Le fonti di energia rinnovabile possono variare nella quantità di energia che sono in grado di fornire, motivo per cui le batterie vengono utilizzate per immagazzinare temporaneamente l'energia. Il problema con le batterie agli ioni di litio è la loro breve durata, mentre le batterie a flusso redox hanno, ad oggi, stato proibitivo in termini di costi. Ora, però, i nuovi sistemi di flusso redox innovativi sono disponibili allo stesso prezzo delle batterie agli ioni di litio, e dura il doppio. Volterion è uno spin-off del Fraunhofer Institute for Environmental, Sicurezza e tecnologia energetica UMSICHT, ed è riuscita a ridurre drasticamente i costi di produzione coinvolti.

La nostra alimentazione dipende in misura sempre maggiore da fonti di energia rinnovabili. Però, la loro produzione di energia varia ampiamente, richiedendo un mezzo per immagazzinare quell'energia elettrica fino a quando non è necessaria. I potenti sistemi di batterie sono anche parte integrante di altre tecnologie moderne come le soluzioni di mobilità elettrica. La rete non è attrezzata, ad esempio, per ospitare stazioni di ricarica rapida operanti a 350 kilowatt. Né la rete elettrica copre tutti i luoghi in cui sarebbe sensato installare tali stazioni. Le batterie agli ioni di litio sono di uso limitato in tali scenari, non da ultimo a causa delle loro insufficienze in relazione alla durata del ciclo. Due o tre anni di ricarica e scarico di tali batterie due o tre volte al giorno le renderebbero inutili. Non così batterie a flusso redox, che offrono una durata del ciclo superiore. Sono inoltre non infiammabili, riciclabili e facilmente modificabili sia per capacità che per prestazioni. Questo li rende particolarmente adatti per applicazioni in cui le batterie sono sottoposte a elevati livelli di stress. Ma fino ad ora, nonostante questi vantaggi, sono stati semplicemente proibitivi in ​​termini di costi.

Le prime batterie a flusso redox convenienti

I ricercatori del Fraunhofer UMSICHT di Oberhausen sono riusciti a ridurre drasticamente i costi coinvolti nella produzione di batterie a flusso redox. Le nuove batterie innovative sono prodotte e commercializzate dallo spin-off di Fraunhofer Volterion. Per capire come i ricercatori hanno ottimizzato la batteria a flusso redox, dobbiamo dare una breve occhiata a come sono fatte queste batterie. Le batterie a flusso redox sono costituite da pile, che a loro volta sono costituiti da celle elettrochimiche per convertire l'energia elettrica in energia chimica, e serbatoi di fluido elettrolitico per immagazzinare quell'energia chimica. Questa struttura dello stack è la ragione principale per cui le batterie a flusso redox sono così costose.

Però, come il dottor Thorsten Seipp, ex ricercatore presso Fraunhofer UMSICHT e ora amministratore delegato presso Volterion, spiega:"Siamo stati in grado di ridurre il peso delle celle al dieci percento dello stack, che riduce notevolmente il costo. Invece, in pile convenzionali, lo spessore di ogni cella era spesso alto da otto a dieci millimetri, siamo riusciti a ridurlo a due o tre millimetri." Grazie al risparmio di materiale, le nuove batterie a flusso redox costano circa lo stesso di una batteria agli ioni di litio, ma dura il doppio. Per la prima volta, sono convenienti per l'uso in una vasta gamma di applicazioni.

La chiave è nel materiale

Il successo è dovuto prima di tutto ai miglioramenti apportati al materiale. Gli stack sono generalmente costituiti da un composito di polimero di grafite. Durante la lavorazione, però, tali materiali perdono le loro proprietà polimeriche. Le lunghe catene polimeriche sono annullate, e il materiale perde sia la sua flessibilità che parte della sua stabilità. Le connessioni tra le celle non possono essere saldate; invece le celle devono essere unite mediante anelli di tenuta filettati.

"Quello che abbiamo fatto al Fraunhofer UMSICHT è stato modificare il materiale e il processo di produzione in modo tale che il materiale mantenga le sue proprietà polimeriche. Di conseguenza, il materiale rimane stabile e flessibile e può essere reso significativamente più sottile, permettendo alle pile di essere saldate insieme, e eliminando completamente gli anelli di tenuta a rapida usura, " spiega Seipp. Questo rende la produzione delle pile molto più conveniente, e le cataste stesse più robuste, pure.

Applicazioni dagli impianti di trattamento delle acque reflue agli esami MRI

One of the first applications of the new redox flow batteries is in a sewage treatment plant. The plant currently uses methane to generate power, and there are plans to make use of photovoltaic facilities as well. A 100-kilowatt battery would match the fluctuations in both energy generation and energy demand, and this will allow the sewage treatment plan to meet its entire energy requirements self-sufficiently. Redox flow batteries could also be extremely useful in hospitals as a power source for MRI scanners.

"Each MRI scanner has an output of 200 kilowatts, so if you have three or four running at the same time, the circuit is soon overloaded. Putting in a new power line is an expensive solution, costing 80, 000 euros a kilometer, making a redox flow battery a good alternative, " says Seipp. MRI scanners run for a few minutes at a time, during which period they consume huge amounts of power, before lying dormant until the next examination. That means that any battery powering the device is exposed to multiple charge cycles daily. "Our optimized batteries are as if made for this application—and indeed any application calling for short bursts of power in quantities that the grid cannot reliably provide, " finishes Seipp.

Attualmente, the researchers at Fraunhofer UMSICHT are working alongside colleagues from Volterion to make further cost savings in the production of the batteries. They are also looking to scale up the size of the applications. Al momento, the batteries are designed to deliver between 100 and 300 kilowatts, but in the future this could be multiple megawatts.