P RINCIPALI SOGGETTI ESTERNI COINVOLT

Università di Bologna, Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician”

L’Università di Bologna ha collaborato con ENEA (Obiettivo a), concentrandosi su materiali catodici della famiglia delle olivine. In particolare i temi sviluppati dal Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician” riguardano la prosecuzione della ricerca su nuovi materiali catodici per celle litio-ione, con l’ottimizzazione dei processi di preparazione di tali materiali e la loro caratterizzazione elettrochimica, ed il supporto all’ENEA alla progettazione e prova di celle complete da laboratorio.

Le attività si sono concentrate sullo sviluppo di catodi a base di LiMnPO4 (eventualmente drogato), materiale a struttura olivinica che deintercala/intercala ioni litio a 4,1 V vs. Li con una capacità teorica di 170 mAh/g. La combinazione dell'alto potenziale, che tuttavia non richiede l'uso di elettroliti speciali, e l'alta capacità fa prevedere un aumento consistente dell'energia specifica della batteria. Nel precedente anno l’Università di Bologna aveva già iniziato uno studio sul LiMnPO4, individuando un metodo di sintesi sol-gel partendo da precursori solubili, economico sia dal punto di vista energetico sia dal punto di vista dei costi, per l'ottenimento del materiale nanostrutturato. In questa annualità si è cercato di ottimizzare la sintesi di LiMxMn1-xPO4.dove M è un metallo (Fe o V) drogante.

Inoltre l’Università di Bologna ha realizzato due tipologie di batterie litio-ione di ≈ 1 cm2 e carico elettrodico tale da assicurare una capacità di ≈ 1 mAh/cm2 operanti in elettroliti a base di carbonati organici e sali di litio, entrambe con catodo a base di LiMxMn1-xPO4, e con anodi di grafite o ricevuto dall’Università di Camerino.

Università di Camerino, Scuola di Scienze e Tecnologie

L’Università di Camerino (UNICAM) ha collaborato con ENEA (Obiettivi a e c) con attività di ricerca su due tipologie di batterie: le litio-ione e quelle redox al vanadio.

Per le attività relative a materiali anodici per batterie litio-ione di più elevata energia specifica è stata ottimizzata la preparazione di materiali compositi a base di grafene e Sn, Sb, Si. Particolare attenzione è dedicata all’ottimizzazione della morfologia dei materiali attivi (e in particolare delle matrici carboniose), agendo sulle procedure di sintesi, e delle formulazioni degli elettrodi, utilizzando binder quali carbossimetil vellulosa e acido poliacrilico alternativi al tradizionale poli-viniliden pluoruro. Inoltre, è stato introdotto l’uso di additivi all’elettrolita quali il vinilen varbonato per la stabilizzazione dell’interfaccia elettrodo-elettrolita. Lo studio ha coperto tutte le fasi della realizzazione e della caratterizzazione dei compositi, dalla sintesi dei materiali attivi alla loro caratterizzazione chimica, morfologica e strutturale, dalla preparazione degli elettrodi alla loro caratterizzazione elettrochimica

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Sono stati ottenuti elettrodi compositi Sn/grafene e Si/grafene che forniscono valori stabili di capacità reversibile rispettivamente dell’ordine dei 600 mAh/g-1 e 1000 mAh/g, ampiamente superiori alla capacità fornita da anodi tradizionali a base di grafite (372 mAh/g).

Per la parte riguardante le batterie redox al vanadio, l’attività ha riguardato l’analisi sperimentale del comportamento di celle prototipali, fornite gratuitamente dal Gruppo Loccioni, per lo sviluppo di un modello puntuale della cella che permetta in ogni momento di intervenire sulle condizioni di esercizio del sistema attraverso un monitoraggio puntuale delle concentrazioni delle specie interessate. La ricerca ha usato metodi elettrochimici (misura di OCV) o spettrali (UV-Visibile), capaci in ogni momento di determinare lo stato di carica della cella. Inoltre l’attività sperimentale ha avuto anche lo scopo di valutare in via preliminare le potenzialità tecnologiche di questo sistema di accumulo.

Università di Palermo, Dipartimento Energia, Ingegneria dell'Informazione e Modelli Matematici (DEIM)

Il contributo dell’Università di Palermo ha riguardato le attività di ricerca contenute nell’Obiettivo b. Nel corso della prima fase, l’attività ha avuto la finalità di integrare fisicamente e funzionalmente nel sistema ibrido accumulo-FER un pacco batterie costituito da 250 celle al litio-ferro-fosfato (capacità di 20 Ah). A tal fine è stato necessario procedere all’ottimizzazione hardware e software degli apparati di interfaccia e comunicazione tra i controllori delle unità costituenti il sistema di power conditioning, l’unità di controllo del sistema di protezione d’interfaccia e di comunicazione verso la rete e il BMS delle batterie al litio. Più in particolare, rispetto all’attività svolta nella precedente annualità, è stato necessario integrare nel sistema il BMS (che allora non era disponibile), ottimizzando e perfezionando di conseguenza l’intero sistema di comunicazione e controllo dell’apparato.

