazione istante per istante (chiaramente compatibilmente con la velocità della reazione) e, quindi, dalla superficie della membrana e dalla velocità delle pompe. La capacità di accumulo è invece legata alla quantità di liquido totale e quindi alla capienza dei serbatoi, pertanto, a parità di potenza installata, è possibile aumentare la capacità della batteria aumentando le dimensioni dei serbatoi. Gli accumulatori a flusso di elettrolita si prestano in modo particolare ad applicazioni di taglia molto grande (ordine del megawattora), come ad esempio il

load-levelling. Le batterie a circolazione di elettrolita di più diffuso impiego sono le batterie

zinco-bromo e le batterie ai sali di vanadio. Le Le batterie del primo tipo presentano un’elevata densità di energia ed un costo relativamente contenuto (tipico delle tecnologie a base di zinco).

Lo sviluppo di tale tecnologia è però ancora alle prime fasi di commercializzazione con sistemi prototipali di taglia da alcune decine ad alcune centinaia di chilowattora.

Nel caso specifico della batteria Redox al vanadio, la coppia chimica interessata dalle reazioni di ossidoriduzione è costituita da vanadio, un metallo che possiede la capacità di esistere in soluzione in quattro diversi stati di ossidazione, V³⁺/V²⁺ all’elettrodo positivo e V⁵⁺/V⁴⁺ al polo negativo, disciolti in una soluzione di acido solforico.

La cella elementare di una batteria VRB (Vanadium Redox Battery) è costituita dalla membrana di scambio ionico, dagli elettrodi e dalle piastre bipolari. La membrana permette il passaggio degli ioni H⁺ ma non quello degli elettroni e separa l’elettrolita positivo dal negativo

Dal punto di vista costruttivo, le batterie a flusso di elettrolita sono molto differenti dagli accumulatori tradizionali. Le soluzioni dell’elettrolita positivo e negativo sono immagazinate in serbatoi, messe in circolazione da pompe e si interfacciano nella cella elementare attraverso una membrana. Il cuore della batteria è lo stack, costituito da un determinato numero di celle collegate elettricamente in serie. La batteria è poi integrata in un sistema che comprende anche un

convertitore di potenza DC/AC, un sistema di controllo e un sistema di raffreddamento. Il vantaggio principale nell’utilizzare tali tipo di batterie, come già accennato in precedenza, è il totale

disaccoppiamento tra la potenza e l’energia immagazzinabile. Generalmente, per diminuire il costo specifico della batteria sono realizzati sistemi di grossa taglia, con un rapporto tra energia e potenza nominale pari a 10 e quindi adatti ad applicazioni che richiedono prestazioni di energia. La batteria VRB ha comunque tempi di risposta molto rapidi (millisecondi), per cui può essere utilizzata, con opportuno adattatore, anche per prestazioni di

potenza.

L’efficienza energetico dell’accumulatore è fortemente influenzata dalle modalità di gestione delle pompe. Attualmente, l’accoppiamento viene fatto per mezzo di pompe a velocità variabile in funzione del carico, con un netto risparmio in termini energetici. Altro importante parametro che influenza le prestazioni della batteria a circolazioni di elettrolita è la temperatura. L’intervallo operativo è piuttosto limitato, tra 0 e 40°C. A temperature inferiori il fluido diventa troppo denso per una circolazione efficiente, mentre le temperature sopra i 40°C causano la precipitazione dei sali di vanadio dell’elettrolita causando delle potenziali ostruzionial al circuito idraulico e alle pompe.

La durata di vita è teoricamente illimitata dal momento che gli elettrodi/elettroliti non partecipano direttamente alle reazioni se non come portatori di cariche. Inoltre, la membrana non presenta un progressivo decadimento come avviene invece nelle batterie Redox composte da soluzioni di metalli diversi. Il numero di cicli atteso è circa 10,000, corrispondenti a 20 anni di utilizzo continuativo. Un sistema VRB ha raggiunto il record di 13,342 cicli, in due anni di prove di vita accellerate.

Attualmente la ricerca è concentrata sul miglioramento della membrana di separazione, nuove tipologie di stack, migliori modalità di gestione del sistema volte ad aumentare l’efficienza, ridurre l’autoscarica e i costi. E’in fase di sviluppo una seconda generazione di batterie Redox al vanadio, che utilizzano bromuro di vanadio anzichè vanadio. La batteria è stata brevettata dall’australiana University of New South Wales nel 2001 ed è caratterizzata da una densità di energia doppia rispetto alla batteria di prima generazione. In commercio non si trovano accumulatori singoli ma sistemi completi e dimensionati in base al sistema da integrare, risulta quindi difficili analizzare le prestazioni della tecnologia prescindendo da quelle del sistema complessivo. Nonostante le

stazionario, con un installato che si aggira intorno ai 9 MW nel mondo. L’impianto più grande è stato realizzato a Hokkaido, Giappone, dalle ditte Prudent Energy e Sumitomo Electric Industries. Tale sistema, della taglia di 4 MW – 6 MWh con una potenza di picco di 6 MW per trenta secondi, ha funzionato dal 2005 al 2008 ed era accoppiato ad un parco eolico da 30 MW di potenza e permetteva il livellamento dei picchi di potenza prodotta. Altri sistemi sono i seguenti:

Un sistema UPS da 1,5 MW in una fabbrica di semiconduttori in Giappone.

Un compensatore d'uscita da 275 kW in un impianto eolico nelle Tomari Wind Hills presso Hokkaido (Giappone).

Un compensatore d'uscita da 200 kW, 800 kWh nella fattoria eolica di Huxley Hill sull'isola King (Tasmania).

Un livellatore di carico da 250 kW, 2 MWh in uso a Castle Valley, Utah (U.S.A.). Una batteria a flusso da 12 MWh sta per essere installata nella fattoria eolica di Sorne

Hill, Donegal (Irlanda).

Figura 53 Esempio di impianti di accumulatori VRB, dalla configurazione concettuale a quella commercialmente disponibile in moduli

Nella tabella sottostante viene presentata una sintesi dei parametri prestazionali tipici delle celle Sodio/Zolfo.

Parametro Valore tipico Commenti

Tensione nominale di cella [V] 2.076 ^{Dato riferito ad una temperatura di} _300°C

Capacità delle celle [Ah] 628

Energia specifica [Wh/kg] 240

Potenza specifica [W/kg] 210

Efficienza energetica [%] 90

Il rendimento si riduce all’80-85% per il modulo al regime delle 8

ore. Aumentando il regime di scarica il rendimento si può

ridurre al 70%. Efficienza amperorametrica [%] 100

Autoscarica mensile [%] 0 _{ceramica presente, ottimo isolante.} ^{L’autoscarica è nulla grazie alla}

Vita attesa (80% DoD) [cicli] 4500

Regime di scarica tipico [C rate] C/8

Range di temperatura di lavoro 290÷360°C

Il modulo dotato di coibentazione e sistema di riscaldamento è

insensibile alla temperatura esterna.