Accumulatori Sodio-Zolfo

A differenza delle batterie ZEBRA, le batterie Sodio-Zolfo (NaS) sono una tecnologia di accumulo elettrochimico che trova svariate applicazioni in supporto alla rete elettrica e/o integrazione con fonti rinnovabili non programmabili. Il punto di forza di questa tecnologia è l’energia specifica molto più elevata di quella degli accumulatori con elettrolita acquoso (circa quattro volte quella di un accumulatore al piombo), per tale motivo essa ha visto, a partire dagli anni ’70, una notevole attività di ricerca e sviluppo principalmente per applicazioni su veicoli elettrici (ci sono state comunque applicazioni sperimentali anche nello stazionario). Lo sviluppo della cella sodio/zolfo è stato iniziato dalla ABB e ripreso successivamente dalla giapponese NGK, che ha apportato diverse modifiche per ridurre il grado di pericolosità, arrivando alla commercializzazione della batteria a partire dal 2002. NGK produce celle sodio/zolfo utilizzate esclusivamente in moduli ad alta potenza per applicazioni nella distribuzione di energia elettrica (power quality, load-levelling, peak-shaving) e sono già presenti diverse installazioni di grossa dimensione negli Stati Uniti e in Giappone. La risposta dinamica della cella sodio/zolfo è molto veloce e rende la batteria particolarmente adatta ad applicazioni di Power Quality. Uno degli aspetti più interessanti della cella sodio/zolfo è il

rendimento amperometrico praticamente unitario, grazie alla mancanza di reazioni parassite. Altri punti di vantaggio della cella sodio/zolfo sono l’assenza di auto scarica, grazie al fatto che l’elettrolita solido è un perfetto isolante elettronico, e il fatto che la capacità della cella è

indipendente dal regime di scarica e dalla temperatura. In generale le prestazioni della batteria non sono influenzate dalla temperatura ambiente, come conseguenza di un elevato isolamento termico. Il range di temperatura di funzionamento normale delle celle NaS durante cicli di scarica/carica è nell'intervallo tra 300°C e 350°C.

Durante la scarica, il sodio (all’anodo, elettrodo negativo) è ossidato formando ioni Na⁺. Questi ioni migrano attraverso l’elettrolita, una membrana ceramica di Alluminio di tipo beta (forma isomorfica dell’ossido di Alluminio), e si combinano con lo Zolfo che viene ridotto in corrispondenza

dell'elettrodo positivo per formare pentasolfuro di disodio (Na2S5). Il Na2S5 non è miscelabile con lo zolfo rimanente, formando così una miscela liquida bifase. Quando lo Zolfo è completamente consumato, il Na2S5 è progressivamente trasformato in polisolfuri di sodio con un progressivo aumento del tenore di Zolfo (Na2S5-x). Le celle si riscaldano a causa della reazione esotermica e dell’effetto ohmico durante la scarica.

scarica

Catodo (positivo): xS + 2e^- Sx^-2 (x = 5 ÷ 3) carica

scarica

Anodo (negativo): 2Na 2Na⁺ + 2e^{- carica}

La tensione a circuito aperto è compresa tra 2.076 V e 1.78 V.

Una tipico andamento della tensione durante l’esercizio di una batteria NaS è illustrato nella figura sottostante. Il grafico relaziona la tensione a circuito aperto (OCV) durante le fasi di carica e scarica alla profondità di scarica, DoD. La OCV pari a 2.076V rimane costante per il 60% circa della scarica, mentre una miscela bifase di zolfo e Na2S5 comincia a formarsi all’interno della cella. La tensione poi diminuisce linearmente sino a 1,74V a causa della presenza di polisolfuri di sodio. Una DoD più profonda provoca una formazione più significativa di questo composto, aumentando la resistenza interna e i problemi di corrosione.

Figura 41 Curva caratteristica di una batteria Sodio-Zolfo

Le batterie NaS utilizzano materiali pericolosi tra cui il Sodio metallico (all’anodo), che è

combustibile se esposto con acqua. Pertanto, la costruzione delle batterie include tenute ermetiche e involucri in acciaio inox a doppia parete. Ogni cella è chiusa ermeticamente e circondata da sabbia, sia per ancorare le celle che per mitigare potenziali combustioni. Altre caratteristiche di sicurezza

includono l’isolamento elettrico e un sistema di gestione della batteria che controlla le grandezze operative di esercizio quali tensione di scarica e temperatura.

Figura 50 La struttura costituente una batteria Sodio-Zolfo

La densità energetica volumetrica degli accumulatori NaS è di 170 kWh/m³ mentre quella

gravimetrica è pari a 117 kWh/t. L’efficienza di carica/scarica quando collegata ad una sorgente in corrente continua è dell’86% circa (anche maggiore), mentre cala al 74% quando collegata ad una linea in corrente alternata. La manutenzione è relativamente bassa, anche grazie ad un sistema di controllo integrato BMS, mentre il numero di cicli di lavoro a piena capacità è stimato intorno a 4500 con una proiezioni di vita utile attesa di 15 anni circa. Il tempo di vita di una batteria è legato alle modalità di lavoro cui è sottoposta; in particolare esiste una relazione di inversa proporzionalità tra il numero di cicli di lavoro che la batteria riuscirà a completare nella sua vita utile e la profondità di scarica, come si può vedere nella figura sottostante.

Figura 51 Vita attesa di una batteria NaS in funzione del regime di lavoro

Le applicazioni in campo stazionario sebbene ridotte sono svariate e stanno suscitando sempre più interesse . Le batterie sodio/zolfo costituiscono circa il 70% della totale potenza installata

riguardante gli accumulatori elettrochimici con un totale di 316 MW in 221 impianti in tutto il mondo. Ben 160 MW sono impiegati a Tokyo, mentre un impianto da 50 MW è installato ad Abu Dhabi. Un impianto sodio/zolfo a supporto della rete è il sistema da 34 MW e 244.8 MWh, in funzione a partire dall’agosto 2008, installato nel nord del Giappone e utilizzato per regolarizzare la produzione di un parco eolico da 51 MW di potenza. Il sistema è composto da 17 moduli da 2 MW ciascuno e consente di controllare la potenza in funzione di un profilo di immissione determinato in base al mercato elettrico. Negli Stati Uniti AEP (American Electric Power), in collaborazione con il costruttore NGK, ha installato nel 2006 un sistema di accumulo da 1.2 MW - 7.2 MWh, in una

della sottostazione, da 20 MVA 46kV/12kV, che in diverse occasioni aveva raggiunto il limite massimo di carico. Il sistema è in grado di ridurre la potenza in transito al trasformatore durante i momenti di picco, rinviando in tal modo la realizzazione di una nuova sottostazione di maggiore potenza. A partire dal giugno 2011 il sistema è stato anche utilizzato per funzioni di peak shaving . 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.

Ausiliari necessari BMS, riscald.