Successivamente è stata svolta l’attività di sperimentazione in condizioni reali di funzionamento integrando il sistema sviluppato (comprendente il pacco-batterie al litio-ferro-fosfato per una capacità complessiva di 16 kWh e l’insieme degli apparati di interfaccia – di potenza e di segnale -di controllo e di protezione), in una rete elettrica di

distribuzione di bassa tensione attualmente in esercizio, al fine di verificare sperimentalmente sul campo l’operatività delle funzioni di protezione e comunicazione implementate

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Università di Pisa, Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DII)

Le attività, svolte all’interno dell’obiettivo b, hanno previsto l’ottimizzazione della scheda elettronica di gestione e controllo inizialmente collocata in posizione verticale nella mezzeria del modulo tra le batterie e raffreddata tramite ventilatori disposti sul coperchio dell’involucro di contenimento del modulo, azionati dal BMS stesso. Il DII si è occupato dello sviluppo del BMS completo, partizionato in due sezioni distinte e intercomunicanti, una a livello di modulo (quattro batterie al Li-FePO4) ed una a livello di sistema (più moduli in serie), con funzione di bilanciamento di tipo attivo. In dettaglio, questa fase di sviluppo ha riguardato:

 un upgrade dell’hardware in modo da migliorare alcuni parametri funzionali della scheda elettronica BMS;  la revisione del circuito utilizzato per la scheda elettronica, consistente nell’uso di un circuito multilayer (4

strati) e la riorganizzazione della disposizione dei componenti sullo stesso così da permettere il montaggio dei ventilatori e relativi driver a bordo della scheda elettronica BMS ed il fissaggio della stessa direttamente al coperchio dell’involucro;

 l’implementazione dell’uso di sensori termici NTC nella misura di uno per cella;

 l’introduzione della riconfigurazione dinamica attraverso l’impiego di esclusori ogni pacchetto di n (n = numero opportuno di) moduli e gestione degli stessi da parte del BMS che assume il ruolo di master del sistema batterie costituito da più moduli.

Università di Pisa, Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni (DESTEC)

L’Università di Pisa ha collaborato con l’ENEA, nell’obiettivo b, svolgendo due linee di attività parallele.

Dimensionamento, realizzazione e verifica sperimentale delle sollecitazioni di un accumulatore al litio utilizzato per la gestione di un sistema fotovoltaico per l’alimentazione di un’utenza domestica

L’attività è consistita nel completamento della sperimentazione avviata nel precedente anno di attività, che vede la gestione del carico domestico mediante un sistema integrato di accumulo termico ed elettrico, con l’istallazione di un sistema fotovoltaico da circa 2,5 - 3 kW integrato con accumulatori al litio di ridotta capacità energetica ed alta potenza erogabile per alimentare, mediante inverter da circa 4,5 kW, la rete di utenza domestica. Sono state registrate le grandezze elettriche nelle diverse sezioni di impianto, a valle del generatore fotovoltaico, a valle del sistema di accumulo e a valle dell’inverter per l’alimentazione del carico, nonché quelle di scambio in corrispondenza al confine con la rete pubblica. Sono state inoltre misurate le grandezze di temperatura e stato di carico dei sistemi di accumulo.

Individuazione delle sollecitazioni e criterio di dimensionamento di un accumulatore al litio inserito in una stazione di conversione di una tranvia metropolitana

Questa attività consiste nel definire le sollecitazioni a cui un sistema di accumulo elettrochimico, di tipo gestionale, è sottoposto durante il suo funzionamento in una sottostazione di alimentazione di una rete tranviaria.

Nello specifico si è utilizzato come caso studio la tranvia di Bergamo gestita dalla società TEB SpA. Sono stati analizzati i dati di misura forniti da TEB in merito alle potenze assorbite dalle sottostazioni di alimentazione della struttura tranviaria in funzione di diagrammi temporali di circolazione dei veicoli. È stata, quindi, simulata la struttura di alimentazione elettrica della tranvia e dei treni, nonché la gestione della movimentazione tramite le tracce orarie. È stata inoltre definita una logica di gestione dello stato di carica degli accumulatori al litio, quindi un criterio di dimensionamento della capacità energetica di accumulo.

L’analisi dei risultati di simulazione ha portato a definire i diagrammi corrente-tempo e potenza-tempo atti a indicare sollecitazioni tipo del sistema di accumulo per questo tipo di applicazione, ed il progetto preliminare di un sistema di accumulo da inserire in una sottostazione di alimentazione ritenuta più adatta per sviluppare successivamente la realizzazione e sperimentazione.

Sviluppo di sistemi per la produzione di energia